Thiết kế và khảo sát các hiện tượng xảy ra trong các bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển dùng Thyristor

khiển được góc mở α của Tiristo trong vùng điện áp + anốt, ta cần tạo một điện áp tựa dạng tam giác, ta thường gọi là điện áp tựa là điện áp răng cưa Urc. Như vậy, điện áp tựa cần có trong vùng điện áp dương anốt. Dùng một điện áp một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm (t1,t4) điện áp tựa bằng điện áp điều khiển (Urc = Uđk), trong vùng điện áp dương anốt, thì phát xung điều khiển Xđk. Thyristor được mở từ thời điểm có xung điều khiển (t1,t4) cho tới cuối bán kỳ (hoặc tới khi dòng điện bằng 0). ™ Chức năng của mạch điều khiển + Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên anốt – catốt của van. + Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở Thyristor. Độ rộng của xung: Hình 3-7. Nguyên lý điều khiển chỉnh lưu. Udf Urc Uđk ud Xđk u urc t1 t2 t3 t4 t5 t t t t uđk o o o o Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 49 dt di I t dtx = Idt : là dòng duy trì của van. dt di : tốc độ tăng trưởng của dòng. 3.2.2. Một số yêu cầu đối với mạch điều khiển ™ Xung điều khiển phải đảm bảo yêu cầu về độ lớn của điện áp và dòng điều khiển - Giá trị nhỏ nhất không vượt quá giá trị cho phép của nhà sản xuất. - Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo mở được Thyristor trong mọi điều kiện. - Tổn hao công suất trên các cực điều khiển phải nhỏ hơn giá trị cho phép. ™ Độ lớn xung điều khiển Khi tải của mạch có điện cảm lớn thì dòng điện chậm nên phải tăng độ rộng xung điều khiển. Thông thường độ rộng xung điều khiển không nhỏ hơn 0,5μs. ™ Chia độ dốc Người ta chia độ dốc xung điều khiển làm hai phần: Độ dốc sườn trước và độ dốc sườn sau. Để mở Thyristor có thể dùng sườn phía nào cũng được nhưng người ta thường sử dụng sườn sau để mở Thyristor. Vì vậy, độ dốc sườn trước xung điều khiển càng cao thì Thyristor càng tốt.Thông thường yêu cầu độ dốc của xung điều khiển là: d 1,0 dt dik = ( A/ μs). ™ Độ đối xứng của xung trong các kênh điều khiển Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 50 Trong bộ biến đổi nhiều pha, nhiều van, độ đối xứng của các xung điều khiển giữa các kênh sẽ quyết định đến đặc tính ra của hệ. Nếu xung điều khiển không đối xứng thì dòng điện trong các pha sẽ có giá trị và hình dạng khác nhau làm mất cân bằng sức từ động của máy biến áp. Do đó làm tăng công suất máy biến áp. ™ Độ tin cậy Mạch điều khiển phải đảm bảo làm việc tin cậy trong mọi điều kiện như khi nhiệt độ môi trường thay đổi, tín hiệu nhiều tầng… Xung điều khiển phải ít phụ thuộc vào sự dao động của nhiệt độ, dao động của điện áp nguồn, khử được nhiễu cảm ứng và không để Thyristor mở ngoài ý muốn. ™ Lắp ráp và vận hành Mạch điều khiển cũng như mạch điện phải sử dụng hết các thiết bị có sẵn, dễ thay thế, dễ lắp ráp, dễ điều chỉnh, lắp lẫn và mỗi khối có khả năng làm việc độc lập. 3.2.3. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển Các hệ thống điều khiển xung pha được chia ra làm hai loại dựa trên nguyên lý đồng bộ và không đồng bộ. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển như sau: Chức năng của các khâu như sau: Đồng bộ Răng cưa So sánh Tạo xung Khuếch đại xung Biến áp xung Uđk Hình 3-8. Sơ đồ khối mạch điều khiển Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 51 a) Khối đồng bộ Khối đồng bộ hay còn gọi là khối điện áp chuẩn sẽ tạo ra điện áp Uo thay đổi theo thời gian có dạng hình sin, vuông, răng cưa... Nhờ khối so sánh điện áp chuẩn Uo sẽ được so sánh với Uđk của bộ biến đổi. Khi điện áp ra Uo = Uđk ở đầu ra của bộ so sánh sẽ xuất hiện xung và sau đó xung này sẽ được khuếch đại lên và đưa vào cực điều khiển Thyristor. Điện áp chuẩn thay đổi theo thời gian được tạo ra với điện áp lưới, chính vì thế điện áp chuẩn và xung được tạo ra đồng bộ theo thời gian bộ biến đổi với điện áp lưới xoay chiều. Bằng cách thay đổi giá trị điện áp Uđk ta có thể thực hiện được sự dịch chuyển theo thời gian xung ra bộ biến đổi điều chỉnh góc kích α, tức là điều chỉnh điện áp ra của bộ biến đổi. b) Khối tạo điện áp răng cưa Khâu này để tạo ra điện áp răng cưa so sánh với Uđk điểm cân bằng là thời điểm phát xung. Hình dạng của Urc phụ thuộc vào nguyên tắc điều khiển, ở đây ta chọn nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Điện áp Urc là điện áp đồng pha áp lưới. Có nhiều phương pháp để tạo ra Urc: + Sơ đồ dùng điốt và tụ điện + Sơ đồ dùng tranzitor + Sơ đồ dùng vi mạch c) Khối so sánh Nhiệm vụ của khâu so sánh là tạo ra điện áp Urc với Uđk để xác định thời điểm phát xung mở Thyristor. Để so sánh các tín hiệu tương tự, người ta có thể dùng tranzitor hoặc KĐTT. KĐTT có những ưu điểm sau: - Điện trở vào vô cùng lớn : Rv = ∞ Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 52 - Hệ số khuếch đại : K = ∞ - Điện trở ra : Rr = 0. Nên ngày nay, chủ yếu dùng KĐTT d) Khối tạo xung Bộ tạo xung có nhiệm vụ tạo ra xung có dạng độ dài và công suất đủ để mở Thyristor. Các bộ tạo xung thường có dạng sau: - Bộ tạo xung đơn là các bộ khuếch đại xung có nhiệm vụ tạo ra các xung đơn có độ dài ổn định. - Bộ tạo xung có độ dài tuỳ ý và được trộn với xung có tần số ccấu trúc. - Bộ tạo xung tạo ra các số lượng khác nhau tuỳ theo chế độ hoặc sơ đồ. Bộ tạo xung đơn có sơ đồ đơn giản nhất, độ tin cậy cao và thường được dùng cho mạch điều khiển đơn giản. Bộ tạo xung có trộn xung với tần số cao chô phép sử dụng các xung có độ dài tuỳ ý, nhưng vẫn đảm bảo kích thước máy biến áp xung gọn nhẹ. Bộ tạo xung kiểu này thích hợp với những xung có độ dài Tx > 60o. Bộ tạo xung có số lượng xung đơn tuỳ ý cho phép giảm được nhược điểm của bộ phát xung rộng. Bộ này hay được dùng cho bộ biến đổi ở chế độ dòng gián đoạn và khi không muốn đưa xung lên cực điều khiển kyhi điện áp anot âm hơn so với catốt, do đó tăng độ tin cậy của sơ đồ. e) Khuếch đại xung ™ Sơ đồ nguyên lý Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 53 Hình 3-9. Mạch khuếch đại xung ™ Chức năng Khuếch đại có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điều khiển đưa đến để điều khiển các van bán dẫn công suất đảm bảo các tham số cơ bản như biên độ, độ rộng và công suất. Hơn nữa, nó còn có nhiệm vụ cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực. ™ Nguyên lý hoạt động Sơ đồ gồm một khoá Tranzitor T được điều khiển bởi một xung có độ rộng xung Tx. Khi T mở bão hoà, gần như toàn bộ điện áp nguồn +E được đặt lên cuộn sơ cấp của biến áp xung. Điện áp cảm ứng bên phía thứ cấp có cực tính tương ứng mở điốt D2, đưa dòng điều khiển vào giữa cực điều khiển và catốt của Thyristor Dth. Điốt D3 có tác dụng là giảm điện áp ngược đặt lên K và cực điều khiển của Thyristor Dth khi điện áp catốt dương hơn anốt. Điều này đảm bảo an toàn cho tiếp giáp G – K của Thyristor T khoá lại, dòng colector – emitor của nó bằng 0 f) Biến áp xung D1 D2 D3 Dth R2 R1 T Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 54 Biến áp xung để cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển, phối hợp trở kháng giữa tầng KĐX và cực điều khiển của Thyristor, Nhân thành nhiều xung (BAX nhiều cuộn thứ cấp) cho các van cần mở đồng thời như trường hợp phải mắc nối tiếp hoặc song song nhiều van. Yêu cầu lớn nhất của biến áp xung là truyền xung từ mạch điều khiển lên cực điều khiển của Thyristor với độ méo phi tuyến ít nhất. 3.2.4. Thiết kế mạch điều khiển Dựa trên nguyên tắc điều khiển và những yêu cầu của mạch điều khiển, ta có thể thiết kế sơ đồ mạch điều khiển như sau: a) Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 55 H ìn h 3- 10 . S ơ đồ m ạc h đi ều k hi ển R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 R 6 R 7 R 8 R 9 R 10 R 11 R 12 R 13 R 14 R 15 R 16 R 17 R 18 R 19 R 20 R 21 R 22 R 22 R 24 R 24 R 25 R 26 R 27 V R 1 V R 2 V R 3 V R 4 V R 4 V R 5 V R 6 V R 7 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 D 8 D 9 D 10 D 11 D 12 D 13 D 14 D 15 D z2 D z1 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 - A 1 + - A 2 + - A 3 + - A 4 + - A 5 + - A 6 + + E + E + E + E + E + E -E ~ ~ G1 G 2 K 1 K 2 tín h iệ u ph ản h ồi tố c độ X en x ơ cả m b iế n dò ng T 1 T 2 T 3 T 4 Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 56 b) Nguyên lý làm việc Giả sử nửa chu kỳ đầu điốt D1 thông, điốt D2 khoá, nửa chu kỳ sau điốt D1 khoá và điốt D2 thông. Điện áp được chỉnh lưu hai nửa chu kỳ lấy điện áp âm đi qua điện trở R1 được đưa vào đầu đảo của khuếch đại thuật toán A1 để so sánh với điện áp đặt Uo được lấy từ đất – R3 – R2 đưa vào cửa không đảo của khuếch đại thuật toán A1. Khi: + Uo > U1 => điện áp ra U2 là dương + Uo điện áp ra U2 là âm Khi tín hiệu U2 ra là dương thì điốt D3 bị khoá tụ C được nạp ngược từ +E – R7 – VR1 - C - đất. Điện áp trên tụ C giảm dần về 0, Dz thông. Khi tín hiệu U2 là âm thì điốt D3 thông tụ C được nạp đầu ra A2 – C – R5 – D3 - đất. Điện áp trên tụ C tăng dần bằng Dz. Khi tụ C phóng, nạp thì đầu ra có điện áp răng cưa đưa vào đầu đảo của khếch đại thuật toán A3 để so sánh với điện áp điều khiển được lấy từ +E – R9 – VR2 - đất đưa vào cửa không đảo của khếch đại thuật toán A3. Khi: + Uđk điện áp ra U4 là âm + Uđk > U3 => điện áp ra U4 là dương Vậy đầu ra của khếch đại thuật toán A3 là xung hình chữ nhật có giá trị âm dương. Xung vuông này được trộn với xung chùm có tần số 10KHz được lấy từ bộ dao động dùng khếch đại thuật toán A4. Xét ở nưa chu kỳ đầu điốt D11 thông, còn điốt D12 khoá bóng T1 mở, T3 khoá. Lúc này có dòng từ +E – R20 – BAX – ECT1 – R16 - đất. Trên R16 có biến áp đặt vào bazơ T2 làm cho T2 mở. Trong nửa chu kỳ sau điốt D11 khoá còn điốt D12 thông, bóng T1 khoá, T3 mở lúc này có dòng từ +E – R21 – BAX – ECT3 – R22 - đất. Trên R22 có biến áp đặt vào bazơ T4 làm cho T4 mở. Khi các bóng mở thì tín hiệu móc Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 57 vòng qua biến áp xung, bên cuộn thứ cấp ta nhận được các xung điều khiển để mở các Thyristor. Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 58 Udf UĐF U3 t t t Uđk o o t t t o o o o o U1 U2 U6 U5 U4 t U0 o t U7 U8 t Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 59 3.2.5. Tính toán các khối trong mạch điều khiển a) Khối đồng pha Mạch tạo tín hiệu đồng bộ dùng chỉnh lưu nửa chu kỳ có điểm trung tính (D1, D2) để tạo ra điện áp chỉnh lưu U(1) hình (3 - 9). Điện áp U(1) được so sánh với Uo để tạo ra các tín hiệu tương ứng với điểm mà điện áp nguồn đi qua điểm không. Uo càng nhỏ thì xung U(2) càng hẹp và phạm vi điều chỉnh càng lớn. Nếu chọn αmax = 175o thì: Uo = o2 5sinU.2 Theo yêu cầu thiết kế đồ án. BAĐF dùng lõi thép kỹ thuật điện hình chữ E có tiết diện lõi thép là: S = 12 cm2 với công suất bằng tương ứng là P = 122 / 1,44 = 100 (W) Điện áp thứ cấp lấy bằng 12 V, còn điện áp cuộn sơ cấp là 240 V để nối vào lưới điện. Theo kinh nghiệm ta chọn số vòng vol là no = K/ S BADP D D - A1 + +12 R1 R4 R3 VR1 +12 -12 UB UA Hình 3 - 11. Sơ đồ tạo điện áp đồng pha R2 Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 60 Trong đó: K - là hệ số biến áp: 36 ÷ 42 (vòng) no = 40 : 12 = 3,3 (vòng/ vol) Số vòng dây cuộn sơ cấp : W1 = no . U1 = 3,3 . 240 = 792 (vòng) Số vòng dây cuộn thứ cấp : W2 = no . U2 = 3,3 . 12 = 40 (vòng) Tại điểm A. Điện áp đồng pha lấy từ cuộn thứ cấp MBA qua một mạch lọc R1 , C1 đưa đến đầu vào của KĐTT U1A. Ta chọn : R1 = R2 = R3 = R4 = 10 KΩ VR1 = 50 KΩ b) Mạch tạo điện áp tựa (điện áp răng cưa) Ta thường chọn sơ đồ tạo điện áp tựa dùng khuếch đại thuật toán. Sơ đồ này được xây dựng trên nguyên tắc sử dụng mạch tích phân. Quá trình phóng - A2 + C1 R5 R6 +12 -12 Hình 3-12. Sơ đồ tạo điện áp tựa U VR6 +12 Dz1 R4 Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 61 nạp của tụ được thực hiện nhờ nguồn nạp cho tụ là nguồn hai cực tính. Khi điện áp đầu vào U(1) mang dấu dương (+E), điện áp trên tụ (U2) sẽ được nạp theo công thức như sau: U2 = UC = 1 2 T. C.R E− Điện áp trên tụ theo phương trình là đường tuyến tính dốc xuống phía dưới. Nếu điện áp đầu vào mang dấu âm (-E), điện áp ra sẽ được tính theo công thức: U2 = UC = 2 2 T. C.R E Điện áp trên tụ lúc này là đường đi lên phía trên. Bằng cách thay đổi thời gian phóng (T1), thời gian nạp (T2) và các giá trị VR2, VR3 một cách tương ứng, ta có thể thay đổi được dạng điện áp răng cưa. Ta chọn: VR2 = 10 KΩ VR3 = 50 KΩ R5 = 1 KΩ R6 = 56 KΩ R7 = 330 Ω R8 = 10 KΩ D2, D3 loại 1ê C1 = 0,1 μF c) Khâu so sánh KĐTT U1A làm việc trong chế độ so sánh nên đầu ra điện áp dạng xung hình chữ nhật đối xứng. Gọi điện áp qua trở R2 là U1 Gọi điện áp qua trở R3 là U2 Nếu U1 > U2 thì điện áp tại điểm B bị lật xuống âm nguồn U1 < U2 thì điện áp tại điểm B lật lên trên dương nguồn. Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 62 Ta chọn : R9 = R10 = 10 KΩ d) Khâu tạo xung Khâu so sánh 1 ta đã nhận được xung vuông rộng kéo dài từ khi xuất hiện đến nửa chu kỳ đang xét của điện áp chỉnh lưu. Nếu xung điều khiển xuất hiện từ thời điểm kéo dài cho đến hết nửa chu kỳ mới kết thúc sẽ làm hỏng cực điều khiển. Để tạo xung với vài μs ta dùng mạch vi phân R12, C2 . Tụ C2 và R12 là để vi phân xung vuông sau khâu so sánh thành xung đơn có biên độ bằng hai lần biên độ hình chữ nhật - A4 + R12 D2 R13 R16 R15 R14 C2 UD Hình 3-14. Sơ đồ khâu tạo xung - A3 + R9 R10 Uc Uđk Hình 3-13. Sơ đồ khâu so sánh Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 63 tD = R12. C2 = 100 μs = 10- 4 (s) chọn C2 = 0,047 μF = 0.047 . 10-6 F => R12 = Ω=− − K13,2 10.047,0 10 6 4 Khi điện áp đưa từ khâu so sánh ở mức thấp (-Ubh) thì tụ C2 được nạp bằng nguồn âm lên đến trị số bằng Ubh. Khi điện áp so sánh chuyển lên mức (+ Ubh ) vào thời điểm này R4 xuất hiện 1 xung điện áp có giá trị bằng điện áp có sẵn trên tụ ( Ubh ) cộng điện áp ra của khâu so sánh cũng bằng Ubh. Do chúng mắc nối tiếp nhau nên tổng bằng +2Ubh. Sau đó tụ C2 bắt đầu quá trình nạp đảo để cuối cùng đạt trị số Ubh nhưng ngược dấu ban đầu. Xung vi phân được đưa đến KĐTT U1B. - A1 + D1 D2 R6 R2 U1B R7 R8 -U D Hình 3-15. Sơ đồ tạo điện áp UD Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 64 Đầu vào (-) U1B đặt dưới điện áp do phân áp R6, R7 tạo nên. Như vậy, điện áp tại điểm C = 0 V, điốt D1 thông làm đầu vào (-) của KĐTT âm hơn đầu vào (+) nên đầu ra của KĐTT sẽ bão hoà ở gần (+) nguồn. Khi xung nhọn ở điểm C có giá trị (-). Điốt D1 khoá, D2 thông làm đầu vào (+) của KĐTT âm hơn so với đầu vào (-). Kết quả đầu ra cũng bị lật xuống âm nguồn. Như vậy, tại D có dạng xung với phần (-) rất hẹp tại thời điểm này điện áp anot đi qua giá trị bằng 0. Đây là tín hiệu điều khiển cho mạch tạo xung răng cưa trên KĐTT U1C. Chọn R5, R6, R7, R8 dựa trên điều kiện sau: B1UB1U UU −+ > 86 6 85 5 86 6C 85 5C RR R RR R RR R.U RR R.U +>+⇒+ −>+ Vậy chọn : R5 = R8 = R7 = 10 KΩ => (thoả mãn điều kiện ) R6 = 5 KΩ e) 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: ΔB = 0,3 (T), ΔH = 30 ( A/m ) [1], không có khe hở không khí. + Tỷ số biến áp xung : thường m = 2 ÷ 3, chọn m = 3 + Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Udk = 3,0 (v) + Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = m. U2 = 3.3 = 9 (v) + Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Idk = 0,1 (A) Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 65 + Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1 = I2 / m = 0,1/ 3 = 0,033(A) + Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: μtb = ΔB/ μ0 . ΔH = 8.103 trong đó : μ0 = 1,25 . 10-6 (H/ m) - là độ từ thẩm của không khí Thể tích của lõi thép cần có: V = Q . L = ( μtb . μ0 . tx . sx . Ul . Il )/ ΔB2 Thay số V = 0,834 . 10-6 (m3 ) = 0,834 ( cm3 ). Chọn mạch từ có thể tích V= 1,4 (cm3 ). Với thể tích đó ta có kích thước mạch từ như sau: [1] a = 4,5 mm b = 6 mm Q = 0,27 cm2 = 27 mm2 d = 12 mm D = 21 mm Chiều dài trung bình mạch từ : l = 5,2 (cm) + Số vòng quấn dây sơ cấp biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ : U1 = w1 . Q. dB/ dt = w1 . Q. ΔB/tx w1 = U1 tx / ΔB.Q = 186 ( vòng ) + Số vòng dây thứ cấp W2 = w1 / m = 186/ 3 = 62 (vòng ) + Tiết diện dây quấn thứ cấp: Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 66 S1 = I1 /J1 = 33,3.10-3 / 6 = 0,0056 (mm2 ). Chọn mật độ dòng điện: j1 = 6 ( A/mm2 ). + Đường kính dây quấn sơ cấp : d1 = π 14S = 0,084 (mm) Chọn: d = 0,1 (mm). + Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = I2 / J2 = 0,1/ 4 = 0,025 (mm2 ). Chọn mật độ dòng điện J2 = 4 (A/ mm2 ) + Đường kính dây quấn thứ cấp: d1 = π 2S4 = 0,178 (mm) Chọn dây có đường kính: d2 = 0,18 (mm). + Kiểm tra hệ số lấp đầy: Kld = ) 4 ( 2W2S1W.1S d 2 +π + = d 2W1W. dd 2 2 2 1 21 + = 0,03 Như vậy, cửa sổ đủ diện tích cần thiết f) Tính tầng khuếch đại cuối cùng Chọn Tranzitor công suất loại Tr3 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số: Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn là Si . Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito : UCBO = 40(v) Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto : UEBO = 4(v) Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng : Icmax = 500 (mA). Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 67 Công suất tiêu tán ở Colecto : Pc = 1,7 (w) Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : T1 = 1750 C Hệ số khuếch đại : β = 50 Dòng làm việc của Colecto : Ic3 = I1 = 33,3 (mA). Dòng làm việc của Bazơ : IB3 = Ic3 / β = 33,3/50 = 0,66(A) Ta thấy rằng với loại Tiristo đã chọn có công suất điều khiển khá bé Udk = 3,0 (v), Idk = 0,1 (A), nên dòng Colecto – Bazơ của Tranzito Ir3 khá bé, trong trường hợp này, ta có thể không cần Tranzito I2 mà vẫn có đủ công suất điều khiển Tranzito. Chọn nguồn cấp cho biến áp xung: E = +12 ( V) ta phải mắc thêm điện trở R10 nối tiếp với cực Emitor của Ir3, R1. R10 = ( E - U1 ) / I1 = 90 (Ω) Tất cả các điôt trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có tham số: + Dòng điện định mức : Idm = 10 (A) + Điện áp ngược lớn nhất : UN = 25 (v), + Điện áp để cho điôt mở thông : Um = 1 (v) g) Tính chọn bộ tạo xung chùm Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn 6 IC loại TL 084 do hãng TexasInstruments chế tạo, mỗi IC này có 4 khuếch đại thuật toán. Thông số của TL084 : Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ± 18 (V) chọn Vcc = ± 12 (V) Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : ± 30 (V) Nhiệt độ làm việc : T = -25 ÷ 850 C Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 68 Công suất tiêu thụ : P = 680 (mW) = 0,68 (W) Tổng trở đầu vào : Rin = 106 ( MΩ) Dòng điện đầu ra : Ira = 30 ( pA). Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : du/dt = 13 (V/μs) Mạch tạo chùm xung có tần số f = 1/2fx = 3 ( kHz) hay chu kỳ của xung chùm T = 1/f = 334 (μs) ta có : T = 2 . R8 . C2 . ln(1 + 2 . R6 / R7) Chọn R6 = R7 = 33(μs) . thì T = 2,2 R8. C2 = 334 (μs) vậy : R8. C2 = 151,8 (μs) Chọn tụ C2 = 0,1μs có điện áp U = 16 (V) ; R8 = 1,518 (Ω). Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch thì ta chọn R8 là biến trở 2 KΩ h) Tính chọn tầng so sánh Khuếch đại thuật toán đã chọn loại TL 084 Chọn : R4 = R5 > Uv/ I v = 12/ 1.10-3 = 12 (KΩ) Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc = ± 12 (V) Thì điện áp vào A3 là Uv ≈ 12 (v). Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1 (m A). Do đó ta chọn R4 = R5 = 15 (KΩ) khi đó dòng vào A3 : Ivmax = 12/ (15. 103) = 0,8 ( m A) Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 69 i) Tạo nguồn nuôi: Hình 3-16. Sơ đồ nguyên lí tạo nguồn nuôi V12± Ta cần tạo ra nguồn điện áp ± 12 (V) để cấp cho biến áp xung, nuôi IC , các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Nếu dùng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha dùng Điốt, điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi: U2 = 12 / 2,34 = 5,1(v) ta chọn U2 = 9(v) Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812 và 7912, các thông số chung của vi mạch này: Điện áp đầu vào : UV = 7 ÷ 35 (V). Điện áp đầu ra : Ura = 12 (V) với IC 7812. Ura = -12 (V) với IC 7912 Dòng điện đầu ra : Ira = 0 ÷ 1 (A). Tụ điện C4, C5 dùng để lọc thành phần sóng dài bậc cao. Chọn : C4 = C5 = C6 = C7 = 470 (μF) ; U = 35 V j) Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha 1- Ta thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi, chọn kiểu máy biến áp 3 pha 3 trụ, trên mỗi trụ có 3 cuộn dây, một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp. C2C1 7812 +12 -12 Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 70 2- Điện áp lấy ra ở thứ cấp máy biến áp làm điện áp đồng pha lấy ra thứ cấp làm nguồn nuôi: U2 = U2dph = UN = 9 (V). 3- Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha: I2dph = 1( m A) 4- Công suất nguồn nuôi cấp cho biến áp xung: Pdph = 6 . U2dph . I2dph = 6 . 9 . 1 . 10-3 = 0,054 (w) . 5- Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL 084 sử dụng làm khuếch thuật toán ta chọn hai IC TL 084. P81c = 8 . PIC = 8 . 0,68 = 5,12 (w) 6- Công suất BAX cấp cho cực điều khiển Tiristo. Px = 6 . Udk . Idk = 6 . 3 . 0,1 = 1,8 = 6,976 (W) 7- Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi. PN = Pdph + P81c + Px PN = 0,056 + 5,12 + 1,8 = 6,976 ( W) . 8- Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy: S= 1,05 . (Pdph + PN ) = 1,05 . ( 0,054 + 6,976) = 7,38 ( VA). 9- Dòng điện thứ cấp máy biến áp: I2 = S : 6 . U2 = ( 7,38 : 6 ) . 9 = 0,137 (A) 10- Dòng điện sơ cấp máy biến áp : I1 = S/ 3.U2 = 7,38/3. 220 = 0,0112(A) 11- Tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo công thức kinh nghiệm : Qt = kQ . fm S . = 1,33( cm2) Trong đó: kQ = 6 - hệ số phụ thuộc phương thức làm mát. Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 71 m = 3 - số trụ của biến áp . f = 50 - tần số điện áp lưới. Chuẩn hoá tiết diện trụ theo bảng [7] Qt = 1,63 (cm2). kích thước mạch từ lá thép dày σ = 0,5 (mm) Số lượng lá thép : 68 lá a=12mm b=16mm h=30mm hệ số ép chặt kc= 0,85 . 12- Chọn mật độ từ cảm B =1T ở trong tụ ta có số vòng dây sơ cấp : w1 = Qt.B.f.44,4 1U = 6080 ( vòng) 13- Chọn mật độ dòng điện : J1 = J2 = 2,75 (A/mm2) Tiết diện dây quấn sơ cấp: S1 = 11 J.U.3 S = 0,0043 (mm2) đường kính dây quấn sơ cấp : d1 = π 1.4 S = 0,074 (mm) Chọn d1= 0,1 mm để đảm bảo độ bền cơ. Đường kính có kể cách điện: dlcd = 0,12 (mm). 14- Số vòng dây quấn thứ cấp : W2 = W1. U2/ U1 = 249 ( vòng) 15- Tiết diện dây quấn thứ cấp : Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 72 S2 = S / (6. U2. J2) = 0,053 (mm2) 16- Đường kính dây quấn thứ cấp : d2 = π 2S.4 = 0,260 (mm) Chuẩn hoá đường kính : d2 = 0,26 (mm) đường kính có kể đến cách điện : d2cd = 0,31 (mm) 17- Chọn hệ số lấp đầy : kld = 0,7 . với kld = h. )1w.1w..( k dd ld 2 cd2 2 lcd4 +π = 8,3 (mm) chọn: c = 12mm. 18- Chiều dài mạch từ : L = 2 . c + 3 . a =2 . 12 + 3 . 12 = 60 (mm). 19- Chiều cao mạch từ: H = h + 2 . a = 30 + 2 .12 = 54(mm). 20- Tính chọn điôt cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi : + Dòng điện hiệu dụng qua điôt : ID.HD = 2 I2 = 0,099 (A) + Điện áp ngược lớn nhất mà điôt phải chịu : UNmax = 6 . U2 = 22 (v) + Chọn điôt có dòng định mức: Idm ≥ Ki . IDMD = 10 . 0,1 = 1,1 (A) Chọn điôt có điện áp ngược lớn nhất : Un = ku . UNmax = 2 . 22 = 44 (V) Chọn điôt loại KII208A có các thông số: Đồ án tốt nghiệp Chương III -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 73 + Dòng điện định mức : Idm = 1,5 (A) + Điện áp ngược cực đại của điôt : UN = 100 (V). Đồ án tốt nghiệp Chương IV -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 74 CHƯƠNG IV TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN MỘT CHIỀU 4.1. Đặt vấn đề Việc tổng hợp hệ thống gồm có hai nhiệm vụ xác định cấu trúc và xác định tham số của bộ biến đổi. Trong các hệ truyền động điện hiện đại, các mạch vòng điều chỉnh được nối theo cấp, độc lập tương đối với nhau, việc phân vùng tác dụng giữa ổn định tốc độ và hạn chế dòng điện được thực hiện bằng dạng phi tuyến của dạng điều chỉnh. Sơ đồ đơn giản nhất gồm hai vòng điều chỉnh: vòng điều chỉnh dòng điện ở trong có bộ điều chỉnh dòng điện RI, vòng điều chỉnh tốc độ có bộ điều chỉnh tốc độ Rω, bộ điều chỉnh này có đặc tính khuếch đại, có vùng bão hoà hình (4 - 1, b). Điện áp đầu ra của Rω là điện áp đặt dòng điện phần ứng Uiđ, giá trị bão hoà uiđmax chính là giá trị đạt cực đại của dòng điện phần ứng. Bộ điều chỉnh dòng điện RI trong mạch vòng có nhiệm vụ duy trì dòng điện phần ứng luôn bằng giá trị đặt (Uiđ), bất kể hệ thống đang làm việc ổn định hay đang trong quá trình quá độ. Như vậy, mạch vòng điện được điều khiển bởi tín hiệu Uiđ. Vì dòng điện là đại lượng biến thiên nhanh nên sai lệch δi luôn nhỏ, bộ điều chỉnh RI luôn làm việc ở vùng tuyến tính của đặc tính điều chỉnh. Khi bắt đầu quá trình thay đổi tốc độ, giả sử xét khi khởi động động cơ. Do có sự thay đổi đột ngột của Uωđ trong khi Uω chưa thay đổi kịp do quán tính cơ học của hệ, nên sai lệch đầu vào δω = Uωđ - Uω có giá trị lớn. Điểm làm việc của Rω sẽ ở rất sâu trong vùng bão hoà của đặc tính điều chỉnh, tín hiệu ra của Rω sẽ là Uiđ = Uiđmax = const, mạch vòng tốc độ bị “ngắt” ra khỏi sơ đồ. Do hoạt động của mạch vòng dòng điện mà dòng điện phần ứng được duy trì ở giá trị I = Iđmax tương ứng tín hiệu vào của mạch vòng là Uiđmax, điểm bắt đầu khởi động là điểm A trên hình 4 - 1,c. động cơ bắt đầu được tăng tốc độ với gia tốc Đồ án tốt nghiệp Chương IV -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 75 =ω dt d (K. Φđm. Iđmax - Mc)/ J Mặc dù sau đó tốc độ động cơ tăng dần lên nhưng dòng điện phần ứng vẫn được duy trì ở giá trị I = Iđmax chừng nào mà bộ điều chỉnh tốc độ Rω chưa ra khỏi vùng bão hoà, tức là chưa được “nối” lại vào sơ đồ. Đoạn đặc tính cơ khi khởi động là đoạn BC, có độ cứng bằng không và dòng điện không đổi. Tại điểm làm việc B tốc độ động cơ ω = ωB sao cho δω = δωB, điểm làm việc Kω KI BĐ Đ FT I -Ui -Uω δω Ui δi Uđk RI Uiđ Uiđmax1 Uiđmax2 δω δωB 0 ω B C 0 β = 0 I,M Iđmax1 Iđmax2 βm A a) b) c) Hình 4-1. Điều chỉnh dòng điện trong các hệ nhiều vòng: a) Sơ đồ khối; b) Đặc tính điều chỉnh của bộ điều chỉnh tốc độ; c) Đặc tính cơ Rω CK Uđω Đồ án tốt nghiệp Chương IV -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 76 của Rω bắt đầu ra khỏi vùng bão hoà và lọt vào vùng tuyến tính của đặc tính, mạch vòng tốc độ bắt đầu phát huy tác dụng điều chỉnh cùng với mạch vòng dòng điện tạo đoạn đặc tính BC có độ cứng βm thoả mãn đạt độ chính xác cao. Quá trình quá độ khi hãm, điều chỉnh tốc độ và khi quá tải lớn cũng xảy ra tương tự như trên và được mô tả giống hệt như đồ thị trên hình (4 - 5). Về cấu trúc hệ thống, ta chấp nhận cấu trúc hệ điều khiển phân cấp với các bộ điều khiển RI, Rω theo luật PI số. Về giá trị các tham số của các bộ điều khiển RI, Rω có thể xác định nhờ các phương pháp nghiên cứu thông thường: phương pháp môđun tối ưu, hoặc phương pháp môđun đối xứng. Ta đã biết: bộ điều khiển PI có hai tham số cần xác định. Các tham số này sau khi tổng hợp cần đảm bảo: 1) Hệ ổn định. 2) Sai số tĩnh bằng không. 3) Thời gian quá độ đạt yêu cầu đề ra. 4) Độ quá điều chỉnh nằm trong giới hạn cho phép. 5) Số lần dao động nhỏ hơn giá trị cho phép. Các tham số của bộ điều khiển PI ngoài phụ thuộc vào các tham số của hệ thống, còn phụ thuộc thời gian lượng tử T. Để nghiên cứu tổng quát, ta dùng máy tính để tìm một loạt nghiệm theo nhiều giá trị của T: RI = f(T, Kp,Kw) Rw = f(T, Kp, KI) Và sau đó ta chọn các giá trị tốt nhất. Đồ án tốt nghiệp Chương IV -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 77 4.2. Lập mô tả toán học của các khâu và phần tử có trong sơ đồ 4.2.1. Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Khi đặt dây quấn kích từ một điện áp uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện ik và dòng điện đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ. Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen điện từ, giá trị của mômen điện từ được tính như sau: I.. a.2 N'.p M Φ=Φ= kI π Trong đó p’ - số đôi cực của động cơ; N - số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ; a - số thanh song song của dây quấn phần ứng; k = pN/2πa - hệ số kết cấu của máy. Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức điện động (s.đ.đ): ..k. a.2 N'.p E ωω π Φ=Φ= trong đó ω - tốc độ góc của rôto. Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện áp phần ứng: Φ −= k IRU −ω trong đó Rư - điện trở mạch phần ứng của động cơ. Đồ án tốt nghiệp Chương IV -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 78 Với các phương trình (4 - 1) và (4 - 3) ta vẽ được họ đặc tính cơ M(ω) của động cơ một chiều khi từ thông không đổi (hình 4 - 2) 4.2.2. Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Khi dòng điện kích từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số KΦ = const. Với động cơ điện một chiều, những phương trình cơ bản đã tuyến tính hoá viết dưới dạng ảnh laplace (với điều kiện đầu bài bằng 0) có dạng sau: Uư(p) = Rư.Iư(p) + Lư.p.Iư(p) + KΦ.ω(p) M(p) +Mc(p) = J.p.ω(p) => Iư(p)= ( ) ( ) p.LR p..KpU −− − + Φ− ω Với Tư =Lư/ Rư 1/Rư 1+p.Tư KΦ KΦ 1 Jp - Mc -Eư(p) Uư(p) Iư(p) M ω(p) Hình 4-3. Sơ đồ cấu trúc từ thông không đổi Hình 4-2. Đặc tính cơ động cơ điện một chiều M ω Đồ án tốt nghiệp Chương IV -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 79 Sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi được thể hiện trên (hình 4 - 3). Bằng phương pháp đại số sơ đồ cấu trúc ta có sơ đồ thu gọn (hình 4 - 7), trong đó đặt: Kđ = 1/ KΦ - hệ số khuếch đại động cơ; Tc = hằng số thời gian cơ học. ( ) ( ) ( ) 1pTpTT K pM R T.ppU pI c 2 c− c − c− − ++ Φ+= Kđ TưTcp2 + Tcp + 1 ( ) ( )pT1K R c2 − +Φ TưTcp2 + Tcp + Uư(p) ω(p) a) p. R T − c TưTcp2 + Tcp + 1 Kđ TưTcp2 + Tcp + 1 Uư(p) Iư(p) b) Iđg Hình 4- 4. Các sơ đồ cấu trúc thu gọn: a) Theo tốc độ; b) Theo dòng điện Đồ án tốt nghiệp Chương IV -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 80 4.3. Tổng hợp mạch vòng dòng điện 4.3.1. Khái niệm mạch vòng điều chỉnh dòng điện Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như các hệ chấp hành thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản. Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều là trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mô men kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc… 4.3.2. Tổng hợp mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động và mômen cản Mc động cơ Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh dòng điện như (hình 4 - 5), trong đó Ri là bộ điều chỉnh dòng điện, BĐ là bộ biến đổi một chiều, Si là xenxơ dòng điện. Xenxơ dòng điện có thể thực hiện bằng các biến dòng ở mạch xoay chiều hoặc bằng điện trở sun hoặc các mạch dòng điện cách ly trong một chiều. Hàm truyền của mạch vòng dòng điện: FI(p) = pT1 K )p(I )p(U fi i − I += 1/Rư 1+pTư - E Uiđ Ri Hình 4-5. Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện -Ui Ki 1+p.Tfi )T.p1)(T.p1( K k§vo CL ++ Si α.Ud Ud ∂ ∂ Iư BĐ Đồ án tốt nghiệp Chương IV -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 81 Hàm truyền của bộ biến đổi Thyristor: FBBT(p) = pT1 K )p(U )p(U §B §B k§ αd += trong đó TBĐ - hằng số thời gian của bộ biến đổi Thyristor Tư - hằng số thời gian của phần ứng Ti - hằng số thời gian của xenxơ dòng điện Rư - điện trở mạch phần ứng Trong trường hợp hệ thống truyền động điện có hằng số thời gian cơ học rất lớn hơn hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng thì ta có thể coi sức điện động của động cơ không ảnh hưởng quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện (tức là coi ΔE = 0 hoặc E = 0). Hàm truyền của mạch dòng điện (hàm truyền của đối tượng điều chỉnh) là như sau: Fk(p) = ( )( )( )( )1T1pTT.p1T.p1 R/K.K fi−k§vo −iCL ++++ Trong đó các hằng số thời gian TĐk, Tvo, Tfi là rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ Tư. Đặt Ts = TĐk + Tvo + Tfi thì có thể viết lại: Fk(p) = )pT1)(pT1( R/K.K −s −iLC ++ Đặt Tsi << Tư : áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môđun ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện có dạng khâu PI. Ri(p) = i n T 1pT + Tn = Tư ; Ti = 2KTsi Đồ án tốt nghiệp Chương IV -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 82 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +=+==> pT 1 1 T.K.K2 R.T p.T2. R K.K 1T Ri(p) −siiCL −− si − iCL − Đặt KRi = siiCL −− T.K.K.2 R.T Từ các thông số động cơ: Pđm = 2,2(kw); Uđm = 240(v); Iđm = 10(A); nđm = 1500 (v/p); Tacó: + Tốc độ góc: ωđm = 157 55,9 1500 55,9 n 60 n..2 dm ===π (rad/s) K. Φđm = (Uưđm – Rư .Iưđm)/ ωđm = (240 – 1,2 . 10) : 157 = 1,45 (Wb) + Điện trở mạch phần ứng được tính gần đúng như sau: với hiệu suất 90% Rư = 0,5 (1 - η).Uđm/ Iđm = 0,5(1 - 0,9) 240/10 = 1,2 (Ω) + Lư điện cảm phần ứng động cơ được tính theo công thức Umanxki- Linđvil: Hằng số γ chọn bằng 0,25 + Hằng số thời gian của phần ứng: Tư = Lư/ Rư = 38/1,2 = 31,67 (ms) ≈ 0,0316 (s) Mômen quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ: M(p) – Mc(p) = Jpω(p) => J = (M(p) – Mc(p)/ pω(p) trong trường hợp Mc = 0 => J p = M(p)/ ω =KΦđm/ ω = 1,45 : 157 = 0,0092 Lư = γ. Uđm.60 2.π.p.nđm.Iđm = 0,25. 240.60 2.π.2.1500.10 = 0,038(H) = 38 (mH) Đồ án tốt nghiệp Chương IV -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 83 + Hằng số thời gian của bộ biến đổi: Tvo = 005,050.2.2 1 mf2 1 == (s) + Hằng số thời gian của mạch điều khiển chỉnh lưu chọn bằng: Tđk = 0,001(s) + Hệ số biến đổi của mạch chỉnh là: KCL = dk d dk d U cos).p(U U U α=∂ ∂ α KCL = 20 12 240 = + Hệ số hàm truyền phản hồi dòng điện Ki: Kfi = 2,1 10 12 )p(I )p(U dm− I == Hằng số thời gian của khâu phản hồi dòng điện chọn bằng: Tfi = 0,001 (s) V1 V2 V4 V3 M Hình 4-6. Sơ đồ mạch lực với cảm biến dòng D1 D2 D4 D3 Rd CK ~ Đồ án tốt nghiệp Chương IV -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 84 Do đó hàm truyền của khâu phản hồi dòng điện. => Ffi(p) = p.001,01 2,1 + Sơ đồ điều khiển thuộc bộ điều chỉnh dòng điện. Chọn R1 = R2 ta có. ω.CR 1 R U R U R U 3 3 k§ 2 i 1 id + −=− Vậy hàm truyền của bộ điều chỉnh được tính như sau. ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +=+=− − ωω ω .R.C 1 1 R R .C.R CR1 UU U 31 3 1 3 iid k§ + - Uiđ Ui R1 R2 R3 C -Uđk Hình 4-8. Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng điện - E Uiđ Hình 4-7. Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện -Ui 1,2 1+0,001p Si 20 Iư ( )( )001,01p005,01 1 ++ p0316,01 83,0 + p0316,0 p0316,01+ Đồ án tốt nghiệp Chương IV -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 85 áp dụng tiêu chuẩn môđun tối ưu ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện có dạng khâu PI paT. R K.K p.T1 )p(R s − fiCL − i += Trong đó Ts = Tđk + Tvo + Ti = 0,001 + 0,001 + 0,005 = 0,007; lấy hằng số a bằng 2. CRT2.R K.K 1s − iCL = Tư = R3.C Chọn C = 2.10-6 => R3 = Tư/ C = 0,0316 : 2.10-6 = 0,0158.106 = 15800 (Ω) Mặt khác : Ω=Ω≈=== − M14,0)(10.14,0007,0.2.10.2.2,1 2,1.20 T2. C.R K.K R2 R1 6 6s − iCL 4.4. Tổng hợp hệ mạch vòng tốc độ Hệ thống điều chỉnh tốc độ là hệ thống mà đại lượng được điều chỉnh là tốc độ góc của động cơ điện, các hệ này rất thường gặp trong thực tế kỹ thuật. Hệ thống điều chỉnh tốc độ được hình thành từ hệ thống điêu chỉnh dòng điện. Các hệ thống này có thể là đảo chiều hoặc vô sai cấp hai. Nhiễu chính của hệ là mômen tải Mc. Đồ án tốt nghiệp Chương IV -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 86 Tuỳ theo yêu cầu của công nghệ mà các bộ điều chỉnh tốc độ Rω có thể được tổng hợp theo hai tín hiệu điều khiển hoặc theo nhiễu tải Mc. Trong trường hợp chung hệ thống phải có đặc tính điều chỉnh tốt cả từ phía tín hiệu điều khiển lẫn từ phía tín hiệu nhiễu loạn. Kết cấu cơ bản của một hệ truyền động đảo chiều như trên hình (4 - 9). Để đảo chiều quay, trong hệ thống sử dụng hai bộ biến đổi BĐ1 và BĐ2 nối song song ngược. Các máy phát xung FX1 và FX2 phát xung điều khiển hai bộ biến đổi này. Các bộ điều chỉnh dòng điện Ri1 và xenxơ dòng Si1, Ri2 và xenxơ dòng điện Si2 tạo thành mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Phần tử phi tuyến HCD là phần tử hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ. Xenxơ tốc độ Sω đóng vai trò khâu phản hồi tốc độ. Sơ đồ khối chức năng được trình bày trên hình ( 4 - 10 ). Kω KI BĐ Đ I -Ui -Uω δω Ui δi Uđk RI a) Rω Sω FT Hình 4-9. Sơ đồ khối mạch điều chỉnh tốc độ ω CK Uđω Đồ án tốt nghiệp Chương IV -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 87 + Hệ thống điều chỉnh tốc độ: Tương tự như tổng hợp mạch vòng dòng điện bỏ qua sđđ của động cơ. )pT1(pT21 1 . K 1 )p(U )p(I ssi§i ++ = Trong tính toán tiếp theo, ta có thể thay công thức trên bởi biểu thức gần đúng tính hàm truyền của mạch vòng dòng điện. pT21 1 . K 1 )p(U )p(I si§i + = Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ như trên hình (4 - 10 ), trong đó Sω là xen xơ tốc độ có hàm truyền là khâu quán tính với hệ số truyền Kω và hằng số thời gian (lọc ) Tω có giá trị nhỏ, khi đó đặt 2T’s = 2Ts + Tω, đối tượng điều chỉnh có hàm truyền: )1p'T2(p 1 . K.R )p(S s − ωo +Φ= ci ω .T.KK Theo tiêu chuẩn môđun tối ưu, có thể xác định được hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ là khâu tỉ lệ Kp a'T2 1 . K.R )p(R 2s− =Φ= ω ci ω .T.KK Đ Uωđ Rω Hình 4-10. Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ -Uω Sω Ri ω HCD MC -Ui Uk I FX BĐ Si Uđ Uiđ Đồ án tốt nghiệp Chương IV -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 88 Thường lấy a2 = 2. Từ những bước tính trên ta có: Ki = KΦ = 1,45 ; Tc = 0,35 Kω = Uω/ ω ; Chọn khi : ω = ωđm Uω = 10 (V) Từ đó => Kω = 157 10 =0,064 Tω = 0,001 Thay số ta có cấu trúc mạch vòng tốc độ như sau : Rư KΦ .Tcp Uωđ Rω Hình 4-11. Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ -Uω Kω 1 + p.Tω Sω pT21 K1 s i + ω Φ.K 1 HCD M -Ic E I Đồ án tốt nghiệp Chương IV -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Phạm Quốc Hưng – CĐTĐH-K48 89 1,2 0,5075p Uωđ 88 Hình 4-12. Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ -Uω 0,064 1 + 0,001p Sω p14,01 83,0 + ω 69,0 HCD M -Ic E I Đồ án tốt nghiệp Kết luận ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 90 Kết luận Em xin chân thành cảm ơn TS. Phạm Văn Diễn chủ tịch công đoàn trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn về chuyên môn, truyền đạt về kinh nghiệm và động viên về tinh thần cho em. Em cũng xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn đến thầy Trần Văn Huy ở phòng thí nghiệm Truyền Động Điện của bộ môn Tự Động Hoá XNCN đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo em trong đợt thực tập tốt nghiệp và trong đề tài này. Cuối cùng, em cũng xin trân trọng lòng biết ơn đối với các thầy, cô trong bộ môn Tự Động Hoá XNCN đã dạy dỗ, trang bị cho em những kiến thức quí báu và giúp đỡ em hoàn thành khoá học. Mặc dù, có rất nhiều cố gắng nhưng do thời gian và kiến thức còn hạn chế, nên trong đồ án này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vậy, em rất mong nhận được những ý kiến quý báu của thầy, cô cùng sự góp ý chân thành của các bạn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày...........tháng ..........năm 2006 Sinh Viên Phạm Quốc Hưng Đồ án tốt nghiệp Tài liệu tham khảo ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 91