Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm là dòng khởi động của động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha thường lớn từ 4 đến 7 lần dòng định mức làm cho bản thân máy bị nóng mà còn làm cho đ
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG MỀM CHO ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 3 PHA
Tổng quan về động cơ xoay chiều ba pha và một số phương pháp mở máy 7
1.1.1 Tổng quan về động cơ xoay chiều 3 pha
Máy điện không đồng bộ (KDB) là loại máy điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, trong đó tốc độ quay của rotor (n) khác với tốc độ của từ trường (n1) Máy có hai dây quấn chính là dây quấn stator (sơ cấp) với lưới điện tần số cố định và dây quấn rotor (thứ cấp), trong đó dòng điện cảm ứng sinh ra nhờ vào sức điện động cảm ứng phụ thuộc vào tải trên trục máy Do đó, sự khác biệt về tốc độ giữa rotor và từ trường là yếu tố quyết định sự sinh ra dòng điện trong dây quấn rotor và khả năng vận hành của máy.
Máy điện không đồng bộ có khả năng hoạt động theo nguyên lý thuận nghịch, cho phép nó vận hành ở chế độ động cơ hoặc chế độ máy phát điện This versatility makes it suitable for various applications where both motor and generator functions are needed.
Có nhiều tiêu chỉ để phân loại máy điện không đồng bộ:
1 Theo kết cấu của vở máy, máy điện KĐB chia thành các kiểu chinh sau: kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu phòng nổ
2 Theo kết cấu của rotor, máy điện KDB chia thành hai loại: Loại rotor kiểu dây quần, loại rotor kiểu lồng sóc
3 Theo sẽ pha trên dây quần stator: Một pha, hai pha và ba pha
Hình 1.1 Cấu tạo động cơ xoay chiều 3 pha
+ Stator gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn, ngoài ra còn có vỏ máy và nắp máy
Hình 1.2 Cấu tạo Stator a Lõi thép:
Lõi thép stator có dạng hình trụ, được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện dập rãnh bên trong để tối ưu hóa khả năng dẫn từ, sau đó ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục để nâng cao hiệu suất hoạt động của máy Lõi thép này sau đó được cố định chắc chắn vào vỏ máy, giúp đảm bảo độ ổn định và hiệu quả vận hành của hệ thống Dây quấn stator đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của máy, góp phần tạo ra từ trường cần thiết để sinh ra lực quay và vận hành hiệu quả.
Dây quấn stator thường dùng bằng đồng có lớp cách điện, được đặt trong các rãnh của lõi thép để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động Khi dòng điện xoay chiều ba pha chạy qua, dây quấn sẽ tạo ra từ trường quay mạnh mẽ, góp phần vận hành hiệu quả các máy móc điện.
Hình 1.3 Dây quấn stator c Vỏ máy:
Vỏ máy, gồm thân và nắp, thường được làm bằng gang (Hình 4), đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ và cố định các bộ phận bên trong như dây quấn, trục máy, và rotor.
+ Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy Rotor là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy a Lõi thép:
Lõi thép rotor được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện lấy từ phần bên trong của lõi thép stator và ghép lại với nhau để tạo thành cấu trúc chắc chắn Bề mặt ngoài của lõi được dập rãnh nhằm tiện lợi cho việc đặt dây quấn, tăng hiệu quả hoạt động của máy Phần trung tâm của lõi có các lỗ được dập sẵn để lắp trục, đảm bảo ổn định và cân bằng trong quá trình vận hành.
Khi cấp nguồn 3 pha vào dây quấn stator, một từ trường quay (có tốc độ quay n1) được tạo ra:
Từ trường quay này quét qua rotor, cảm ứng dòng điện vào các thanh dẫn trong lồng sóc theo định luật cảm ứng điện từ Faraday
Dòng điện cảm ứng trong rotor sinh ra từ trường của rotor
Theo nguyên lý tương tác điện từ, lực điện từ sinh ra khi từ trường của rotor tương tác với từ trường quay của stator Hiện tượng này tạo ra lực kéo điện từ giúp rotor quay theo hướng của từ trường quay, đảm bảo hoạt động hiệu quả của máy móc điện.
1.1.2 Các phương pháp mở máy động cơ
Mở máy động cơ xoay chiều 3 pha không đồng bộ
Phương trình động học trong quá trình khởi động của động cơ: c c d d
M – Mô-men điện từ của động cơ
Mc – Mô-men cản của động cơ
J – Mô-men quán tính của động cơ
Ta thấy rằng, hệ tăng tốc khi 0
Hiệu M – Mc càng lớn thì tốc độ của động cơ càng cao, cung cấp khả năng vận hành mạnh mẽ và hiệu quả hơn Máy có quán tính lớn dẫn đến thời gian mở máy (tmm) kéo dài hơn, ảnh hưởng đến quá trình khởi động Khi bắt đầu mở máy, rotor đang đứng yên với hệ số trượt s = 1, cho phép tính trị số dòng điện mở máy dựa trên mạch điện thay thế chính xác hơn.
Mô-men mở máy được tính bằng công thức:
Dòng điện mở máy có thể lớn gấp 5 đến 7 lần dòng định mức, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ của động cơ và làm giảm điện áp lưới khi khởi động Để đảm bảo an toàn và hiệu quả, cần xác định các biện pháp và điều kiện khởi động phù hợp với từng loại động cơ trong các trường hợp cụ thể Các yêu cầu cơ bản của quá trình mở máy bao gồm việc kiểm soát dòng khởi động để tránh quá tải và giảm thiểu các tác động tiêu cực đến hệ thống điện.
− Mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với phụ tải, tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt
Chạy dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt để tránh ảnh hưởng đến các phụ tải khác trong hệ thống Thời gian mở máy ngắn giúp máy có thể bắt đầu hoạt động ngay lập tức, nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu tổn thất điện năng.
− Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, tin cậy
Mở máy trực tiếp (DOL)
Hình 1.6 trình bày sơ đồ mạch mở máy trực tiếp cho động cơ không đồng bộ 3 pha, là phương pháp mở máy đơn giản nhất, trong đó ta đóng trực tiếp điện áp U1 vào dây quấn stato từ nguồn lưới điện Khi công tắc được bật, mạch điện sẽ đóng, cấp nguồn trực tiếp cho động cơ, khiến điện áp và dòng điện ban đầu tăng đột ngột khi động cơ bắt đầu hoạt động Dòng điện khởi nguồn cao gây ra momen xoắn lớn, giúp động cơ gia tốc nhanh về tốc độ ổn định Ưu điểm của phương pháp này là tính đơn giản, độ tin cậy cao và dễ thực hiện trong các ứng dụng công nghiệp.
− Thời gian mở máy nhanh, mô-men mở máy lớn
− Thiết bị khởi động đơn giản, giá thành rẻ
− Chỉ sử dụng với những động cơ có công suất nhỏ, công suất lưới lớn
− Dòng điện mở máy lớn gấp nhiều lần so với dòng điện định mức
I = − I gây ảnh hưởng bất lợi tới nguồn điện
− Nếu mô-men quán tính tải lớn, thời gian khởi động kéo dài gây sụt áp trên lưới, làm động cơ nóng nên
− Không điều chỉnh được thông số khởi động như dòng khởi động, thời gian
Mở máy bằng cách giảm điện áp đặt vào dây quấn stator
Khởi động mềm bằng cách giảm điện áp đặt vào stator là phương pháp khởi động phổ biến cho động cơ không đồng bộ 3 pha Phương pháp này giúp giảm dòng khởi động và mô-men khởi động, từ đó hạn chế tác động tiêu cực đến hệ thống điện và nâng cao tuổi thọ của động cơ.
Phương pháp mở máy hoạt động bằng cách giảm điện áp cung cấp cho stator, giúp dòng khởi động giảm và bảo vệ động cơ khỏi quá tải Quá trình này có thể thực hiện bằng cách sử dụng cuộn kháng, máy biến áp tự ngẫu, hoặc đổi nối sao/tam giác để giảm điện áp ban đầu Sau đó, điện áp được tăng dần trở lại mức bình thường trong quá trình khởi động, giúp động cơ tăng tốc một cách mềm mại, hạn chế áp lực lên các cơ cấu của máy.
Hình 1.7 trình bày sơ đồ mạch mở máy bằng cách giảm điện áp vào dây quấn stator, giúp giảm áp lực và tác động lên hệ thống điện Phương pháp này bảo vệ các thiết bị điện trong mạng lưới và giảm mô-men khởi động, từ đó hạn chế nguy cơ hỏng hóc do tác động mạnh khi khởi động Ngoài ra, giảm thiểu tác động cơ học và nhiệt độ lên động cơ trong quá trình khởi động giúp tăng tuổi thọ của thiết bị, đồng thời tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng.
Một số phương pháp giảm điện áp đầu vào:
Khởi động motor bằng cách sử dụng cuộn kháng mắc vào stator giúp kiểm soát quá trình khởi động một cách hiệu quả Khi khởi động, contactor CD2 mở và CD1 đóng, giúp kết nối stator vào lưới điện qua điện kháng CK, giảm dòng khởi động và bảo vệ motor Sau khi động cơ đạt tốc độ ổn định, contactor CD2 được đóng để ngắn mạch cuộn kháng CK, đảm bảo stator kết nối trực tiếp với lưới điện, tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của motor.
Hình 1.8 Sơ đồ mạch mở máy bằng phương pháp biến đổi Y /
Tổng quan về hệ thống khởi động mềm
1.2.1 Mạch điều áp xoay chiều 3 pha
Mạch điện điều chỉnh áp xoay chiều 3 pha có cấu tạo gồm các cặp tiristo song song ngược mắc nối tiếp giữa tải và nguồn, phù hợp với các dạng tải sao hoặc tam giác Sơ đồ mạch điều áp này có thể hoạt động theo phương pháp bán điều khiển, ví dụ thay thế tiristo V4, V6, V2 bằng các điôt D4, D6, D2 ở các pha A, B, C để tối ưu hóa hiệu suất và linh hoạt trong điều chỉnh điện áp.
Phân tích nguyên lý hoạt động của mạch điều áp xoay chiều 3 pha:
Hình 1.9 Dạng điện áp trên tải Z A tại góc điều khiển a = 30 0 (tải thuần trở)
Trong trường hợp tải thuần trở đấu sao, ZA = ZB = ZC, hình dạng đồ thị điện áp tải theo góc điều khiển được thể hiện rõ trên Hình 9 Góc điều khiển được tính từ thời điểm điện áp nguồn vượt qua không, thông qua mạch điều chỉnh một chiều Trong hệ thống điện áp 3 pha, dòng điện có thể chảy qua cả ba pha hoặc chỉ qua hai pha, tùy thuộc vào trạng thái hoạt động Khi dòng chảy qua cả ba pha, điện áp trên mỗi pha sẽ bằng chính điện áp pha, còn khi dòng chỉ chảy qua hai pha, điện áp trên các pha này sẽ tương ứng bằng một nửa điện áp dây Các van dẫn trên các pha cùng với các giá trị điện áp tải tương ứng đã được trình bày trong Bảng 1.2, cung cấp các thông số rõ ràng cho quá trình phân tích và điều chỉnh hệ thống.
Bảng 1.2 Bảng van dẫn trên các pha và các giá trị điện áp trên tải
1.2.2 Mở máy bằng sử dụng mạch điều áp xoay chiều ba pha
Phương pháp sử dụng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều dựa trên tiristo song song ngược là một giải pháp hiệu quả cho bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ Công nghệ này giúp giảm dòng khởi động cao ban đầu bằng cách điều chỉnh từ từ công suất điện áp, giúp bảo vệ động cơ khỏi quá tải và tăng tuổi thọ của thiết bị Thay vì khởi động ngay với dòng điện lớn, phương pháp này kiểm soát việc giảm dần điện áp và dòng điện đầu vào, đảm bảo motor hoạt động ổn định và hiệu quả ở chế độ làm việc đầy đủ.
Hình 1.10 Tổng quan bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ 3 pha ứng dụng mạch điều áp xoay chiều 3 pha
Bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ sử dụng mạch điều áp xoay chiều 3 pha như Hình 1.5 bao gồm 4 phần chính :
Mạch lực sử dụng ứng dụng điều áp xoay chiều ba pha với ba cặp tiristor đấu ngược song song để điều chỉnh trị số hiệu dụng điện áp, từ đó gián tiếp thay đổi dòng khởi động và mô men khởi động của động cơ Quá trình này được thực hiện trong quá trình khởi động của động cơ nhờ vào việc thay đổi góc mở của các cặp van tiristor trong mạch lực, giúp kiểm soát và tối ưu hóa quá trình khởi động.
− Mạch điều khiển phát xung: có nhiệm vụ nhận điện áp điều khiển từ mạch vi điều khiển để tạo ra góc mở van phù hợp
Mạch vi điều khiển đảm nhận các chức năng chính như đo lường chính xác, tạo điện áp điều khiển phù hợp theo quy luật khởi động và dừng mềm của khởi động mềm Ngoài ra, nó còn có khả năng thực hiện các chức năng đóng cắt và bảo vệ hệ thống một cách hiệu quả, đảm bảo quá trình vận hành ổn định và an toàn.
Giao diện người dùng của hệ thống bao gồm chế độ vận hành bằng tay qua bàn phím và màn hình hiển thị ngoài mặt tủ, giúp người dùng dễ dàng điều khiển và giám sát quá trình làm việc Nguyên lý hoạt động của mạch động lực khởi động động cơ không đồng bộ sử dụng điều áp xoay chiều 3 pha được mô tả như sau, đảm bảo quá trình khởi động diễn ra hiệu quả và an toàn.
Khi không có điện, tiristor ngăn chặn dòng điện không cho phép chạy qua Trong trạng thái mở, điện áp được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh góc mở α của các van bán dẫn, giúp kiểm soát điện áp đặt lên cuộn dây stato của động cơ Điều này cho phép động cơ tăng tốc từ từ, đảm bảo hạn chế dòng điện và sinh ra mô men đủ lớn để mở máy một cách an toàn và hiệu quả.
Khi van mở hoàn toàn, điện áp đạt đến giá trị điện áp định mức, giúp động cơ đạt tốc độ tối đa cho phép Mô-men động cơ tỷ lệ với bình phương điện áp và dòng điện, do đó mô-men gia tốc và dòng điện khởi động được kiểm soát hiệu quả thông qua việc điều chỉnh trị số hiệu dụng của điện áp Điều này giúp đảm bảo hoạt động an toàn và tối ưu cho hệ thống động cơ.
Hình 1.11 Đặc tính khởi động mềm
Bộ khởi động bán dẫn được thiết kế để tạo ra đặc tính tăng tốc theo thời gian, thường từ 5 đến 10 giây, giúp quá trình khởi động động cơ diễn ra an toàn và hiệu quả Dòng khởi động thường được hạn chế khoảng 3 đến 4 lần so với dòng định mức của động cơ, nhờ vào cơ chế tự động hạn chế dòng điện, kéo dài thời gian tác động thêm vài giây để đảm bảo an toàn Ban đầu, bộ khởi động cung cấp điện áp khoảng 30% đến 60% điện áp định mức của động cơ, đủ để sinh ra mô-men đủ thắng mô-men cản, giúp động cơ tăng tốc ổn định Quá trình dừng của động cơ có thể được cài đặt tương tự như khởi động, bằng cách điều chỉnh hai tham số chính là mức giảm điện áp và thời gian giảm tốc, được lựa chọn phù hợp trong lần thử đầu tiên để tối ưu hiệu suất và độ bền của hệ thống.
Hình 1.12 Đồ thị cài đặt tín hiệu cho bộ khởi động
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC
Yêu cầu thiết kế, nguyên lý của mạch động lực
Trong hệ thống truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ roto lồng sóc, dòng khởi động lớn có thể gây sụt áp lưới điện, ảnh hưởng đến các thiết bị khác và giảm tuổi thọ của động cơ Để khắc phục vấn đề này, bộ khởi động mềm sử dụng điều áp xoay chiều 3 pha với Thyristor được ứng dụng nhằm điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ trong quá trình khởi động, giúp giảm dòng khởi động và duy trì ổn định hệ thống.
Mạch động lực cần đảm bảo các yêu cầu sau:
Giảm điện áp khởi động giúp hạn chế dòng điện tăng đột ngột, bảo vệ động cơ khỏi quá tải và hỏng hóc Việc điều chỉnh mô-men hợp lý đảm bảo động cơ có thể khởi động một cách nhẹ nhàng, tránh gây tổn thất lớn cho hệ thống Điều này giúp nâng cao hiệu quả vận hành và tuổi thọ của thiết bị điện.
Quá trình chuyển đổi mượt mà, tránh rung lắc cơ khí hoặc sụt áp đột ngột giúp đảm bảo hoạt động liên tục và ổn định của hệ thống Đồng thời, hệ thống còn được trang bị các biện pháp bảo vệ an toàn, chống lại hiện tượng quá dòng, mất pha và nhiễu điện từ, tăng cường độ bền và đáng tin cậy của thiết bị.
2.1.2 Nguyên lý của mạch động lực
Hệ thống mạch động lực sử dụng Thyristor để điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ trong giai đoạn khởi động giúp kiểm soát quá trình khởi động một cách hiệu quả Được thiết kế gồm 6 Thyristor đấu thành cầu chỉnh lưu xoay chiều 3 pha, hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý điều chỉnh điện áp bằng cách kiểm soát thời điểm mở của Thyristor, từ đó giảm tải dòng khởi động và bảo vệ động cơ Việc sử dụng Thyristor trong mạch giúp tăng độ ổn định, nâng cao hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của động cơ trong quá trình khởi động.
Ban đầu, các Thyristor hạn chế điện áp cấp cho động cơ bằng cách điều chỉnh góc dẫn điện (góc kích α) Nhờ đó, điện áp cấp cho động cơ tăng dần theo thời gian, giúp giảm dòng khởi động và đảm bảo hoạt động ổn định của động cơ.
Khi góc kích α lớn, điện áp ra thấp → mô-men nhỏ, dòng khởi động giảm
Khi α giảm dần, điện áp tăng lên → động cơ đạt tốc độ định mức
Chuyển sang chế độ hoạt động bình thường:
Khi động cơ đạt điện áp đầy đủ, sử dụng bypass contactor giúp đưa hệ thống về trạng thái vận hành ổn định và giảm tổn thất năng lượng trên Thyristor, nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống điều khiển.
Thông số tính toán mạch động lực
Chọn k = số nhóm = 11 Ta có thông số động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha roto lồng sóc sau:
Tính toán các van mạch động lực
Vì thời gian mở máy của động cơ không quá dài (tkđ = 3 giây), dòng điện mở máy tăng đáng kể, yêu cầu lựa chọn cặp thyristor ngược phù hợp để điều khiển Để đảm bảo hoạt động ổn định, cần tăng cấp điều kiện làm mát cho các thành phần chịu nhiệt Vì vậy, sơ đồ mạch động lực đã được thiết kế phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật này nhằm đảm bảo hiệu quả vận hành an toàn và bền bỉ của hệ thống.
Hình 2.1 Sơ đồ mạch động lực
Tham khảo tài liệu Điện tử công suất 1 của tác giả Lê Văn Doanh, trang 399-400, ta có:
Dòng điện định mức của động cơ:
√3.380.0,941.0,911 = 372,2(A) (2.1) Dòng điện chạy qua mỗi thyristo:
Dòng điện làm việc trên mỗi thyristo là 186,1A, mức dòng điện này tương đối lớn gây ra tổn thất năng lượng đáng kể trên thiết bị Do đó, việc lựa chọn phương pháp làm mát phù hợp là cực kỳ quan trọng để đảm bảo thyristo hoạt động ổn định và đạt công suất tối đa Chọn giải pháp làm mát hiệu quả giúp giảm nhiệt độ vận hành, kéo dài tuổi thọ và tăng hiệu suất của thyristo trong hệ thống.
Để đảm bảo hiệu quả làm mát cho thyristo, cần lựa chọn điều kiện có cánh tản nhiệt và quạt đối lưu không khí cưỡng bức với tốc độ gió 12 m/s Nhờ đó, thyristo có thể hoạt động với dòng điện lên đến 50% dòng điện định mức, giúp duy trì hiệu suất ổn định và tránh quá nhiệt Việc chọn dòng điện phù hợp cho thyristo dựa trên các điều kiện làm mát này là yếu tố quan trọng để đảm bảo độ bền và hiệu quả làm việc của thiết bị.
50 = 372,2(A) (2.3) Điện áp của thyristo khi ở trạng thái khóa:
Ulv = √2.Ud = √2.380 = 537(V) (2.4) Điện áp định mức của thyristo cần chọn với hệ số dự trữ quá điện áp kdt
UTđm = kđt.Ulv = 1,8.537 = 966(V) (2.5) Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng:
Thyristo mắc vào điện áp lưới có tần số f = 50Hz nên thời gian chuyển mạch của thyristo không ảnh hưởng lớn đến việc chọn thyristo
Từ tính toán trên, dựa vào thông số của một số thyristo, ta chọn 6 thyristo loại TA449-10W (tài liệu 7 trang 117) có các thông số sau:
Thông số Giá trị Điện áp ngược cực đại U 1000 (V)
Dòng điện làm việc cực đại 400 (A)
Dòng điện đỉnh cực đại 4000 (A)
Dòng điện xung điều khiển 400m (A) Điện áp xung điều khiển 5.0 (V)
Sụt áp trên thyristo ở trạng thái dẫn 2.2 (V) Đạo hàm điện áp 1000 (V/s)
Thời gian chuyển mạch (mở và khúa) 10à (s)
Nhiệt độ làm việc cực đại 125ºC
Tính toán các thiết bị bảo vệ mạch động lực
Một số thiết bị, như động cơ điện không đồng bộ, có dòng điện quá độ Iqđ rất lớn khi khởi động, dao động từ 5 đến 7 lần dòng định mức Tuy nhiên, do dòng quá độ này diễn ra trong thời gian ngắn, chỉ vài giây, nên chưa đủ gây quá nhiệt đến van và có thể bỏ qua ảnh hưởng của quán tính nhiệt Khi dòng quá độ kéo dài hơn, cần phải thực hiện các phân tích nhiệt phức tạp để đánh giá ảnh hưởng, trong đó tổn thất công suất được tính bằng các công thức phù hợp để đảm bảo độ bền và an toàn cho thiết bị.
P – Tổn hao công suất trên van bằng biến thiên
– Độ chẹnh lệch nhiệt độ so với môi trường
A – Hệ số tản nhiệt đặc trưng cho điều kiện làm mát
C – nhiệt dung của van và cánh tản nhiệt
Để giải quyết bài toán này, khi thời gian mở máy ngắn, cần chọn điều kiện làm mát cho tiristor phù hợp Các phương án bao gồm sử dụng cánh tản nhiệt để nâng cao khả năng làm mát và lắp đặt quạt đối lưu không khí cưỡng bức với tốc độ gió thích hợp Những biện pháp này giúp giảm nhiệt độ cho thiết bị, đảm bảo hoạt động ổn định và kéo dài tuổi thọ của tiristor.
12 m/s Với điều kiện này, tiristo có thể làm việc với dòng điện đến 50% dòng điện định mức
2.4.2 Bảo vệ quá dòng, ngắn mạch động lực
Trong các mạch động lực của thiết bị bán dẫn, việc sử dụng các loại bảo vệ là rất cần thiết để đảm bảo an toàn và độ bền của hệ thống Một trong những phương pháp bảo vệ phổ biến và hiệu quả là bảo vệ ngắn mạch bằng aptomat, giúp ngắt mệnh lệnh khi xảy ra sự cố, tránh thiệt hại cho các thành phần trong mạch Việc lắp đặt các thiết bị bảo vệ phù hợp không chỉ nâng cao độ tin cậy của hệ thống mà còn giảm thiểu nguy cơ mất an toàn trong quá trình vận hành.
Dòng điện định mức của aptomat được chọn dựa trên dòng tải lớn nhất, đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động Dòng điện ngắn mạch của aptomat cần được chỉnh lớn hơn dòng quá độ quá mức của tải Iqđ nhằm bảo vệ thiết bị trong trường hợp xảy ra sự cố Tuy nhiên, dòng điện ngắn mạch này vẫn phải nhỏ hơn dòng xung của van bán dẫn để tránh gây hỏng hóc cho các linh kiện điện tử nhạy cảm.
Dòng điện định mức: I dm atm =(1, 2 1, 3) I dm =(1, 2 1 , 3) 372, 2 = 446, 6 4 ( A ) Điện áp định mức: U dm atm = 380 ( ) V
Dòng điện ngắn mạch: (Coi dòng điện quá độ gấp lần dòng định mức của tải)
Chọn aptomat MCCB LS ABN803c 500A 3P 45kA (Hàn Quốc)
Aptomat MCCB LS ABN803c 500A 3P 45kA là thiết bị đóng cắt nguồn điện, bảo vệ quá tải và ngắn mạch cho hệ thống điện sau át Khi xảy ra sự cố ngắn mạch hoặc quá tải, aptomat sẽ tự động nhảy để cắt nguồn, ngăn chặn tia lửa điện phát sinh trong buồng dập hồ quang, giúp tránh nguy cơ cháy nổ Sản phẩm có dòng cắt ngắn mạch lên đến 45kA, phù hợp sử dụng trong các tủ điện, hệ thống điện tại dự án, công trình dân dụng, công nghiệp, nhà máy và tàu thủy.
Dải điện áp hoạt động 690 VAC ,500 VDC Điện áp chịu xung định mức 8kV
Tỉ lệ dòng cắt ngắn mạch thực tế so với dòng cắt ngắn mạch tối đa
Dòng ngắn mạch cực đại tại 380V 45kA Độ bền cơ khí 2500 lần đóng cắt Độ bền điện 500 lần đóng cắt
2.4.3 Bảo vệ quá xung điện áp từ lưới
Để bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt tiristo, người ta thường mắc bộ lọc R-C song song với tiristo Khi xảy ra quá trình chuyển mạch, điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn sẽ phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn Mạch R-C song song giúp tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch, từ đó hạn chế hiện tượng quá điện áp trên tiristo, đảm bảo hoạt động an toàn và bền bỉ hơn cho hệ thống.
Hình 2.2 Mạch bảo vệ quá áp trong đóng – cắt tiristo
Theo kinh nghiệm, ta có thể chọn R 2 = (5 30);C 2 =(0, 25 4) F
Để bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, ta kết nối theo hình đã minh họa, sử dụng mạch lọc giúp giảm thiểu tác động của xung điện áp Nhờ có mạch lọc này, đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây, từ đó tránh gây hại cho các thiết bị điện tử trong hệ thống Thiết kế mạch lọc đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định điện áp và nâng cao độ bền cho các thiết bị điện.
Hình 2.3 Bảo vệ quá áp từ xung lưới điện
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Yêu cầu, cấu trúc và sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
3.1.1 Yêu cầu trong thiết kế mạch điều khiển
Mạch điều khiển là thành phần then chốt trong bộ biến đổi Tiristo, chịu trách nhiệm tạo ra các xung đúng thời điểm để mở van động lực của bộ chỉnh lưu Tiristo Vai trò của mạch điều khiển rất quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của hệ thống biến đổi, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành và ổn định của thiết bị.
Các yêu cầu đối với một mạch điều khiển:
Xung điều khiển cần có độ đối xứng cao để đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống Phạm vi điều chỉnh góc mở van phải được đảm bảo, giúp điều chỉnh lưu lượng phù hợp với yêu cầu vận hành Độ rộng của xung điều khiển phải đủ lớn để dòng chảy qua van vượt mức trị số dòng duy trì, đảm bảo quá trình điều khiển diễn ra hiệu quả và ổn định.
Id của nó để khi ngắt xung van vẫn dẫn
Mạch điều khiển cần thực hiện các chức năng với độ chính xác cao, đảm bảo kết quả đầu ra đúng như yêu cầu với độ tác động dưới 1ms để đảm bảo hiệu suất vận hành tối ưu.
Thiết kế mạch điều khiển cần tối ưu hóa chi phí để giảm thiểu khả năng đầu tư ban đầu Đồng thời, nó phải đảm bảo các yêu cầu về hiệu suất, giúp quá trình sản xuất, bảo trì và thay thế linh kiện diễn ra dễ dàng hơn Việc lựa chọn linh kiện phù hợp và tối ưu hóa cấu trúc mạch giúp nâng cao độ tin cậy và khả năng vận hành của hệ thống điều khiển.
Các linh kiện trong mạch điều khiển cần có khả năng chịu nhiệt và kháng các yếu tố môi trường như độ ẩm, bụi bẩn, cũng như các tác nhân gây hại khác để đảm bảo hoạt động ổn định và bền bỉ.
3.1.2 Nguyên lý thiết kế mạch điều khiển Điều khiển Tiristo trong bộ khởi động mềm xoay chiều ba pha hiện nay thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính Nội dung của nguyên tắc này có thể mô tả như Hình 3.1
Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào anode của Tiristor, để điều chỉnh góc mở α của tiristor trong vùng điện áp dương, cần tạo ra một điện áp tựa dạng tam giác, gọi là điện áp răng cưa Urc Điện áp tựa này giúp kiểm soát hiệu quả quá trình kích hoạt của tiristor, đảm bảo điều khiển chính xác trong vùng điện áp dương của anode.
Trong quá trình hoạt động của mạch, ta dùng một điện áp một chiều Udk để so sánh với điện áp tựa Khi điện áp bằng điện áp điều khiển Urc, ta tiếp tục so sánh điện áp tựa để điều chỉnh hoạt động của Tiristo Khi điện áp tựa bằng điện áp điều khiển, Tiristo sẽ mở từ thời điểm có xung điều khiển đến cuối bán kỳ hoặc đến khi dòng điện bằng 0, đảm bảo điều chỉnh chính xác quá trình công tắc.
Hình 3.1 Nguyên lý điều khiển chỉnh lưu 3.1.3 Cấu trúc mạch điều khiển
Hình 3.2 Cấu trúc mạch điều khiển
Khâu đồng pha có chức năng tạo ra điện áp tựa Urc, thường là dạng điện áp răng cưa tuyến tính, nhằm trùng pha với điện áp anode của Tiristor Quá trình này quan trọng trong việc điều chỉnh và kiểm soát hoạt động của tiristor, đảm bảo hệ thống làm việc ổn định và hiệu quả Việc đồng pha giúp tăng cường độ ổn định của quá trình chuyển mạch và bảo vệ thiết bị khỏi các tác nhân gây nhiễu điện áp.
Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa và điện áp điều khiển Uđk, nhằm xác định thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Uđk = Urc) Khi hai điện áp này bằng nhau, thiết bị sẽ phát ra xung ở đầu ra, gửi sang tầng tạo xung và khuếch đại xung, góp phần điều khiển chính xác quá trình hoạt động của hệ thống.
Khâu tạo xung và khuếch đại xung có nhiệm vụ sinh ra xung phù hợp để mở Tiristo, đòi hỏi sườn trước dốc thẳng đứng nhằm đảm bảo Tiristo mở tức thời khi nhận xung điều khiển Xung mở Tiristo thường là xung kim hoặc xung chữ nhật, có độ rộng lớn hơn thời gian mở của Tiristo và đảm bảo đủ công suất để hoạt động hiệu quả Ngoài ra, cần có biện pháp cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực, đặc biệt khi điện áp mạch động lực quá cao, để đảm bảo an toàn và độ tin cậy trong quá trình vận hành.
3.1.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
Hình 3.3 Mạch điều khiển khởi động mềm động cơ cho trên hình 2.1
Hình 3.4 Các đường cong cơ bản của mạch điều khiển ở hình 3.3
Đối với các tải có thành phần điện cảm như động cơ không đồng bộ, biến áp, đặc trưng bởi góc trễ φ giữa điện áp và dòng điện, việc điều khiển van bán dẫn cần mở cả hai chiều điện áp Khi góc mở α nhỏ hơn góc trễ φ (α < φ), ta phải tăng độ rộng xung điều khiển bằng cách sử dụng phương pháp tạo xung chùm Trong mạch điều áp 3 pha điều khiển van bán dẫn bằng chùm xung, không chỉ giải quyết được vấn đề dẫn đều các van khi góc φ lớn mà còn có thể xử lý được tình trạng đệm xung điều khiển trong một số trường hợp với góc mở trong khoảng từ 0° đến 120°.
Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển điều áp xoay chiều dựa trên các đường cong minh họa trong hình 3.4 thể hiện quá trình chỉnh lưu và so sánh điện áp, trong đó điện áp đồng pha với điện áp xoay chiều sin UV được chỉnh lưu cả chu kỳ và đưa vào A1 qua R1, sau đó qua khuếch đại A1 và A2 để tạo ra điện áp tựa Urc Điện áp tựa này được kéo lên trục hoành bằng điện áp lấy từ VR2 nhằm đảm bảo điện áp điều khiển Uđk đồng biến với điện áp ra nếu cần thiết Khi điện áp tựa Urc bằng Uđk, khuếch đại A3 lật dấu điện áp ra, tạo ra điện áp UD, kết hợp với tín hiệu xung liên tục từ A6 qua cổng AND V11, đầu ra sẽ phát ra chùm xung khi UD > 0, điều chỉnh hoạt động của mạch một cách chính xác.
Cổng AND V1 sẽ phát tín hiệu ra khi cả V11 có xung và VF > 0, đồng thời máy biến áp xung BA1 sẽ nhận xung điều khiển T1 Trong khi đó, cổng AND V2 chỉ xuất tín hiệu khi V11 có xung và VB > 0, giúp máy biến áp xung BA2 điều khiển T2.
Kết quả là T1 được cấp chùm xung điều khiển khi UF > 0 trùng với UV >
Trong hệ thống điều khiển, tín hiệu từ các kênh T0 và T2 được cấp chùm xung khi UE > 0 trùng với UV < 0, tương tự như các van còn lại Để xử lý việc cấp xung điều khiển đồng thời cho hai tiristo, cần thêm một cổng OR H trước tầng khuếch đại, trong đó tín hiệu từ khâu so sánh của kênh điều khiển T1 được đưa đến cổng OR của chính tầng này Ngoài ra, tín hiệu này còn được chuyển đến cổng OR của T4 để đệm xung mở T4 Tín hiệu từ T1 còn được đưa đến cổng vào của H1 cùng với tín hiệu nhận từ T6, tạo thành hai xung điều khiển trong một chu kỳ: xung thứ nhất do mạch điều khiển T1 phát lệnh, xung thứ hai do kênh điều khiển T6 phát lệnh.
Tính toán thiết kế mạch điều khiển
Việc tính toán mạch điều khiển thường được thực hiện từ tầng khuyếch đại ngược trở lên để đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu Công suất dự kiến cho tầng khuyếch đại, dựa trên các thông số của cực điều khiển Tirristor như Uđk (Điện áp kích thích) và Iđk (Dòng kích thích), đóng vai trò quan trọng trong thiết kế mạch điều khiển chính xác.
Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở tiristo Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển cần có:
+ Điện áp điều khiển Tiristo : Uđk = 5,0 (V)
+ Dòng điện điều khiển Tiristo : Iđk = 0,4 (A)
+ Thời gian mở Tiristo : tm = 80 (às)
+ Độ rộng xung điều khiển : tx = 167 (às)
+ Tần số xung điều khiển : fx = 3 (kHz)
+ Độ mất đối xứng cho phép : α = 4º
+ Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển : U = ±15 (V)
+ Mức sụt biên độ xung : sx = 0,15
Phương pháp tính toán theo chương 8 quyển Điện tử công suất 1 của tác giả Lê Văn Doanh, từ trang 322 đến trang 325
Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM với dạng hình xuyến, đảm bảo hiệu suất tối ưu trong các ứng dụng từ tính Lõi hoạt động dựa trên đặc tính từ hóa, với biến thiên từ thông ΔB đạt 0,3 Tesla và biến thiên cường độ từ H là 30 A/m Việc không có khe hở không khí giúp giảm tổn thất từ tính và nâng cao hiệu quả của thiết bị.
Tỷ số biến áp: thường m = 2 ÷ 3, chọn m = 3 Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Uđk = 5,0 (V) Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung:
Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Iđk = 0,4 (A)
Dòng điện sơ cấp biến áp xung:
15= 0,133 (A) (3.2) Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: àTB = B μ o ∆H = 0,3
1,25.10 −6 30 = 8 10 3 (H/m) (3.3) trong đó μ o = 1,25 10 −6 (H/m) là độ từ thẩm của không khí
Thể tích của lõi thép cần có:
Chọn mạch từ OA-28/40-10 có thể tích: V = Q.L = 0,6.10,7 = 6,42 (cm 3 )
Hình 3.5 Hình chiếu lõi biến áp xung
Với thể tích đó ta có kích thước mạch từ như sau: d = 28 mm; a = 6 mm; b = 10mm; D@mm; Q = 0,6 cm 3 = 60 mm 2 Chiều dài trung bình mạch từ: L = 10,7 (cm)
Số vòng dây quấn sơ cấp biến áp xung:
Theo định luật cảm ứng điện từ:
Số vòng dây thứ cấp:
Chọn mật độ dòng điện J1 = 6 (A/mm 2 )
Tiết diện dây quấn sơ cấp:
6 = 0,0222 (mm2) (3.7) Đường kính dây quấn sơ cấp: d1 = √ 4S 1 π = √ 4.0,0222 π = 0,168 (mm) (3.8)
Chọn mật độ dòng điện J2 = 4 (A/mm 2 )
Tiết diện dây quấn thứ cấp:
4 = 0,1 (mm2) (3.9) Đường kính dây quấn thứ cấp: d2 = √ 4S 2 π = √ 4.0,1 π = 0,357 (mm) (3.10)
Kiểm tra hệ số lấp đầy:
28 2 = 0,01 (3.11) Như vậy cửa sổ đủ diện tích cần thiết
3.2.2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng
Hình 3.6 Sơ đồ khâu khuếch đại có tụ nối tầng
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 và 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 = 175℃
+ Dòng điện làm việc của Colectơ : IC3 = I1= 133,3 (mA)
+ Dòng điện làm việc của Bazơ : IB3 = I C3 β = 133,3
Ta thấy rằng với loại Tiristo đã chọn có công suất điều khiển khá bé: Uđk
Dòng điện Iđk là 0,4A, và điện áp 5,0V cho thấy dòng Collectơ – Bázơ của Transistor Tr3 khá nhỏ Do đó, trong trường hợp này, có thể bỏ qua Transistor Tr2 mà vẫn đảm bảo đủ công suất điều khiển cho Transistor.
Chọn nguồn cấp cho máy biến áp xung: E = +18 V Với nguồn E = 18 V ta phải mắc thêm điện trở R10 nối tiếp với cực Emitơ của Tr3, R1:
Tất cả các điôt trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có tham số:
+ Dòng điện định mức : Iđm = 10 (A)
+ Điện áp ngược lớn nhất : UN = 25 (V)
+ Điện áp để cho điôt mở thông : Um = 1 (V)
Hình 3.7 Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm
Toàn bộ mạch điện phải dùng 6 cổng AND nên ta chọn hai IC 4081 họ CMOS Mỗi IC 4081 có 4 cổng AND, các thông số:
+ Nguồn nuôi IC: V cc = 3 ÷ 15 (V), ta chọn V cc = 15 (V)
+ Điện áp ứng với mức logic “1” : 2 ÷ 4,5 (V)
+ Công suất tiêu thụ : P = 2,5 (nW/1 cổng)
Hình 3.8 Sơ đồ chân IC 4081 họ CMOS 3.2.4 Chọn tụ C3 và R9 Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazơ của Tranzito Tr3, chọn R9 thỏa mãn điều kiện:
3.2.5 Tính chọn bộ tạo xung chùm
Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn 6
IC loại TL084 do hãng Texas Instruments chế tạo, các IC này có khuếch đại thuật toán
+ Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ± 18 (V) chọn Vcc = ± 15 (V) + Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : ± 30 (V)
+ Công suất tiêu thụ : P = 680 (mW) = 0,68 (W)
+ Tổng trở đầu vào : Rin = 10 6 (MΩ)
+ Dòng điện đầu ra : Ira = 30 (pA)
+ Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : 𝑑𝑢
Hình 3.9 Sơ đồ chân của TL084
Hình 3.10 Sơ đồ tạo chùm xung dùng IC logic
Mạch tạo chùm xung có tần số f = 1
2t x = (3kHz) hay chu kỳ của xung chùm:
Chọn tụ C2 = 0,1 àF cú điện ỏp U = 16 V ⇒ R6 = 2,385 (kΩ) Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch thì ta chọn R8 là biến trở 2,5 kΩ
3.2.6 Tính chọn tầng so sánh
Hình 3.11 Sơ đồ khâu so sánh
Với khuếch đại thuật toán đã cho loại TL084
Trong đó nếu nguồn nuôi của khuếch đại thuật toán Vcc = ± 15 V thì điện áp vào A3 là Uv ≈ 15 (V) Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1 (mA)
Do đó ta chọn R4 = R5 = 18 (kΩ) khi đó dòng vào A3:
3.2.7 Tính chọn khâu đồng pha
Hình 3.12 trình bày sơ đồ khâu đồng pha sử dụng khuếch đại thuật toán Điện áp tụ được tạo thành nhờ quá trình nạp của tụ C1, nhằm duy trì điện áp ổn định trong mạch Để đảm bảo điện áp tụ nằm trong một nửa chu kỳ điện áp lưới, hằng số thời gian nạp của mạch được tính bằng Tr = T r = R3.C1 = 0,005 giây, giúp tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Chọn tụ C1 = 0,1 (àF) thỡ điện trở R3 được tớnh bằng:
0,1.10 −6 = 50 10 3 (Ω) = 50 (kΩ) (3.18) Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch, R3 thường chọn là biến trở lớn hơn 50kΩ Chọn Tranzito Tr1 loại 2N3906 có các thông số:
+ Tranzito loại PNP, vật liệu bán dẫn là Si
+ Điện áp giữa Colectơ và Bazơ khi hở mạch Emitơ : UCBO = 40 (V)
+ Điện áp giữa Emitơ và Bazơ khi hở mạch Colectơ : UEBO = 5 V
+ Dòng điện lớn nhất ở Colectơ có thể chịu đựng : ICmax = 200 (mA) + Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : Tcp = 175℃
+ Dòng cực đại của Bazơ : IB = I C β = 200
Hình 3.13 Tranzito Tr1 2N3906 loại kiểu PNP Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào Bazơ Tranzito Tr1 được chọn như sau:
Chọn điện áp xoay chiều đồng pha là UA = 15V để đảm bảo tín hiệu ổn định Điện trở R1 được sử dụng để hạn chế dòng điện vào khuếch đại thuật toán A1, giúp bảo vệ và duy trì hoạt động chính xác của mạch Thường thì R1 được chọn sao cho dòng vào của khuếch đại thuật toán Iv nhỏ hơn 1 mA, đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu của bộ khuếch đại Với mục đích này, ta xác định giá trị R1 phù hợp dựa trên điện áp UA và dòng tối đa cho phép của khuếch đại, nhằm nâng cao độ bền và độ tin cậy của hệ thống.
Ta cần tạo ra nguồn nuôi điện áp ± 15(V) để cấp cho biến áp xung, nuôi
IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ
Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn nuôi ± 15V
2,34 = 6,4 (V) ⇒ Chọn U2 = 9 (V) (3.21) Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi, ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7815 và
7915, các thông số chung của vi mạch này:
+ Điện áp đầu vào: Uv = 7 ÷ 35 (V)
+ Điện áp đầu ra: Ura = +15 (V) với IC7815; Ura = -15 (V) với IC7915 + Dòng điện đầu ra: Ira = 0 ÷ 1(A)
Tụ điện C4, C5 dùng để lọc thành phần sống dài bậc cao
Ta chọn giỏ trị tụ C4 = C5 = C6 = C7 = 470 (àF); điện ỏp đầu vào vi mạch ổn áp U = 35V
3.2.9 Tính chọn máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha
Máy biến áp được thiết kế để tạo điện áp đồng pha và nguồn nuôi phù hợp trong hệ thống điện, với kiểu máy biến áp ba pha, ba trụ, mỗi trụ có ba cuộn dây bao gồm một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp Điện áp lấy ra từ cuộn thứ cấp của máy biến áp là điện áp đồng pha, U2 = U2dpha = UN = 15V, đảm bảo cung cấp nguồn ổn định cho hệ thống.
Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha: I2dpha = 1 (mA)
Công suất nguồn nuôi cấp cho biến áp xung:
Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL084 sử dụng làm khuếch đại thuật toán ta chọn hai IC TL084 để tạo 6 cổng AND:
PSlc = 6 PIC = 6 0,68 = 4,08 (W) (3.23) Công suất biến áp xung cấp cho cực điều khiển Tiristo:
Px = 6 Udk Idk = 6 5 0,4 = 12 (W) (3.24) Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi:
PN = Pdpha + PSlc + Px = 0,09 + 4,08 + 12 = 16,17 (W) (3.24) Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy:
S = 1,05 (Pdpha + PN) = 1,05 (0,09 + 16,17) ≈ 17,073 (VA) (3.25) Dòng điện thứ cấp máy biến áp:
Dòng điện sơ cấp máy biến áp:
Tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo công thức kinh nghiệm:
Trong đó: kQ = 6: hệ số phụ thuộc phương thức làm mát m = 3: số trụ của biến áp f = 50 Hz: tần số điện áp lưới
Chuẩn hóa tiết diện trụ theo phụ lục (7) giáo trình Điện tử công suất 1 của
Lê Văn Doanh về máy biến áp công suất nhỏ, ta chọn QT = 2,04 (cm 2 ) cùng các thông số sau:
Kích thước mạch từ lá thép dày δ = 0,5 mm
Số lượng lá thép: 85 lá; a = 12 mm; b = 20 mm; h = 30 mm
Hệ số ép chặt ke = 0,85
Hình 3.15 Kích thước mạch từ máy biến áp
Chọn mật độ từ cảm B = 1(T) ở trong trụ, ta có số vòng dây quấn sơ cấp:
Chọn mật độ dòng điện J1 = J2 = 2,75 (A/mm 2 )
Tiết diện dây quấn sơ cấp:
3.220.2,75 = 0,0094 (mm 2 ) (3.30) Đường kính dây quấn sơ cấp: d 1 = √ 4S 1 π = √ 4.0,0094 π = 0,1094 (mm) (3.31)
Chọn d1 = 0,12 mm để đảm bảo độ bền cơ Đường kính có kể cách điện d1cđ = 0,14 (mm)
Số vòng dây quấn thứ cấp:
Tiết diện dây quấn thứ cấp:
6.15.2,75 = 0,0689 (mm 2 ) (3.33) Đường kính dây quấn thứ cấp: d2 = √ 4.S 2 π = √ 4⋅0,0689 π = 0,2962 (mm) (3.34)
Chuẩn hóa đường kính: d2 = 0,3 (mm), đường kính có kể đến cách điện: d2cđ = 0,35 (mm)
Chọn hệ số lấp đầy klđ = 0,7 với: k ld = 2 π
Chọn chiều rộng cửa sổ c = 12 mm
3.2.10 Tính chọn điôt cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi
Dòng điện hiệu dụng qua điốt:
√2 = 0,1241 (A) (3.39) Điện áp ngược lớn nhất mà điốt phải chịu:
Chọn điốt có dòng định mức:
Idm ≥ Ki IDdm = 10.0,1241 = 1,241 (A) (3.41) Chọn điôt có điện áp ngược lớn nhất:
UN = kU UNmax = 2.36,7423 = 74,4847 (V) (3.42) Chọn điốt loại KП208A có các thông số sau:
Dòng điện định mức : Iđm = 1,5 (A) Điện áp ngược cực đại của điốt : UN = 100 (V).
MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
Giới thiệu phần mềm mô phỏng Psim
PSIM (Power Simulation) là phần mềm chuyên dụng để mô phỏng các hệ thống điện tử công suất, hệ thống điều khiển động cơ, hệ thống truyền động điện và mạch điện, được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu, giảng dạy và thiết kế thực tế Chương trình thiết kế mạch của PSIM có tính tương tác cao, kết hợp giữa giao diện thư mục và phần mềm soạn thảo mạch, giúp người dùng dễ dàng tạo và chỉnh sửa các sơ đồ mạch điện Các phần tử của mạch được tổ chức trong menu Elements và chia thành bốn nhóm chính: phần tử linh kiện công suất (Power), phần tử mạch điều khiển (Control), phần tử nguồn (Sources) và các phần tử khác (Other), giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế và mô phỏng mạch điện.
PSIM bao gồm 3 chương trình:
- PSIM Schematic: chương trình thiết kế mạch
- PSIM Simulator: chương trình mô phỏng
- PSIM VIEW: chương trình hiển thị đồ thị sau khi mô phỏng
PSIM biểu diễn một mạch điện trên 4 khối:
Biểu diễn một mạch điện trên PSIM
- Power circuit: Mạch động lực
- Control circuit: Mạch điều khiển
- Switch controllers: Bộ điều khiển chuyển mạch
Mạch động lực bao gồm các van bán dẫn công suất, các phần tử RLC, máy biến áp lực và cuộn cảm san bằng
Mạch điều khiển được thể hiện qua sơ đồ khối, gồm các phần tử trong miền S và miền Z, các phần tử logic như cổng logic và flip-flop, cùng các phần tử phi tuyến như bộ chia Các cảm biến đo giá trị điện áp, dòng điện trong mạch lực để truyền tín hiệu về mạch điều khiển Mạch điều khiển sau đó phát các tín hiệu tới bộ điều khiển chuyển mạch, nhằm điều khiển quá trình đóng cắt các van bán dẫn trong mạch lực một cách chính xác và hiệu quả.
Mô phỏng bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha
Dựa trên các thông số đã tính toán ở Chương 2 và Chương 3, cùng với sơ đồ mạch động lực và mạch điều khiển đã trình bày, ta có mạch điện mô phỏng chính xác hệ thống cần thiết để đảm bảo hoạt động hiệu quả của thiết bị.
Sơ đồ mạch động lực
Sơ đồ mạch điều khiển một kênh Tiristo
Giản đồ điện áp một kênh điều khiển
Giản đồ xung điều khiển sáu van Tiristo
- Sơ đồ mạch được thiết kế đúng nguyên lý hoạt động, có sự tinh chỉnh, rút ngọn
- Các linh kiện được sử dụng đúng với giá trị tính toán
- Kết quả mô phỏng đúng với kết quả tính toán, đúng với nguyên lý vận hành
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Trong quá trình thực hiện đồ án này, chúng em đã hoàn thành các nhiệm vụ sau:
- Khám phá và nắm vững các phần mềm mô phỏng Psim: Đã tìm hiểu kỹ lưỡng và sử dụng thành thạo phần mềm này
Nghiên cứu đã đi vào phân tích chi tiết về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha Các mạch này hoạt động dựa trên nguyên lý điều chỉnh điện áp đầu ra phù hợp với yêu cầu của hệ thống, đảm bảo hiệu suất và độ ổn định cao Hiểu rõ cấu tạo giúp tối ưu hóa thiết kế và nâng cao hiệu quả vận hành của thiết bị điện ba pha.
- Giới thiệu các phương pháp điều khiển mạch điều áp xoay chiều ba pha: Đưa ra các phương pháp điều khiển phù hợp
- Thiết kế các mạch lực và mạch điều khiển: Hoàn thành việc thiết kế các mạch này
- Mô phỏng mạch điều khiển bằng phần mềm PSIM: Đã thực hiện mô phỏng và phân tích kết quả
Những khó khăn và hạn chế gặp phải:
- Chưa đi sâu vào chi tiết cấu tạo và đặc tính của động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha
- Có thể có sai số trong quá trình tính toán do việc lấy mẫu số liệu
- Thiết kế bộ khởi động mềm chỉ dừng lại ở mức mô phỏng, chưa tiến hành thiết kế phần cứng
Hướng phát triển trong tương lai:
- Tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện đề tài này
- Ứng dụng đề tài vào học tập, giúp sinh viên nắm bắt và hiểu rõ hơn về việc mô phỏng mạch điện tử công suất
- Hỗ trợ cho các môn học tiếp theo, nghiên cứu khoa học và các đồ án tốt nghiệp
Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và hỗ trợ tận tình của TS Bùi Văn Huy trong suốt quá trình thực hiện đồ án này.
