Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ cho ĐC MC sử dụng Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn. Thông số của động cơ: P = 0,45 kW; Udm= 220V ; Idm = 5A,Ikt=0,1A,ndm=1300vph.Dải điều chỉnh tốc độ D = 5 :1 Chương 1 : Kiến thức tổng quát Giới thiệu về van bán dẫn Thyristor Van Thyristo: đặc điểm cấu tạo, ký hiệu, đặc tính vôn –ampe, điều kiện mở van, khóa van, các thông số cơ bản của van Giới thiệu chung về bộ chỉnh lưu Khái niệm, phân loại, đặc điểm nguyên lý hoạt động của các bộ chỉnh lưu. Phân tích sơ đồ chỉnh lưu được lựa chọn. Chương 2 : Nghiên cứu tính toán thiết kế mạch lực Thiết kế mạch lực. Vẽ sơ đồ mạch lực đầy đủ bao gồm các phần tử bảo vệ. Phân tích chức năng của từng phần tử trong mạch. Tính toán lựa chọn các phần tử trong mạch lực. Chương 3 : Tính toán thiết kế mạch điều khiển Cấu trúc tổng quát của mạch điều khiển Phân tích nguyên lý hoạt động của từng khâu Tính toán sơ đồ mạch điều khiển Từ thông số của van đã lựa chọn, và dựa trên đặc tính điều khiển lựa chọn từng khâu trong mạch điều khiển (R, C, OA,…) đưa ra bảng thông số : Khâu đồng pha Khâu tạo điện áp răng cưa Khâu so sánh Khâu tạo xung Khâu khuếch đại Khâu tạo điện áp điều khiển Chương 4: Mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển Trình bày về phần mềm được sử dụng để mô phỏng (PSIM, Tina, Multisim, Pspice, Matlab...) Mô phỏng mạch điều khiển + mạch lực Chỉ rõ các thông số cài đặt, thời gian mô phỏng, bước tính toán… Đưa ra các đồ thị kết quả và phân tích kết quả. 5: Tài liệu tham khảo
Kiến thức tổng quát
Giới thiệu chung về động cơ kích từ độc lập
1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều kích từ độc lập Động cơ điện một chiều gồm hai phần chính là phần tĩnh và phần động.
-Phần tĩnh hay stato hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường gồm có:
+ Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ, Cực từ chính, Cực từ, Gông từ, Nắp máy, Cơ cấu chổi than.
-Phần quay hay rôto gồm có các bộ phận sau: Mạch từ, Cuộn dây phần ứng, trổi than, Lõi sắt phần ứng, Dây quấn phần ứng, Cổ góp
Hình 1.Cấu tạo động cơ một chiều
1- Thép, 2- Cực chính với cuộn kích từ, 3- Cực phụ với cuộn dây, 4- Hộp ổ bi, 5- Lõi thép, 6- Cuộn phần ứng, 7- Thiết bị chổi, 8 Cỗ góp, 9- Trục, 10- Nắp hộp đấu dây
Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Khi nguồn một chiều không cung cấp đủ công suất, mạch điện phần ứng và mạch điện kích từ sẽ được kết nối với hai nguồn độc lập Trong trường hợp này, động cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Hình2.Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
1.2 Phương trình đặc tính cơ
Ta có phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau:
E ư :Sức điện động phần ứng(V)
R ư : Điện trở mạch phần ứng(Ω)
I ư :Dòng điện mạch phần ứng
+ r ct r ư : Điện trở cuộn dây phần ứng r cf : Điện trở cuộn dây cực từ phụ r ct : Điện trở tiếp xúc cuộn bù
Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:
P:Số đôi cực từ chính
N:Số thanh dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng a:Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng
Hệ số cấu tạo của động cơ
Biểu thức trên là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ
Mặt khác, mô men điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi:
K.Ф thay giá trị I vào (1.3) ta có: ω = 𝑈
Nếu không tính đến tổn thất cơ và tổn thất thép, mômen cơ trên trục động cơ sẽ bằng mômen điện từ, ký hiệu là M Điều này có nghĩa là Mđt = Mcơ = M Hệ số tần số góc được biểu diễn bằng ω = 𝑈.
(𝐾 ) Ф 2 Đây là phương tình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Giả thiết rằng phần ứng được bù đủ và từ thông Ф là hằng số, các phương trình đặc tính cơ điện và cơ sẽ trở thành tuyến tính Đồ thị của chúng, như thể hiện trong hình 1.2, là những đường thẳng.
Theo các đồ thị, khi Iư =0 hoặc M = 0 ta có : ω = 𝑈
𝜔0: được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Hình 3 Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều
𝐼 𝑛𝑚 và 𝑀 𝑛𝑚 được gọi là dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch Ngoài ra phương trình đặc tính (1.3)và(1.6) cũng có thể được viết dưới dạng ω = 𝑈 - 𝑅 I= ω0 - ∆ω
Độ sút tốc độ 𝛥 𝜔 tương ứng với giá trị của M Ba tham số chính ảnh hưởng đến đặc tính cơ của động cơ bao gồm từ thông động cơ (Ф), điện áp phần ứng (Uư) và điện trở phần ứng động cơ (Ru).
1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ
1.3.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng
Nguyên lý điều khiển trong phương pháp này là giữ U = Uđm và Ф = Фđm, đồng thời thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng Độ cứng của đường đặc tính cơ được xác định bằng công thức: \$$\beta = \Delta \phi = (K \cdot \phi)^2\$$
Ta thấy khi điện trở càng lớn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và mềm hơn.
Khi thay đổi điện trở phụ Rf, độ cứng tự nhiên β TN đạt giá trị lớn nhất khi Rf = 0, dẫn đến đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng cao hơn tất cả các đường đặc tính cơ với điện trở phụ Do đó, việc điều chỉnh Rf sẽ tạo ra một họ đặc tính cơ thấp hơn so với đặc tính cơ tự nhiên.
Khi điện trở mạch phần ứng tăng, độ dốc của đặc tính cũng tăng theo, dẫn đến đặc tính cơ trở nên mềm hơn Điều này làm giảm độ ổn định của tốc độ và gia tăng sai số tốc độ.
Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm).
Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ Thực tế, phương pháp này thường được sử dụng cho động cơ điện trong cần trục.
Phương pháp đánh giá các chỉ tiêu không cho phép điều khiển liên tục mà chỉ có thể điều khiển nhảy cấp Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải; khi tải nhỏ, dải điều chỉnh D = ωmax / ωmin sẽ càng nhỏ Phương pháp này cho phép điều chỉnh trong dải D = 3 : 1.
Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản.
1.3.2 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển … Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Vì nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không Để đưa tốc động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặc hơn nữa.
Hình 5 Sơ đồ dung bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng
1.3.3 Phương pháp thay đổi từ thông
Để thay đổi từ thông động cơ, cần điều chỉnh dòng điện kích từ bằng cách nối biến trở vào mạch kích từ hoặc thay đổi điện áp cấp cho mạch này Khi động cơ hoạt động ở chế độ định mức với kích thích tối đa (\( \phi = \phi_{\text{max}} \)), phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở trong mạch kích từ.
Điều chỉnh theo hướng giảm ϕ có nghĩa là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức Khi giảm từ thông, tốc độ không tải lý tưởng sẽ được duy trì.
Giới thiệu chung về bộ chỉnh lưu
Thyristor được cấu tạo từ 3 lớp NPN và kết nối với mạch ngoài qua 3 cổng: cực dương A, cực âm C và cổng điều khiển G Mặc dù lý thuyết có thể tồn tại cấu trúc thyristor PNPN và NPNP, nhưng trong thực tế, loại PNPN là loại được phát triển và sử dụng phổ biến.
Ký hiệu của SCR là một diode bán dẫn có thêm cực điều khiển G.
Hình.6 Cấu tạo và kí hiệu của Thyristor
Ta thấy SCR có thể coi như tương tương với hai transistor PNP và NPN liên kết với nhau qua ngõ nền và thu.
Hình7 Nguyên lý hoạt động của Thyristor
Khi một xung dòng IG được đưa vào mạch G, transistor NPN sẽ đóng lại, dẫn đến dòng điện tiếp tục qua mạch E – B của transistor PNP và làm cho nó cũng đóng Điều này xảy ra ngay cả khi dòng IG bị ngắt, khiến cho các transistor vẫn duy trì trạng thái đóng.
Dòng điện qua cực C của một transistor cũng là dòng điện đi qua cực B của transistor thứ hai, và ngược lại Do đó, các transistor này cùng nhau giữ trạng thái đóng.
-Trạng thái ban đầu của Thyristor:
Khi thyristor không dẫn điện, cực A có thể chịu điện áp dương so với cực K trong trạng thái khóa, hoặc điện áp âm so với cực K trong trạng thái nghịch.
Hiện tượng Thyristor: Quá trình chuyển từ trạng thái ngắt sang trạng thái dẫn thỏa mãn 2 điều kiện:
+ Khi thyristor ở trạng thái khóa (UAK > 0)
+ Khi có xung dòng điện kích iG đủ lớn.
Hiện tượng ngắt thyristor là quá trình chuyển từ trạng thái dẫn điện sang không dẫn điện, bao gồm hai giai đoạn Giai đoạn đầu tiên là triệt tiêu dòng thuận bằng cách thay đổi điện trở hoặc điện áp giữa cực A và K.
+ Giai đoạn khôi phục khả năng khóa của thyristor Sau khi dòng thuận bị triệt tiêu, cần có một thời gian ngắt để chuyển thyristor vào trạng thái khóa.
-Đặc tính Vôn-Ampe của thyristor:
Hình 8 Đặc tính Vôn-ampe của thyristor
– Nhánh thuận (1): thyristor ở trạng thái dẫn điện Độ sụt áp giữa A-K nhỏ không đáng kể.
+ Thông thường, ta đóng thyristor bằng xung dòng qua mạch G, K Điện trở thuận rT và điện áp thuận UTO được định nghĩa tương tự như trường hợp ở diode.
Khác với diode, thyristor bắt đầu dẫn từ giá trị dòng duy trì iH (holding current) thay vì từ góc zero Khi dòng giảm xuống dưới iH, thyristor sẽ trở về trạng thái khóa.
+ Ngay sau khi đóng thyristor, trước khi dòng cổng iG tắt, đòi hỏi dòng thuận phải đạt đến giá trị dòng chốt iL (Latching), trong đó iL > iH.
– Nhánh nghịch (3): ứng với trạng thái nghịch.
Tương tự như diode, thyristor chỉ cho phép dòng ngược bão hòa với giá trị rất nhỏ Khi điện áp phân cực ngược đạt đến điện áp đánh thủng (UBR), dòng qua thyristor sẽ tăng đột ngột, dẫn đến việc lớp tiếp giáp của thyristor bị đánh thủng.
Khi thyristor ở trạng thái nghịch việc kích vào cổng G sẽ làm tăng dòng nghịch một cách vô ích.
– Nhánh khóa (2): ứng với trạng thái khóa.
Khi dòng iG bằng 0, nhánh khóa sẽ có dạng tương tự như nhánh nghịch Thay vì điện áp đánh thủng uBR, ta có điện áp đóng uBO Khi điện áp đạt giá trị uBO, thyristor sẽ chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái dẫn điện.
Khi giá trị của dòng kích iG thay đổi, điện thế khóa cũng sẽ thay đổi tương ứng; cụ thể, điện thế khóa sẽ giảm khi iG tăng Hiện tượng thyristor dẫn điện xảy ra khi điện áp vượt quá giá trị uBO (khi iG = 0), thường do sự cố quá điện áp trên lưới điện gây ra.
2.2 Các thông số cơ bản của Thyristor
Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor, Iv Điện áp ngược cho phép lớn nhất, Ung.max
Thời gian phục hồi tính chất khóa của Thyristor, tr
(∆s) Tốc độ tăng điện áp cho phép
Tốc độ tăng dòng cho phép
2.3.Phân loại các bộ chỉnh lưu
Bộ chỉnh lưu chuyển đổi điện áp xoay chiều thành dòng điện một chiều để cung cấp cho tải Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu thường bao gồm các khâu cơ bản.
Hình 9 Sơ đồ cấu trúc bộ chỉnh lưu
Biến áp lực (BAL) có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp và số pha của lưới điện sang giá trị phù hợp với mạch chinh lưu - tải Khi điện áp và số pha nguồn đã tương thích với tải, có thể không cần sử dụng Bị lực trong sơ đồ đấu van kiểu cầu Tuy nhiên, trong trường hợp sử dụng sơ đồ đấu van hình tia, việc sử dụng BAL là bắt buộc.
Mạch vạn sử dụng các van bán dẫn được kết nối theo một sơ đồ nhất định để chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Đây là một phần quan trọng không thể thiếu trong MCL.
Mạch điều khiển MEK là cần thiết khi sử dụng van bán dẫn như thyristor, giúp điều chỉnh dòng điện vào thời điểm cần thiết để kiểm soát năng lượng cung cấp cho tải Ngược lại, khi sử dụng van điốt, mạch điều khiển này không cần thiết Các chỉnh lưu được phân loại thành ba loại khác nhau tùy thuộc vào loại van sử dụng.
• Nếu các van đều là thyristor thì gọi là chỉnh lưu điều khiển.
• Nếu van được dùng là điốt, gọi là chỉnh lưu không điều khiển,
Mạch van sử dụng cả điặt và thyristor được gọi là chỉnh lưu bán điều khiển Khâu LSB, hay mạch lọc san bằng, có nhiệm vụ đảm bảo điện áp hoặc dòng điện ra ổn định theo yêu cầu Nếu điện áp sau mạch van đã đạt tiêu chuẩn, khâu LSB có thể được loại bỏ.
HT là khối hỗ trợ bao gồm các mạch theo dõi và đảm bảo hoạt động bình thường của BCL, như mạch tín hiệu, mạch đo lường điện áp và dòng điện, mạch bảo vệ, và nguồn một chiều ổn định cho mạch điều khiển Nhiệm vụ của người thiết kế là dựa trên yêu cầu kỹ thuật cụ thể của BCL để xây dựng sơ đồ cấu trúc các khâu chức năng cần thiết Từ đó, tiến hành tính toán tỉ mỉ từng khâu nhằm tạo ra một BCL hoàn chỉnh Chương này sẽ trình bày chi tiết trình tự thiết kế BCL, bắt đầu từ việc người thiết kế cần hiểu biết những vấn đề cơ bản trong thiết kế BCL.
Sơ đồ các mạch chỉnh lưu chính:
Nguyên cứu tính toán thiết kế mạch lực
Thiết kế mạch động lực
Hình 13 Mạch lực chỉnh lưu cầu 1 pha tải động cơ
Chức năng của các phần tử trong sơ đồ:
-Biến áp cấp nguồn cho mạch.
-Van thyristor là van động lực.
-R và C mạch bảo vệ van quá điện áp
Tính toán thông số động cơ
Bộ điều chỉnh tốc độ cho động cơ một chiều (ĐC MC) được thiết kế sử dụng chỉnh lưu cầu một pha với khả năng điều khiển hoàn toàn Động cơ có thông số công suất P = 0,45 kW, điện áp định mức Udm = 220V, dòng điện định mức Idm = 5A, dòng điện tải Ikt = 0,1A, và tốc độ định mức ndm = 1300 vòng/phút Dải điều chỉnh tốc độ đạt tỷ lệ 5:1, cho phép linh hoạt trong việc điều chỉnh tốc độ hoạt động của động cơ.
9.55 𝑃đ𝑚 0.45.10 3 kΦđm = ωdm.Iđm 136.12.5 = 0.66 (wb) Eu = kΦđm ωdm =0.66 136.12
Suy ra ứng với dải tốc độ D=5:1
Ud = 0,9U2 cos𝛼 Ứng với Umax, Umin suy ra góc điều khiển : {𝛼𝑚𝑎𝑥 = 67°
3.Tính chọn các phần tử trong mạch lực
Khi chọn van, hai thông số quan trọng nhất cần xem xét là dòng điện qua van và điện áp ngược tối đa mà van có thể chịu đựng.
Trong tính toán ta phải tính sao cho Ud lớn nhất, cos𝛼 = 1.
𝐾𝑛𝑣 = √2 = 1,41 : Hệ số điện áp ngược.
(Sách thiết kế điện tử công suất-Phạm Quốc Hải –Bảng 1.1 –Tr 12)
𝐾𝑢 =2√2 π = 0,9 : Hệ số điện áp mạch lực.
𝑈𝑑 : Điện áp trung bình chỉnh lưu.
𝑈2: Điện áp nguồn xoay chiều.
Dòng điện làm việc của van:
𝐼ℎ𝑑𝑣 : Dòng hiệu dụng qua van
𝐾ℎ𝑑𝑣 : Hệ số hiệu dụng ứng với sơ đồ cầu 1 pha 𝐾ℎ𝑑𝑣
Dòng điện trung bình qua van ở chỉnh lưu cầu 1 pha:
2 Điện áp ngược của van cần chọn:
Với 𝐾𝑑𝑡𝑢 = 1,5 ÷ 1,8: Là hệ số dự trữ điện áp chọn 𝐾𝑑𝑡𝑢 = 1,6
(Tr 37 sách - thiết kế điện tử công suất-Phạm Quốc Hải)
Dòng điện hiệu dụng của van cần chọn:
𝐾𝑑𝑡𝑖 = 1,1 ÷ 1,4 : Là hệ số dự trữ dòng điện chọn 𝐾𝑑𝑡𝑖 = 1,3
(Tr 34 sách - thiết kế điện tử công suất-Phạm Quốc Hải)
Dựa vào 2 thông số 𝐼ℎ𝑑𝑣 và 𝑈𝑛𝑔𝑚𝑎𝑥 ta chọn van T15-250 ( machdientu.org)
Có số liệu sau : Điện áp ngược van: 𝑈𝑛𝑔𝑚𝑎𝑥 = 600(𝑉)
Dòng điện làm việc cực đại: 𝐼ℎ𝑑𝑚𝑎𝑥 6(𝐴)Dòng điện xung điều khiển: 𝐼𝐺𝑚𝑎𝑥 200(𝑚𝐴) Điện áp xung điều khiển: 𝑈𝐺𝑚𝑎𝑥
= 4 (𝑉) Độ sụt áp lớn nhất trên thyristor ở trạng thái dẫn: ∆𝑈𝑚𝑎𝑥 1,75(𝑉) Dòng điện rò: 𝐼𝑟𝑚𝑎𝑥 = 25 (𝑚𝐴)
Tốc độ biến thiên điện áp: 𝑑𝑈 = 1
Ta chọn thông số ở đồ thị 1.22 ở sách hướng dẫn thiết bị điện tử công suất
Dùng đồ thị hình 1.28 theo tốc độ giảm dòng và dòng điện trung bình có điện tích lũy trong van là: Q=1,3Aμs
Cần chọn điện trở bảo vệ trong phạm vi 44Ω< Rbv < 95,2Ω vậy chọn RPΩ
3.4 Tính toán máy biến áp chỉnh lưu Điện áp cuộn dây sơ cấp:
𝑈1 = 220 (𝑉) Điện áp cuộn dây thứ cấp:
(Ku : hệ số máy biến áp bảng 1.1 TR 45 –sách HDTK-DTCS) Điện áp chỉnh lưu trên tải:
𝑈𝑑0 Ud + 2 ∆UV + ∆Udn + ∆Ub𝑎 cosαmi𝑛
𝛼𝑚𝑖𝑛 = 0° : góc dữ trữ khi có sự suy giảm điện áp lưới
∆𝑈𝑑𝑛 = 0 (𝑉) sụt áp trên dây nối.
∆𝑈𝑏𝑎 = ∆𝑈𝑟 + ∆𝑈𝑥 sụt áp trên điện trở và điện kháng MBA Chọn sơ bộ vào khoảng (5 – 10)%.
Công suất tối đa của tải:
Công suất biểu kiến của MBA:
𝑆 = 𝐾𝑠 𝑃𝑑𝑀𝑎𝑥 = 1,23 1094,67 = 1346,44 (𝑉𝐴) 𝐾𝑠: Hệ số công suất theo sơ đồ cầu 1 pha 𝐾𝑠 = 1,23 [4](Bảng 1.2)
𝑃𝑑𝑀𝑎𝑥: Công suất phụ tải lúc cực đại
Tiết diện trụ QFe của lõi thép biến áp:
𝑚 f kQ: hệ số phụ thuộc phương thức làm mát (kQ = 6 biến áp khô) m: số pha của máy biến áp. f: tần số.
Dòng điện cuộn sơ cấp :
𝐼1 Dòng điện cuộn thứ cấp :
( Các công thức tính chọn máy biến áp sử dụng trong sách HDTK-DTCS
STT Tên Thiết bị Số lượng Thông số Module
3 Động cơ 1 chiều 1 Công suất:200/750W
5 Tụ điện 4 C=2nF Tụ CBB
Thiết kế các phần tử mạch điều khiển
Giới thiệu chung
1.1 Sơ đồ khối điều khiển thyristor:
Hình 14 Sơ đồ khối điều khiển thyristor.
Khâu đồng pha tạo ra điện áp tựa URC, thường là điện áp dạng rang cưa tuyến tính, trùng pha với điện áp của Thyristor Khâu so sánh thực hiện việc so sánh giữa điện áp tựa và điện áp điều khiển Udk, xác định thời điểm hai điện áp này bằng nhau để phát xung đầu ra gửi đến tầng khuếch đại Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo ra xung mở Thyristor với yêu cầu sườn trước dốc thẳng đứng để đảm bảo Thyristor mở tức thời khi nhận xung điều khiển, thường là xung kim hoặc xung chữ nhật Xung này cần có độ rộng lớn hơn thời gian mở của Thyristor, đủ công suất và cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực khi điện áp động lực quá lớn.
1.2.Yêu cầu của mạch điều khiển:
Mạch điều khiển là thành phần thiết yếu trong bộ biến đổi thyristor, quyết định chất lượng và độ tin cậy của hệ thống.
Yêu cầu cửa mạch điểu khiển có thể tóm tắt trong 6 điểm chính sau: Độ rộng xung điều khiển Độ lớn xung điều khiển
Yêu cầu về độ dốc của răng
Sự đối xứng của xung trong các kênh điều khiển
Để đảm bảo độ tin cậy, điện trở kênh điều khiển cần phải nhỏ nhằm ngăn chặn việc Thyristor tự mở khi dòng rò tăng Xung điều khiển cũng phải ít bị ảnh hưởng bởi dao động nhiệt độ và dao động điện áp nguồn Hơn nữa, cần phải khử nhiễu cảm ứng để tránh tình trạng mở nhầm.
Yêu cầu về lắp ráp và vận hành:
Thiết bị thay thế để lắp ráp và điều chỉnh, mỗi khối có khả năng làm việc độc lập cao.1.3 Nhiệm vụ mạch điều khiển:
Là tạo ra xung vào ở những thời điểm mong muốn để mở các van động lực của bộchỉnh lưu.
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 anode – cathode của thyristor.
Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở thyristor độ rộng xung tx <
10𝜇𝑠 Biểu thức độ rộng xung:
Idt: dòng duy trì của thyristor.
𝑑𝑡: tốc độ tăng trưởng của dòng tải. Đối tượng cần điều khiển được đặc trưng bởi đại lượng điểu khiển là góc 𝛼.
Mạch điều khiển thyristor có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau Tuy nhiên, tất cả các mạch điều khiển đều dựa trên nguyên lý thay đổi góc pha, dẫn đến hai phương pháp khống chế chính là khống chế ngang và khống chế đứng.
Khống chế ngang là phương pháp điều chỉnh góc 𝛼 bằng cách dịch chuyển điện áp sang dạng sóng sin theo phương pháp ngang so với điện áp tựa Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là góc 𝛼 phụ thuộc vào hình dạng điện áp và tần số lưới, dẫn đến độ chính xác của góc điều khiển không cao.
Khống chế đứng là phương pháp điều chỉnh góc 𝛼 thông qua việc thay đổi điện áp chủ đạo theo chiều thẳng đứng so với điện áp tựa Phương pháp này nổi bật với độ chính xác cao và khả năng điều khiển rộng, từ 0 đến 180°.
Thiết kế mạch điều khiển
- Khâu đồng bộ có nhiệm vụ: Chuyển đổi điện áp lực có giá trị cao xuống giá trị thấp phù hợp với mạch điều khiển.
Cách ly hoàn toàn giữa mạch lực và mạch điều khiển là rất quan trọng, giúp đảm bảo an toàn cho người sử dụng và bảo vệ các linh kiện điện tử.
Chọn máy biến áp có: U1 = 220V, U2 = 15V
Ta dùng mạch kết hợp chỉnh lưu với khuếch đại thuật toán: mạch này khá thông dụng trong thực tế.
Sơ đồ khâu đồng pha:
Hình 15 Sơ đồ khâu đồng pha
Chọn điện áp xoay chiều 220V từ mạch lực qua biến áp TI4 với hệ số Kba0 Sử dụng điện trở R1 để hạn chế dòng điện vào khuyếch đại thuật toán A1, đảm bảo rằng dòng vào khuyếch đại thuật toán I v < 1 mA.
2.2 Khâu tạo điện áp tựa
Khâu tạo xung răng cưa tạo ra điện áp răng cưa cho khâu so sánh, đảm bảo vùng điều khiển đủ rộng để đáp ứng yêu cầu về độ chính xác và tính ổn định trong điều khiển xung.
Mục đích của khâu điện áp răng cưa là tạo ra điện áp răng cưa từ điện áp đồng pha để đưa vào khâu so sánh.
Có hai phương pháp cơ bản tạo hàm răng cưa:
-Dùng Transistor và tụ điện.
-Dùng khuếch đại thuật toán và tụ điện.
R1 có tác dụng hạn chế dòng: R2 = 2.5 kΩ.
Chọn diode ổn áp DZ1 là loại: BZX79A10 có UDZ = 18 V.
Hình 16 Sơ đồ khâu tạo điện áp tựa
So sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa (dạng răng cưa) giúp xác định thời điểm phát xung điều khiển, thường là khi hai điện áp này bằng nhau Điều này tương ứng với việc xác định góc điều khiển Khâu so sánh có thể được thực hiện bằng các phần tử khác nhau.
Transistor hay khuếch đại thuật toán OA.
So sánh dùng khuếch đại thuật toán: Ưu điểm:
-Cho phép đảm bảo độ chính xác cao.
-Có giá thành thấp, không cần chỉnh định phức tạp.
Tổng trở vào của OA rất lớn, giúp nó không làm ảnh hưởng đến các điện áp đầu vào Điều này cho phép OA tách biệt hoàn toàn các tín hiệu, ngăn chặn sự tác động lẫn nhau giữa chúng.
Tầng vào của OA là một loại khuếch đại vi sai với số tầng có thể lên đến một triệu, mang lại độ chính xác rất cao và độ trễ chỉ khoảng vài μs.
-Sườn xung dốc đứng nếu so với tần số f = 50 Hz.
So sánh kiểu hai cửa:
-Hai điện áp cần so sánh được đưa tới hai cực của OA.
Điện áp điều khiển được đưa vào cực dương (+), trong khi điện áp tựa được đưa vào cực âm (-) Điện áp răng cưa đạt giá trị tối đa là 5V, được tạo ra từ quá trình dao động Sau đó, điện áp răng cưa được đưa vào khâu so sánh và so sánh với điện áp Udk để tạo ra điện áp đầu ra.
Uss1 Điện áp điều khiển vào khâu so sánh là điện áp một chiều có thể điều chỉnh giá trị trong khoảng -5V đến +5V.
Hình 17 Sơ đồ khâu so sánh
Thyristor cần một xung mở phù hợp để hoạt động hiệu quả Xung này phải có sườn trước dốc thẳng đứng để đảm bảo thyristor mở ngay lập tức khi nhận tín hiệu điều khiển, thường là xung kim hoặc xung chữ nhật Ngoài ra, xung cần có độ rộng lớn hơn thời gian mở của thyristor và đủ công suất Đặc biệt, cần có sự cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực, nhất là khi điện áp động lực cao Để tạo ra xung mở, có thể sử dụng các cổng logic NOT kết hợp với tụ điện và điện trở.
1 đầu là đầu ra khâu so sánh
Hình 18 Sơ đồ khâu tạo xung
2.5 Khâu khuếch đại và biến áp lực
Cách ly mạch lực và mạch điều khiển
Phối hợp trở kháng giữa hai tầng khuếch đại xung và cực điều khiển van mạch lực là rất quan trọng Lõi sắt Ferit HM được chọn làm vật liệu, với hình dạng hình xuyến Lõi này hoạt động trên một phần đặc tính từ hoá với \$\Delta B = 0,3T\$ và \$\Delta H = 30 \, (A/m)\$, không có kẽ hở không khí.
Tỉ số biến áp xung chọn m = 3. Điện áp thứ cấp máy biến áp xung: U 2 = U dk = 3 (V) Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1= m.U 2 = 3.3= 9 (V)
Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung: I 2 = I dk = 0,1(A)
Hình 19 Khâu khuếch đại và biến áp lực
Mô phỏng mạch và điều khiển động cơ
Giới thiệu phần mềm mô phỏng Psim
Phần mềm PSIM là công cụ mô phỏng mạnh mẽ, được thiết kế đặc biệt cho việc mô phỏng các mạch điện tử công suất và hệ truyền động điện Với thư viện phong phú, khả năng mô phỏng nhanh, giao diện thân thiện và dễ sử dụng, PSIM hỗ trợ phân tích dạng sóng hiệu quả Nó là lựa chọn lý tưởng cho việc phân tích bộ biến đổi điện tử công suất, thiết kế vòng điều khiển kín và nghiên cứu các hệ thống truyền động điện.
The top section features a standard toolbar that includes options such as File, Edit, View, Subcircuit, Element, Simulate, Option, Window, and Help All operations within PSIM can be executed through this standard toolbar.
Thanh dưới bao gồm các công cụ hay dùng, cơ bản như New, Save, Open,
Các lệnh thường dùng trong thiết kế mạch điện bao gồm Wire (nối dây), Zoom và Run Simulation (chạy mô phỏng) Ngoài ra, thanh công cụ dưới cùng cung cấp các linh kiện điện tử phổ biến như điện trở, cuộn cảm, tụ điện và thyristor.
Sau khi hoàn tất mô phỏng mạch lực và mạch điều khiển, bạn vào Simulate ≫ Simulation Control để bắt đầu Một biểu tượng đồng hồ sẽ xuất hiện, cho phép bạn đặt ở vị trí tùy ý trên trang vẽ Hộp thoại hiện ra với hai thông số quan trọng: Time Step (bước thời gian tính toán) và Total Time (tổng thời gian mô phỏng), cả hai đều tính bằng giây Việc lựa chọn Time Step và Total Time cần phải phù hợp với từng mạch; Time Step nhỏ hơn sẽ mang lại độ chính xác cao hơn và đồ thị mịn hơn, nhưng nếu chọn Time Step quá nhỏ và Total Time quá lớn, thời gian chạy sẽ kéo dài Sau khi thiết lập xong các thông số, bạn có thể chạy mô phỏng bằng cách chọn Simulate ≫ Run Simulation.
Chương trình PSIM Simulation sẽ tự động chạy và mở cửa sổ SIMVIEW Nếu cửa sổ không hiện ra, bạn có thể vào Simulate ≫ Run SIMVIEW Trong cửa sổ SIMVIEW, bạn sẽ thấy một hộp thoại với các đại lượng có thể hiển thị; hãy chọn đại lượng bạn muốn và nhấn Add, sau đó OK Để dễ theo dõi, bạn nên đổi tên các đại lượng bằng cách click đúp vào phần tử trong PSIM Schematic Lưu ý rằng các đại lượng có giá trị khác nhau, vì vậy để quan sát đầy đủ, hãy hiển thị các đồ thị trong các hệ tọa độ khác nhau bằng cách vào Screen ≫ Add Screen Để thêm hoặc bớt đồ thị của một screen, click vào khu vực screen đó để chọn, sau đó sử dụng lệnh Screen ≫ Add/Delete Curve.
Trong nhóm phần tử Power, bạn sẽ tìm thấy các linh kiện điện tử công suất, linh kiện thụ động RLC, máy biến áp và động cơ Để truy cập các phần tử trong nhóm Power, hãy vào mục Elements/Power.
“Elements/Power/RLC/…” để lấy các linh kiện thụ động RLC.
“Elements/Power/Switches/…” chứa các linh kiện điện tử công suất như
Diode, Thyristor, Transistor, IGBT, GTO, và MOSFET là những linh kiện điện tử quan trọng Ngoài ra, còn có các phần tử khác như nút nhấn (Push button switches), Gating Block (dùng để thiết lập thời gian đóng ngắt cho các linh kiện công suất), bộ chỉnh lưu và cầu diode.
The section "Elements/Power/Transformer" includes various types of transformers, such as single-phase transformers (1ph-Transformer), three-phase transformers (3ph-Transformer), three-phase transformers connected in a Y/Y configuration (3ph-Y/Y-Transformer), and three-phase transformers connected in a Y/Δ configuration (3ph-Y/Δ-Transformer).
Nhóm phần tử mạch điều khiển (Control): chứa khối điều khiển như PI, mạch lọc (Filter), các khối logic (Logic Elements), bộ so sánh (Comparator), bộ
31 giới hạn (Limiter)… Để lấy các phần tử trong nhóm Control ta vào Menu
“Menu Elements/Control/ Filter/…” chứa bộ lọc thông thấp hoặc thông cao bậc một hoặc bậc hai, bộ lọc dãi thông…
“Menu Elements/Control/Logic Elements/…” chứa các cổng logic như: cổng AND, OR, NOT, XOR…
Nhóm phần tử nguồn (Sources):
Nhóm phần tử nguồn áp “ Menu Elements/Sources/Votage/…” có nguồn áp DC, nguồn Sine, nguồn áp ba pha, Step voltage…
Nhóm phần tử nguồn dòng “ Menu Elements/Sources/Current/…” chứa nguồn dòng DC, Sine, Step…
Ngoài ra, nhóm Sources còn chứa các phần tử như: hằng số (Constant), nối đất (Ground)
Nhóm Other có các nhóm phần tử con như: khối điều khiển linh kiện công suất
(Switch Controllers), khối hiển thị (Probe), khối cảm biến (Sensor), khối chức năng (Function Block) và các phần tử khác:
Khối Switch Controllers theo đường dẫn “ Menu Elements/Other/Switch
Controllers/…” chứa các phần tử như hình 10 như: bộ điều khiển góc alpha
(Alpha controller), bộ điều khiển on/off linh kiện công suất (On-off Switch controller), bộ điều khiển điều chế độ rộng xung (PWM Pattern Controller).
Khối Probe: “ Menu Elements/Other/Probe/…” chứa các khối hiển thị điện áp (Voltage Probe, Voltage Probe node-to-node), dòng điện (Current Probe)…
Khối Sensor “ Menu Elements/Other/Sensor/…” chứa cảm biến điện áp (Voltage Sensor) và cảm biến dòng điện (Current Sensor).
The Function Block includes elements for transforming coordinate systems from abc to rotating coordinates (abc-dqo Transformation) and vice versa, as well as mathematical function elements (see Figure 12) These elements can be accessed through the path "Menu Elements/Other/Function Block/ ".
Khối điều khiển mô phỏng (Simulation Control) là phần tử thiết yếu trong quá trình mô phỏng, giúp thiết lập thời gian lấy mẫu và thời gian xuất kết quả Mặc dù không nằm trong Menu Element, khối này có thể được truy cập qua đường dẫn “Menu Simulate/Simulation Control” và là bắt buộc để đảm bảo quá trình mô phỏng diễn ra hiệu quả.
Sơ đồ mạch điều khiển
Sau khi tính toán các thông số và chọn các linh kiện phần tử trong mạch thì nhóm chúng em đã ghép nối mô phỏng mạch hoàn chỉnh
Hình 20 sơ đồ mạch lực
3 Sơ đồ nguyên lí 1 kênh điều khiển
Hình 21 sơ đồ mạch nguyên lí 1 kênh điều khiển
4.Mô phỏng khâu đồng pha
Hình 22 mô phỏng khâu đồng pha
5.Mô phỏng khâu tạo điện áp răng cưa
Hình 23 mô phỏng khâu tạo điện áp răng cưa
6.Mô phỏng khâu so sánh
Hình 24 mô phỏng khâu so sánh
7 Mô phỏng khâu tạo xung
Hình25 mô phỏng khâu tạo xung
Hình26 mô phỏng khâu khuyếch đại xung
