Thiết kế mạch điều khiển cho động cơ điện một chiều

Luận văn, khóa luận tốt nghiệp, báo cáo là sản phẩm kiến thức, là công trình khoa học đầu tay của sinh viên, đúc kết những kiến thức của cả quá trình nghiên cứu và học tập một chuyên đề, chuyên ngành cụ thể. Tổng hợp các đồ án, khóa luận, tiểu luận, chuyên đề và luận văn tốt nghiệp đại học về các chuyên ngành: Kinh tế, Tài Chính & Ngân Hàng, Công nghệ thông tin, Khoa học kỹ thuật, Khoa học xã hội, Y dược, Nông - Lâm - Ngữ... dành cho sinh viên tham khảo. Kho đề tài hay và mới lạ giúp sinh viên chuyên ngành định hướng và lựa chọn cho mình một đề tài phù hợp, thực hiện viết báo cáo luận văn và bảo vệ thành công đồ án của mình.

Thiết kế mạch điều khiển cho động cơ điện một chiều

I Giới thiệu chung

Như ta đó biết, để cho cỏc van mở tại những thời điểm mong muốn ta cầnphải cú cỏc mạch điện phỏt ra cỏc xung điều khiển đưa đến mở cỏc tiristo tại cỏc.Xung điều khiển phải đỏp ứng đủ cỏc yờu cầu như: biờn độ , cụng suất và thờigian tồn tại để mở chắc chắn cỏc van với mọi loại tải mà sơ đồ gặp phải khi làmviệc thụng thường đối với cỏc bộ chỉnh lưu thỡ độ rộng xung nằm trong khoảng

từ (200 - 600 ) s là đảm bảo mở chắc cắn cỏc tiristo mạch điện phỏt ra cỏc xungnhư vậy gọi là mạch điều khiển

Hiện nay cỏc hệ thống phỏt xung điều khiển được chia làm hai nhúm:

+ Nhúm cỏc hệ thống điều khiển đồng bộ: là nhúm mà cỏc hệ thống điềukhiển đưa ra cỏc xung xuất hiện trờn cực điều khiển của cỏc Tiristo đỳng thờiđiểm cần mở và lặp đi lặp lại với chu kỡ thường bằng chu kỡ nguồn xoay chiềucấp cho bộ chỉnh lưu ( ngoài ra trong một số trường hợp chu kỡ xung cú thể bằng1/2 chu kỡ nguồn)

Nhúm hệ thống này được sử dụng rất phổ biến

+ Nhúm cỏc hệ thống điều khiển khụng đồng bộ: nhúm này tạo ra cỏc chuỗixung điều khiển với tần số thường cao hơn nhiều tần số nuồn cung cấp và trongquỏ trỡnh làm việc tần số xung được tự động thay đổi để đảm bảo một lượng ranào đú (Ud , Id ) khụng thay đổi Để đạt được điều này thỡ tần số xung phải đượckhống chế theo sai lệch giữ tớn hiệu đặt và tớn hiệu ra của đại lượng cần ổn định.Cỏc hệ thống điều khiển theo nguyờn tắc này khỏ phức tạp nờn ớt được dựng, ởđõy ta chỉ nghiờn cứu hệ thống thứ nhất

II Thiết kế mạch phỏt xung

1 Lựa chọn phương phỏp phỏt xung

Cỏc hệ thống điều khiển đồng bộ hiện nay thường sử dụng ba phương phỏpphỏt xung chớnh là:

+ Phỏt xung điều khiển theo pha đứng

+ Phỏt xung điều khiển theo pha ngang

+ Phỏt xung điều khiển sử dụng điốt hai cực gốc

a Phương phỏp phỏt xung điều khiển theo nguyờn tắc pha đứng

Hệ thống này tạo ra cỏc xung điều khiển nhờ việc so sỏnh giữa tớn hiệuđiện ỏp tựa hỡnh răng cưa thay đổi theo chu kỡ điện ỏp lưới và cú thời điểm xuấthiện phự hợp gúc pha của lưới với điện ỏp điều khiển một chiều thay đổi được

Hệ thống này cú nhược điểm là khỏ phức tạp, song nú cú những ưu điểm nổi bậtnhư: khoảng điều chỉnh gúc mở  rộng , ớt phụ thuộc vào sự thay đổi của điện ỏpnguồn, dễ tự động hoỏ, mỗi chu kỡ của điện ỏp anốt của tiristo chỉ cú một xungđược đưa đến mở nờn giảm tổn thất trong mạch điều khiển Do đú hệ thống nàyđược sử dung rộng rói

b Phương phỏp phỏt xung điều khiển theo pha ngang

Ở phương phỏp này người ta tạo ra điện ỏp điều khiển hỡnh sin cú tần số bằngtần số nguồn và gúc pha điều khiển được ( dựng cỏc cầu R- C hoặc cầu R - L ) Thời điểm xuất hiện xung trựng với gúc pha đầu của điện ỏp điều khiển Phương

đổi của dang điện ỏp nguồn, khú tổng hợp nhiều tớn hiệu điều khiển do vậythường ớt được sử dụng.

c Phương phỏp phỏt xung điều khiển sử dụng điốt hai cực gốc ( UJT )

Phương phỏp này cũng tạo ra cỏc xung nhờ việc so sỏnh giữa điện ỏp răngcưa xuất hiện theo chu kỡ nguồn xoay chiều với điện ỏp mở của UJT Phươngphỏp này mặc dự đơn giản nhưng cú nhược điểm là gúc mở  cú phạm vi điềuchỉnh hẹp vỡ ngưỡng mở của UJT phụ thuộc vào điện ỏp nguồn nuụi Mặt khỏc,trong một chu kỡ điện ỏp lưới mạch thường đưa ra nhiều xung điều khiển nờn gõytổn thất phụ trong mạch điều khiển

d Chọn phương phỏp điều khiển

Qua những phõn tớch ở trờn ta thấy rằng với yờu cầu cụng nghệ của truyềnđộng là khoảng điều chỉnh rất rộng, độ sụt tốc độ nhỏ nờn phải sử dụng cỏc phảnhồi - tức là cần phải tổng hợp nhiều tớn hiệu điều khiển Do vậy, phương phỏpđiều khiển theo nguyờn tắc pha đứng là phự hợp hơn cả, ta chọn phương phỏp này

2 Sơ đồ khối mạch điều khiển theo pha đứng

Khối 1: khối đồng bộ hoỏ và phỏt súng răng cưa Khối này cú nhiệm vụ lấytớn hiệu đồng bộ hoỏ và phỏt ra súng điện ỏp hỡnh răng cưa để đưa vào khối sosỏnh.

Khối 2: khối so sỏnh, cú nhiệm vụ so sỏnh giữa tớn hiệu điện ỏp tựa hỡnhrăng cưa với điện ỏp điều khiển Uđk để phỏt ra tớn hiệu xung điện ỏp đưa tới mạchtạo xung

Khối 3: khối tạo xung, cú nhiệm vụ tạo ra cỏc xung điều khiển đưa tới chõnđiều khiển của Tiristo

a Mạch đồng bộ hoỏ

Để thực hiện chức năng đồng bộ hoỏ, ta cú thể sử dụng mạch phõn ỏp bằngđiện trở hay kết hợp giữa điện trở và điện dung, điện cảm.Tuy nhiờn, phương phỏpnày cú nhược điểm là khụng cỏch ly được điện ỏp cao giữa mạch điều khiển vớimạch động lực, do vậy phương phỏp này ớt được dựng

Phương phỏp phổ biến hiện nay là sử dụng mỏy biến ỏp đồng bộ trong đúcuộn sơ cấp nối vào lưới cũn cuộn thứ cấp là điện ỏp đồng bộ Gúc lệch pha giữacuộn sơ và cuộn thứ được tớnh toỏn sao cho gúc pha của Uđb phự hợp với thờiđiểm mở tự nhiờn của cỏc Tiristo

Với sơ đồ chỉnh lưu hỡnh tia ba pha ta cú thể dựng một mỏy biến ỏp đấu Y

- YO để thực hiện chức năng này Sơ đồ đấu dõy như hỡnh vẽ:

Điện ỏp đồng bộ được dịch chậm đi một gúc 300 điện bởi mạch tụ điện và điện trở

ỏp đồng bộ hoỏ ) đến vị trớ mà Urc + Uđk = 0 Do đú việc dịch pha điện ỏp đồng bộ

r1 r2

c1

udba1

hoỏ Uđb chậm đi gúc 300 sẽ làm thoả món khi gúc điều khiển  = 0 cũng ứng vớigúc mở tự nhiờn của cỏc Tiristor

b Mạch tạo điện ỏp răng cưa

Để tạo ra điện ỏp răng cưa cú nhiều sơ đồ, ở đõy em dựng mạch tạo điện ỏp răngcưa dựng IC khuếch đại thuật toỏn

c2

wr1

r5 r4

r3 r2

Nếu IC là lý tưởng thỡ iv = 0 nờn ic= -iC2 mà iC2

const R

Nờn iC2= const và điện ỏp trờn tụ tuyến tớnh

- Ở nửa chu kỳ õm, D khoỏ Tr mở nhờ cặp điện trở định thiờn R3 ,R4; tụ C2

phúng điện qua Tr1 Điện ỏp trờn tụ giảm về 0

Giản đồ điện ỏp như hỡnh vẽ:

7

Nhận xột:

Sơ đồ này cú ưu điểm là dạng điện ỏp tựa rất chớnh xỏc , dung lượng của tụ

C cần rất nhỏ nờn khụng cần điện trở bảo vệ Tr Mặt khỏc, do điện trở đầu ra của

IC nhỏ nờn dạng điện ỏp ra hầu như khụng phụ thuộc vào điện trở tải mắc ở đầu racủa IC Điện ỏp ra cú dạng gần lý tưởng

c Mạch so sỏnh

Việc so sỏnh điện ỏp răng cưa và điện ỏp điều khiển cú thể thực hiện bằngTranrito hay vi mạch điện tử Việc ghộp nối cỏc tớn hiệu cú thể là nối tiếp haysong song miễn là đảm bảo tớn hiệu răng cưa và tớn hiệu điều khiển cú tỏc dụngngược chiều nhau Phương phỏp so sỏnh nối tiếp cú ưu điểm là chớnh xỏc nhưngkhi tớn hiệu răng cưa cú dạng xoay chiều thỡ việc so sỏnh gặp nhiều khú khăn

Do đú ta chỉ nghiờn cứu phương phỏp so sỏnh song song

*

d6

d7

Như vậy điện ỏp ra của mạch so sỏnh là dạng xung cú hai mức bóo hoà dương và

õm Cỏc xung điện ỏp này được đưa tới đầu vào của khõu tạo xung

d Khõu tạo xung

Để đảm bảo độ chớnh xỏc của thời điểm xuất hiện xung và tớnh đối xứngcủa cỏc xung ở cỏc kờnh khỏc nhau, khõu so sỏnh thường cho cụng suất xung ranhỏ nú chưa đảm bảo cỏc thụng số yờu cầu vỡ vậy cần cú mạch tạo xung Mạchtạo xung gồm nhiều khõu như: truyền xung, khuyếch đại xung , sửa xung

+ Mạch truyền xung

Để truyền xung điều khiển đến cỏc chõn điều khiển của cỏc tiristo tốt nhất

là dung biến ỏp xung, vừa cú thể cỏch ly giữa mạch động lực với mạch điềukhiển ,vừa cú thể đồng thời đưa nhiều xung đến mở cỏc Tiristor nối tiếp hay songsong

+ Mạch khuyếch đại xung

+urc

Để khuyếch đại ta cú thể dựng Tranrito hay Tiristor Cỏc mạch dựng Tiristorthường được dựng trong những trường hợp cú đũi hỏi cụng suất xung điều khiểnlớn và thời gian tồn tại xung dài, trường hợp này thường ớt gặp

Trong thực tế người ta thường dựng Tranrito , để giảm sự phức tạp của tầngkhuếch đại trong nhiều trường hợp người ta thường dựng hai Tranrito mắc theokiểu Dalinton Hai Tranrito mắc nối tiếp tương đương với một Tranrito cú hệ sốkhuyếch đại dũng là  = 1.2

Trong đú : 1,2 là hệ số khuyếch đại của Tr4, Tr5

+ Khối sửa xung

Do tớnh chất của khõu so sỏnh mà độ dài xung thường thay đổi theo gúc mở

 Do đú ta phải cú mạch sửa xung để đảm bảo độ rộng xung ra đủ mức cần thiết

Sơ đồ mạch sửa xung như hỡnh vẽ ( gồm: C, R, D) Để thuận tiện cho việckhảo sỏt sơ đồ , ở đõy cú ghộp thờm phần mạch so sỏnh

KĐTT IC2 làm việc ở chế độ bóo hoà

+ Khi điện ỏp đầu ra khõu so sỏnh cú giỏ trị dương, tụ C3 sẽ được nạp từđầu ra của IC2 +C3 - C3 R8 TR2 mỏt

TR2 mở dẫn đến Ura=0 Tụ C3 nạp đầy thỡ TR2 vẫn mở nhờ điện trở địnhthiờn R7

+ Khi điện ỏp đầu ra IC cú giỏ trị õm , tụ C3 sẽ phúng +C3 IC2 D4

- C3 TR2 mở ra, Ura=0

tớn hiệu điều khiển trờn cỏc van của sơ đồ chỉnh lưu ,người ta thường sử dụngmột mạch đồng bộ hoỏ - phỏt súng răng cưa chung và khõu so sỏnh chung Xung

ra khõu so sỏnh cú tần số gấp n lần tần số nguồn ( n là số van chỉnh lưu cần đượccấp tớn hiệu điều khiển từ hệ thống phỏp xung này )

Trong sơ đồ hỡnh tia ba pha ta sử dụng 3 hệ thống phỏt xung điều khiển riờng biệtnờn khụng cần cú mạch chia xung

e Một số mạch khỏc

+ Mạch tạo nguồn nuụi

Do trong mạch cú sử dụng cỏc vi mạch khuyếch đại thuật toỏn, ta cần phải

sử dụng hai nguồn nuụi ngược đấu nối tiếp nhau và cú điểm chung là điểm nốimỏt Ta thiết kế mạch này như sau:

Điện ỏp xoay chiều được chỉnh lưu nhờ hai sơ đồ chỉnh lưu hỡnh tia, điện

ỏp ra được ổn định nhờ cỏc vi mạch ổn ỏp(7815 và 7915) và được lọc bởi cỏc tụ Cđưa ra hai nguồn +15V và -15V cú điểm chung là điểm 0 của biến ỏp Hai nguồnnày sẽ nuụi cho cỏc vi mạch và làm nguồn điện ỏp ngưỡng

Sở dĩ phải cú nguồn -24V là do cụng suất của cỏc vi mạch hạn chế, nếu sửdụng cho mạch khuyếch đại xung đũi hỏi cụng suất lớn thỡ cỏc vi mạch ổn ỏp sẽ

bị quỏ nhiệt Do đú nguồn nuụi cho mạch khuyếch đại xung được lấy ở trước cỏc

vi mạch ổn ỏp Nguồn này cần cú điện ỏp lớn để khi điện ỏp lưới dao động vẫnđảm bảo điện ỏp ra của BAX đủ mở chắc chắn cỏc tiristo Mặt khỏc, điện ỏp lướilớn khiến cho ta chỉ cần chọn cỏc Tranrito khuyếch đại cụng suất cú dũng nhỏ

+ Khối tạo điện ỏp chủ đạo

Khối tạo điện ỏp chủ đạo chỉ yờu cầu cụng suất nhỏ nờn ta lấy trực tiếp từnguồn +15V và -15V "Đảo chiều điện ỏp chủ đạo nhờ cặp tiếp điểm T - N

Mạch khuếch đại trung gian

r20 c6

r22 r21

r23

wr3

r18

d8,9 +u cc

tốc độ lờn tốc độ định mức Khi ĐC tăng tốc thỡ  n tăng, vậy UvIC3 = (Ucđ -  n)giảm  đầu ra IC3 giảm õm thụng qua một lần đảo tớn hiệu nữa thỡ Uđk sẽ giảmdương làm cho gúc điều khiển  tăng  Uđ giảm  ĐCsẽ giảm tốc độ.

Phần IV Tớnh chọn thiết bị

I í nghĩa của việc tớnh chọn thiết bị

Việc tớnh chọn thiết bị cú một ý nghĩa rất quan trọng cả về mặt kỹ thuật vàkinh tế Việc tớnh chọn càng chớnh xỏc, tỉ mỉ bao nhiờu thỡ hệ thống làm việccàng an toàn bấy nhiờu Hơn nữa, việc tớnh chọn thiết bị chớnh xỏc cũn nõng caođược hiệu suất của hệ thống Nếu tớnh chọn thiếu chớnh xỏc thỡ hệ thống cú thểlàm việc kộm chất lượng hoặc khụng làm việc được Vỡ vậy việc tớnh chọn thiết

bị phải đỏp ứng được cỏc yờu cầu sau:

+ Về mặt kỹ thuật phải đảm bảo yờu cõu cụng nghệ và cỏc thụng số phựhợp với thiết bị

+ Về mặt kinh tế, cỏc thiết bị được chọn trong khi thoả món cỏc yờu cầu kỹthuật phải đảm bảo cú chi phớ mua sắm hợp lý

Iđm(v/ph)

nđm(%)

Hệ số khuyếch đại của động cơ được tớnh:

u u u

D

R I U

n K







)(

693,7795.0.4,25220

+ KR là hệ số kể tới sụt ỏp trờn điện trở thuần của MBA, trờn điệncảm cuộn day thứ cấp MBA, do chuyển mạch, sụt ỏp trờn dõy nối vàcuộn khỏng, trờn cỏc van KR thường được chọn : KR = 1,151,25

Ta chọn : KR = 1,15

+ K là hệ số kể tới gúc điều khiển nhỏ nhất (min) nhằm đảm bảochắc chắn hệ thống khụng rơi vào trạng thỏi lật nhào nghịch lưu, tachọn :

+ Ka là hệ số phụ thuộc sơ đồ chỉnh lưu

6 3 U



= 63

= 14,6647(A)

Dựa vào cỏc số liệu đó tớnh được ở trờn ta chọn mỏy biến ỏp cú cỏc số liệu sau:

Tristo được chọn theo hai điều kiện chủ yếu sau:

+ Điều kiện về dũng điện: ITtb  Ki ITtbmax

+ Điều kiện về điện ỏp : Ungmax  Ku 6.U2

a Chọn theo điều kiện dũng điện : ITtb  Ki ITtbmax

Trong đú:

Ki : là hệ số dự trữ dũng điện, ta lấy Ki = 3

ITtbmax = Iđm / 3=25,4/3

Như vậy ta cú: ITtb  8.4667

b Chọn theo điều kiện điện ỏp

Sơ đồ mạch chỉnh lưu của ta là hỡnh tia do đú điện ỏp mà cỏc van phải chịu

là điện ỏp dõy cú giỏ trị bằng 3U2f

di/dt(A/s)

4.Tớnh chọn cuộn khỏng san bằng

Cuộn khỏng san bằng cú tỏc dụng lọc thành phần xoay chiều của dũngđiện

U12: Thành phần súng hài bậc cơ bản của điện ỏp chỉnh lưu

m: Số pha của điện ỏp nguồn m=3

=2f=314 rad/s là tần số gúc của song hài cơ bản

Io=5%Iđm=0.05*25,4=1,27(A) là dũng khụng tải lý tưởng

Lư= 0.0329(H) là điện cảm của mạch phần ứng

Lck là điện cảm cuộn khỏng san bằng

t d t t

1]

coscos

.

3

2

=0,2063(H)Lck=L - Lư =0,2063-0.0329=0,1734(H)

Udm

 795 , 0 220

Về mặt kỹ thuật để đảm bảo an toàn cho động cơ thỡ chọn Rh nằm trong vựng chophộp Ihbđ=(22,5Iđm) chọn Ihbđ=2,2Iđm=2,2.25,4=55,88(A)

Rh=

Ih

220

-0,795=3,142(

6 Tớnh chọn thiết bị bảo vệ Tiristor :

Ta biết rằng cỏc Tiristo là phần tử rất nhạy với sự biến thiờn đột ngột củađiện ỏp hay dũng điện , đặc trưng cho những hiện tượng này là gia tốc dũng điện

+ Quỏ gia tốc dũng, ỏp do cộng hưởng

+ Quỏ gia tốc dũng, ỏp do cắt MBA ở chế độ khụng tải hay tải nhỏ

Để bảo vệ an toàn cho cỏc van trước những tỏc nhõn trờn ta dựng cỏc phần tử

R – C mắc song song với cỏc Tiristo như hỡnh vẽ :

Trị số của R , C cú thể tra theo đường cong được

Ungmax=1000(V) Điện ỏp ngược lớn nhất qua van

Vậy:C=10 24,1126/1000=0,241126(F)

R=10.1000/10=1000()

7.Chọn ỏptụmỏt bảo vệ quỏ tải và ngắn mạch cho mạch động lực

Chọn theo điều kiện:

Chọn ATM cú thụng số như sau:

Vỡ mỏy phỏt nối cứng trục với động cơ mà chỳng khụng cựng tốc độ nờnchỳng thụng qua hộp tốc độ tỉ số truyền từ động cơ tới mỏy phỏt tốc là:

Điện ỏp phản hồi lấy ra là 12V từ đú ta chọn R = 47 K

Vỡ điện ỏp đầu vào KĐTT của mạch KĐTG =0 nờn Ucđ-n=0 do đú hệ sốphản hồi tốc độ  được tớnh:  Ucđ/n

2 Tớnh chọn R phõn ỏp

®c i ft n

r2 r1

r20 c6

r22 r21

Udm

=

1000

34 , 7 5 , 0

Thể tớch lừi sắt từ:

Với Q là tiết diện lừi sắt

I2' là dũng thứ cấp quy đổi sang sơ cấp Chọn V = 16,35 cm3 ta sẽ được cỏc kớch thước ( Theo bảng II 2 Điện tử cụngsuất)

Q = 163 cm2 , l = 10,03cm , a = 1,2 cm , h = 3 cm

c = 1,2 cm, e = 4,8 cm , H = 4,2 cm , B = 1,6 cm , P = 7 w+ Số vũng cuộn sơ cấp BAX:

B Q KW

x 1

1

4 4



W1=166 (vũng)

K = 0,76 là hệ số lấp đầy+ Số vũng cuộn thứ cấp BAX:

W2 = W1/ 3 = 56 (vũng)

3,Tớnh chọn khõu tạo điện ỏp đồng bộ :

Chọn biến ỏp đồng bộ là biến ỏp đấu / Y0 ; điện ỏp pha thứ cấp:

Uf 2đm = 24 VTrờn biến ỏp đồng bộ cũng đặt luụn cỏc cuộn dõy tạo điện ỏp nguồn nuụi cho mạch điều khiển Ta biết cụng suất mỗi BAX là 7 W , cú 6 BAX sử dụng cụngsuất của nguồn nuụi ; đồng thời cũng tớnh dến cụng suất nuụi cho cỏc khối khỏc như khuyếch đại , so sỏnh , phản hồi Như vậy sơ bộ chọn cụng suất của biến ỏp

H h c a

C

đồng bộ là 100 (VA) Điện ỏp ra thứ cấp là: U2f đm = 24 V Chọn cỏc tụ lọc C1 

C7 là 2000 F , 30 V

4, Tớnh chọn mạch tạo điện ỏp răng cưa

Ta chọn khuếch đại thuật toỏn là loại TL084 với cỏc thụng số như sau:Điện ỏp nuụi  18 V; hiệu điện thế giữa cổng đảo và cổng khụng đảo là

30Vnhiệt độ làm việc từ 250C đến850C Mỗi chiếc TL084 được bao gúi và móhoỏ như hỡnh vẽ :

Điện ỏp ra bóo hoà của KĐTT cú thể lấy là:

urBH = UCC- 2V

Ta nuụi KĐTT bằng nguồn 15V, để cho điện ỏp răng cưa được chớnh xỏc thỡ

+

+

+

+

14 13 12 11 10 9 8

1 2 3 4 5 6 7

+U

CC

- U

CC