Thiết kế hệ thống truyền động van - động cơ một chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay

PHẦN 1 PHÂN TÍCH LỰACHỌN PHƯƠNG ÁN TĐĐ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG• Tóm tắt nội dung phần 1 - Mục đích: Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật,đòi hỏi các hệ thống TĐĐ phải có độ chí

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc xây dựng và phát triển đất nước ta đang bước vào thời kỳ công nghiệp hoá - hiện đại hoá với những thành tựu đã đạt được cũng như những khó khăn thách thức đang đặt ra Điều này đặt ra cho thế hệ trẻ nói chung và những kỹ sư “Nghành tự động hoá XNCN” nói riêng nhiệm vụ hết sức quan trọng Đất nước đang cần một đội ngũ lao động có trí thức cũng như lòng nhiệt huyết để phục vụ và phát triển đất nước

Sự phát triển nhanh chóng của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung

và trong lĩnh vực điện - điện tử nói riêng làm cho bộ mặt của xã hội thay đổi từng ngày Trong hoàn cảnh đó, để đáp ứng được những điều kiện thực tiễn của sản xuất đòi hỏi những người kĩ sư điện tương lai phải được trang bị những kiến thức chuyên nghành một cách sâu rộng

Em đã được giao cho làm đồ án môn học với nội dung đề tài “ Thiết kế hệ thống truyền động van - động cơ một chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay”

Bản đồ án bao gồm 6 phần :

 Phần I : Phân tích lựa chọn phương án TĐĐ và xây dựng hệ thống

 Phần II : Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống

 Phần III : Tổng hợp hệ thống

 Phần IV : Tính chọn các thiết bị

 Phần V : Khảo sát chất lượng hệ thống

 Phần VI: Thuyết minh sơ đồ nguyên lý

Sau một thời gian liên tục được sự hưóng dẫn tận tình của thầy giáo hướng

dẫn và các thầy cô trong bộ môn, sự đoàn kết giúp đỡ của các bạn trong lớp.Đến

nay bản bản thiết kế của em đã hoàn thành

Qua đồ án em muốn gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong bộ môn đã tận tình hướng dẫn để em hoàn thành bản thiết kế này.Đồng thời em muốn gửi lời cảm ơn

sâu sắc tới thầy giáo TS.Võ Quang Vinh, người đã trực tiếp ra đề tài và hướng dẫn

em trong suốt thời gian qua

Mặc dù được sự chỉ đạo sát cao của thầy giáo hướng dẫn hết sức nỗ lực cố gắng.Xong vì kiến thức còn hạn chế,điều kiện tiếp xúc thực thế chưa nhiều.Nên bản thiết kế không tránh khỏi những thiếu sót nhất định.Em mong tiếp tục được sự chỉ bảo của các quý thầy cô, sự góp ý chân thành của các bạn

Em xin chân thành cảm ơn !

PHẦN 1 PHÂN TÍCH LỰACHỌN PHƯƠNG ÁN TĐĐ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

• Tóm tắt nội dung phần 1

- Mục đích:

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật,đòi hỏi các hệ thống TĐĐ phải có độ chính xác cao,do đó chúng ta phải đưa ra các

phương án TĐĐ,sau đó phân tích và lưụ chọn để đưa ra được các phương

án tối ưu nhất và từ các phương án trên ta xây dựng sơ đồ cấu trúc của hệ thống

- Nội dung chính của phần I

I.1 Chọn phương án truyền động điện

I.1.1 Phân tích lựa chọn động cơ 1 chiều

I.1.2 Chọn phương án điều chỉnh tốc độ

I.1.2 Phân tích chọn phương pháp hãm dừng động cơ

I.1.3 Phân tích chọn bộ biến đổi chỉnh lưu

I.1.4 Mạch phản hồi

I.1.5 Máy phát tốc

I.1.6 Bộ khuếch đại tín hiệu trung gian

I.2 Xây dựng cấu trúc hệ thống

I.2.1 Sơ đồ hệ thống điều tốc 2 mạch vòng tốc độ quay và dòng điện.I.2.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều chỉnh tốc độ 2 mạch vòng âm tốc

độ và âm dòng điện

• Kết luận chung

Sau đây ta đi phân tích cụ thể như sau

I.1 CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

- Việc lựa chọn phương án truyền động có ý nghĩa hết sức quan trọng trong thiết kế

nó ảnh hưởng trực tiếp đến dây chuyền sản xuất chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế

- Ở phần này ta lựa chọn các phương án truyền động điện sau:

Động cơ điện 1 chiều

I.1.1 PHÂN TÍCH CHỌN ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU

Để thiết kế hệ truyền động phù hợp với yêu cầu người ta đưa ra nhiều phương

án khác nhau, rồi sau đó sánh các phương án trên phương diện kinh tế và kỹ thuật

để chọn ra phương án tối ưu nhất

Đây là động cơ sử dụng năng lượng điện 1 chiều.Gồm động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập,kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp

Với động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp là lọai đông cơ có kết cấu phức tạp,giá thành cao nên ta loại bỏ vì không phù hợp chỉ tiêu kinh tế

I.1.1.1 Động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp

Sơ đồ nguyên lý

GVHD:TS.Võ Quang Vinh SVTH: Hoàng Văn Tuyên4

Do vậy, động cơ này không phù hợp với yêu cầu

I.1.1.2 Động cơ 1 chiều kích từ độc lập

Do mạch kích từ nằm độc lập với mạch phần ứng nên từ thông kích từ

Φ = const khi tải thay đổi

R MKu

2

Vì Φ = const nên quan hệ ω(M) là quan hệ đường thẳng Độ cứng đặc tính cơ:

_ +

Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Nhận xét: Loại động cơ này cho phép quá tải lớn, dải điều chỉnh rộng và dễ điều chỉnh Từ phương trình đặc tính cơ cho thấy loại động cơ này có thể điều chỉnh tốc độ tới 3 cách là điêù chỉnh Uư, Rf, và ik

I.1.1.3 Nhận xét chung:

Từ những phân tích trên cho thấy rằng để đáp ứng các chỉ tiêu: S, ϕ, D, Mc,

∆n% mà yêu cầu của hệ thống đã đặt ra, ta chọn loại động cơ một chiều kích từ độc lập làm động cơ truyền động cho hệ thống

I.1.2 CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ

Trong thực tế đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập thường có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ như sau

 Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng

 Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng

ω

R+RK

U

=

2 m

®

f m

®

®

Φ

Φ

RR

)K

I.1.2.2 Thay đổi điện áp cấp cho mạch phần ứng

a) Sơ đồ nguyên lý tổng quát

E

2 m dm

b

Φ

Φ

Với RΣ=Rư+Rb

c) Dạng đặc tính cơ

Khi thay đổi điện áp mạch phần ứng

động cơ ta được một họ đặc tính cơ

song song với nhau như hình vẽ

GVHD:TS.Võ Quang Vinh SVTH: Hoàng Văn Tuyên8

Khả năng quá tải lớn và tổn thất năng lượng nhỏ

Phương pháp điều chỉnh điện áp mạch phần ứng là phương pháp triệt để kể cả khi không tải lý tưỡng và điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào

I.1.2.3 Thay đổi từ thông kích từ

RK

Tốc độ không tải lý tưỡng : = var

Φ ω

R

) K ( Φx 2

Ở đặc tính cơ điện : Inm =

R

U®m = const

Nhưng nếu giảm từ thông φ quá nhiều vì khi giảm φ do quán tính tốc độ ω sẽ thay đổi chậm hơn so với từ thông φ nên E = Kφ.ω giảm → Iư tăng lên → M =

Kφ.Iư tăng lên

GVHD:TS.Võ Quang Vinh SVTH: Hoàng Văn Tuyên10

Mặt khác khi φ giảm quá nhiều thì Iư tăng quá lớn gây nên sụt áp trong mạch phần ứng tăng lên → công suất động cơ giảm → tốc độ giảm

Như vậy khi điều chỉnh giảm từ thông φ thì

 độ cứng đặc tính cơ giảm β =

R

) K ( Φx 2 ↓↓

 Sai lệch tĩnh tăng lên

I.1.2.4 Nhận xét chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ

Qua những phân tích cụ thể 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ trên ta thấy mỗi phương pháp điều chỉnh đều có những ưu nhược điểm riêng phù hợp với từng yêu cầu công nghệ Căn cứ công nghệ của đề tài ta thấy phương pháp thay đổi tốc độ bằng cách điều chỉnh điện áp mạch phần ứng động cơ có nhiều ưu điểm như

Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng

Điều chỉnh trơn và điều chỉnh vô cấp

Sai lệch tĩnh nhỏ , β=const trong toàn dải điều chỉnh

I.1.3 PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG PHÁP HÃM DỪNG ĐỘNG CƠ

Hãm là trạng thái động cơ sinh ra mô men quay ngược chiều với tốc độ quay của

rô to Trong tất cả các trạng thái hãm động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát Như ở phần trước ta đã chọn cơ một chiều kích từ độc lập đối với lọai động cơ này có 3 trạng thái hãm là :

- Hãm tái sinh

- Hãm ngược

- Hãm động năng

Sau đây ta lần lượt phân tích từng trạng thái hãm

I.1.3.1.Hãm tái sinh

Hãm tái sinh là trạng thái máy phát mà động cơ biến cơ năng đã tích luỹ được thành điện năng trã về lưới điện

Hãm tái sinh xẩy ra khi tốc độ của rôto lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng (ω >

ωo).Khi hãm tái sinh Eư > Uư động cơ làm việc như một máy phát nối song song với lưới.So với chế độ động cơ ở chế độ hãm tái sinh dòng điện và mô men đổi chiều được xác định theo biểu thức sau

0R

KK

h

k(

RI

k

R

2Φ)

ωΦ

ω

Ở trạng thái hãm tái sinh Ih < 0 đổi chiều và công

suất được trả về lưới là P = (U-E).I ,đây là phương

pháp hãm hữu ích về kinh tế vì động cơ sinh ra điện

m

Tuy nhiên hệ thống truyền động van động cơ (T-Đ) chỉ dẩn dòng theo một chiều nhất định nên khi động cơ sinh ra năng lượng trả về lưới thì các van không cho phép dẩn ngược Nên phương pháp hãm này không phù hợp với yêu cầu công nghệ

I.1.3.2 Hãm ngược

Hãm ngược là trạng thái máy phát của

động cơ khi rôto quay ngược chiều với chiều

quay tương ứng của từ trường do điện áp nguồn

gây ra

Mặt khác phụ tải mang tính chất phản

kháng nên ta chỉ xét trường hợp đảo chiều điện

áp phần ứng khi động cơ đang quay

Giả sử động cơ đang làm việc xác lập tại điểm a trên đặc tính tự nhiên với

phụ tải Mc1 Ta đổi chiều điện áp phần ứng và đưa thêm điên trở phụ Rf vào mạch

phần ứng động cơ sẽ chuyển sang làm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở chiều quay ngược.Tại b do quán tính nên rôto vẩn quay theo chiều củ còn mô men đã đổi chiều chống lại chiều quay nên tốc độ giảm nhanh theo đoạn bc Tại c tốc độ bằng

không nếu cắt phần ứng khỏi lưới động cơ sẽ dừng lại.Còn nếu vẩn tiếp tục đóng

phần ứng vào lưới và nếu tại c mô men của động cơ lớn hơn mô men cản Mc2 thì động cơ sẽ quay ngược cuối cùng làm việc tại điểm d Trên đoạn hãm ngược bc vì

điện áp đổi cực tính nên

0RR

)EU(R

R

EUI

f

­

l f

Ta thấy hãm ngược thường đưa thêm điện trở phụ Rf vào để hạn chế dòng điện hãm Do đó trạng thái hãm này thường gây tổn thất lớn làm giảm đáng kể tuổi thọ động cơ và không khắc phục được sự cố như mất điện

Tại thời điểm cắt phần ứng khỏi lưới điện do động năng tích luỷ được ở quá trình làm việc trước đó nên rôto vẩn quay theo chiều củ với tốc độ ban đầu Ebđ =

k.φ.ωbđ

Vì phần ứng được khép mạch qua điện trở

hãm Rh nên sức điện động ban đầu sinh ra

dòng điện hãm ban đầu được xác định

0RR

kR

R

EI

h

­

bd h

−

GVHD:TS.Võ Quang Vinh SVTH: Hoàng Văn Tuyên14

rh ck§

h 22

R h

(I)

M hd (I hd) M c

Mhbđ =k.φ.ωbđ < 0 Mô men ngược chiều với tốc độ Mặt khác điện áp lúc đầu đặt vào phần ứng động cơ lúc hãm bằng không nên ta có phương trình đặc tính cơ khi hãm là

h h

­ h

h

k(

RRI

.k

RR

2Φ)

Φ

).k(β

I.1.3.4 Đánh giá chọn phương pháp hãm dừng động cơ

Từ những phân tích cụ thể của từng phương pháp hãm ta thấy

Phương pháp hãm ngược hãm nhanh có hiệu quả tuy nhiên tổn thất năng lượng lớn làm phát nóng động cơ ảnh hương đến tuổi thọ thiết bị Còn phương pháp hãm động năng có hiệu quả kém hơn phương pháp hãm ngược khi có cùng tốc độ ban đầu và mô men cản Mc Tuy nhiên hãm động năng lại ưu việt hơn về mặt năng lượng tiêu thụ rất ít năng lượng từ lưới và mạch điều khiển củng đơn giản hơn Do

đó ta chọn phương pháp hãm động năng để hãm dừng động cơ

I.1.4 PHÂN TÍCH CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU

Từ những phân tích ta đã chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp mạch phần ứng Phương pháp này là phải dùng bộ biến đổi (BBĐ) BBĐ

là một khâu quan trọng của hệ thống truyền động điện là một trong những yếu tố quyết định đến chất lượng của hệ thống

Theo yêu cầu của đề tài ở đây ta lựa chọn BBĐ chỉnh lưu là hệ thống van đông cơ (T-Đ)

I.1.4.1 Hệ thống van động cơ (T-Đ)

1 Sơ đồ khối

a)Nguyên lý làm việc

Bộ biến đổi biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều Khi thay đổi giá trị điện áp Uđk ta thay đổi được góc điều khiển α nhờ đó thay đổi được sức điện động của bộ biến đổi Eb = Ebm.cosα → thay đổi được điện áp đặt vào mạch phần ứng động cơ Ud = f(α) → thay đổi được tốc độ động

ts

®n

b)Phương trình đặc tính cơ

M

*)

K(

RRRK

Ucos

E

2 dm

ck

­ b dm

V bm

Φ

Φ

-Δ-α

Khi bỏ qua sụt áp thuận trên 1 van →∆UV = 0

M

*)

K(

RRRK

cos

E

2 dm

ck

­ b dm

bm

Φ

Φ

-α

Trong đó :

αcos.E

Eb = bm : Sức điện động của bộ biến đổi

Rb, Rư , Rck : Điện trở của bộ biến đổi ,phần ứng động cơ ,cuộn kháng

c)Dạng đặc tính cơ

Khi thay đổi giá trị góc điều khiển α=0÷1800 thì Eb =-Ebm÷ Ebm khi đó ta nhận được một họ đường thẳng song song với nhau bố trí trên nửa mặt phẳng bên phải của hệ trục (M ,ω) như hình vẽ bên (H 12)

d)Nhận xét ưu nhược điểm của BBĐ van-động cơ

Kém linh hoạt chuyển đổi

Điều khiển kém độ nhạy khi tín hiệu điều khiển lớn

Đảo chiều gặp khó khăn

Đặc tính mềm hơn hệ F-Đ

I.1.5 MẠCH PHẢN HỒI

Trong thực tế nhiều máy sản xuất ngoài yêu cầu điều chỉnh tốc độ vô cấp,còn có yêu cầu cao với sai lệch tĩnh.Điều này đối với hệ thống hở không thể thực hiện được,nó chỉ thực hiện điều chỉnh trong 1 phạm vi nhất định.Vậy để giải quyết vấn

đề này ta sử dụng hệ thống điều khiển mạch vòng kín có phản hồi

Với những yêu cầu mà đề tài đã đưa ra,ở đây ta sử dụng mạch phản hồi âm tốc

độ và phản hồi âm dòng điện

I.1.5.1 Phản hồi âm tốc độ

- Trong sơ đồ dùng phản hồi âm tốc độ bằng máy phát tốc, ưu điểm điểm của

nó là lượng vào và lượng ra có quan hệ tuyến tính, không gây nhiễu loạn, làm việc

êm, kích thước và trọng lượng nhỏ Dùng phản hồi này có tác dụng làm tăng hệ thống khuếch đại của hệ thồng,làm tăng độ cứng của đặc tính cơ, tức là làm tăng

độ ổn định của tốc độ động cơ

Sơ đồ nguyên lý khâu phản hồi âm tốc độ dùng máy phát tốc như hình vẽ

I.1.5.2 Phản hồi âm dòng điện

Trong quá trình quá độ phải luôn giữ được dòng điện (hoặc momen điện từ) ở giá trị tối đa cho phép,làm cho hệ thống truyền động điện đạt được gia tốc tối đa cho phép khi khởi động,sau khi tốc độ đạt đạt tới trạng thái ổn định,lại làm cho dòng điện lập tức giảm xuống để momen cân bằng với phụ tải.Muốn đạt được như vậy

GVHD:TS.Võ Quang Vinh SVTH: Hoàng Văn Tuyên18

R1 - ϒ n Ft

ở đây ta dung phản hồi âm dòng điện là có thể nhận được quá trình dòng điện gần như không đổi.

* Vai trò của máy phát tốc

Máy phát tốc làm nhiệm vụ đo tốc độ của động cơ để lấy tín hiệu áp đầu ra để khống chế tín hiệu vào giữ cho động cơ luôn quay với tốc độ ổn định.nguyên lý làm việc đơn giản như máy phát điện một chiều Trục của động cơ nối cứng với máy trục của máy fát tốc khi động cơ quay kéo trục của máy fát tốc fát ra ở đầu ra sức điện động Phải chọn máy phát tốc sao cho khi động cơ quay với tốc độ ổn định thì Sđđ ở đầu ra bằng không

I.1.7 BỘ KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU TRUNG GIAN

Để đáp ứng yêu cầu về độ cứng tính cơ, phạm vi điều chỉnh tốc độ, độ nhạy, độ tác động nhanh của hệ thống và tăng hiệu quả hệ thống,ta dùng khâu khuếch đại trung gian

Bộ khuếch đại có ưu điểm là:

- Nâng cao khả năng khuếch đại của hệ thống để đạt được hệ số khuếch đại yêu cầu.

- Có khả năng khống chế các rơ le, các công tắc tơ và khống chế các mạch đầu vào của bộ khuếch đại Kết quả là để năng cao được độ bền của các thiết bị khống chế rơ le, công tắc tơ

I.2 XÂY DỰNG HỆ THỐNG I.2.1 Sơ đồ hệ thống điều tốc 2 mạch vòng tốc độ quay và dòng điện

Ucđ : điện áp chủ đạo

GVHD:TS.Võ Quang Vinh SVTH: Hoàng Văn Tuyên20

-(-) (-)

β i

FX

KI: hệ số phản hồi dòng điện

KBBĐ: là hệ số khuếch đại của BBĐ

KD:hệ số khuếch đại của đọng cơ

* Kết luận :

Qua phân tích các ưu, nhược điểm của các phương án ở trên em đã chọn ra được phương án tối ưu nhất để phù hợp với yêu cầu của đề tài

1.Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

2.Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cấp cho mạch phần ứng động cơ.3.Hãm động năng để hãm dừng động cơ

4.Mạch phản hồi dùng phản hồi âm tốc độ và phàn hồi âm dòng điện

Kết quả của phần I được sử dụng ở phần II,III,IV,V tiếp theo

PHẦN II THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

Thiết kế mạch điều khiển

Mạch động lực : là khâu trực tiếp thực hiện các quá trình biến đổi năng lượng theo yêu cầu công nghệ

Mạch điều khiển : là khâu có chức năng điều khiển khống chế mạch động lực thực hiện các quá trình biến đổi đó

-Nội dung chính của phần II này gồm

Chương I Thiết kế sơ đồ mạch động lực

II.1.1 Sơ đồ mạch lực

II.1.2 Giới thiệu sơ đô mạch lực

II.1.3 Nguyên lý làm việc của BBĐ Chương II Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển

I.Giới thiệu chung

II Thiết kế mạch điều khiển

1 Khối đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa

2 Khối so sánh

3 Khối tạo xung

4 Khối tổng hợp và khuếch đại trung gian

GVHD:TS.Võ Quang Vinh SVTH: Hoàng Văn Tuyên22

5 Mạch tạo nguồn nuôi và tín hiệu điều khiển.

ckt

k

Hình 2.2:Sơ đồ mạch mạch lực

II.1.2 Giới thiệu sơ đồ mạch động lực

Mạch động lực bao gồm các phần tử: sơ đồ chỉnh lưu, cuộn kháng, máy biến

áp động lực, các phần tử bảo vệ cho các Thyristor Theo phương án đã chọn thì động cơ là động cơ một chiều kích từ độc lập Như vậy, việc thiết kế sơ đồ mạch

động lực chỉ còn là lựa chọn các phần tử khác cho phù hợp mà chủ yếu là sơ đồ chỉnh lưu với đề tài thiết kế là sơ đồ chỉnh lưu hình cầu một pha.

atm

badlt1

ckt

k

II.1.3 Nguyên lý làm việc của BBĐ

Giả thiết tải có Ld=∞ Cho sơ đồ làm việc với góc mở α và giả thiết sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm xét (ωt=0)

Ta giả thiết rằng từ ωt=0 đến ωt<υ1 =α thì hai van D1,D2 đang dẫn dòng dưới tác dụng của sức điện động tự cảm sinh ra trong Ld Tại ωt=υ1=α ta truyền tín hiệu đến van T1 ,lúc này T1 đang có điện áp thuận ( vì khi D1 mở thì uT1 =u2 và tại

υ1 =α thì u2 >0) nên đủ hai điều kiện để mở Van T1 mở thì điện áp trên nó giảm về không nên ta có uD1 =- u2 <0 tức là D1 bị đặt điện áp ngược và khoá lại, từ thời điểm này trong sơ đồ có hai van T1,D2 dẫn dòng,điện áp nguồn xoay chiều u2 tác động thuận chiều dẫn dòng của hai van này.Khi T1,D2 cùng dẫn dòng thì ta có:GVHD:TS.Võ Quang Vinh SVTH: Hoàng Văn Tuyên24

ud = u2 ; iT1 = id = Id ; iT2 =0 ; iD1 =0 ; iD2 = id = Id ;

Đến ωt=π thì u2=0 và bắt đầu chuyển sang âm ,u2 bắt đầu được đặt thuận lên T2

va D1 do T2 chưa có tín hiệu điều khiển nên T2 chưa mở còn D1 là điôt nên D1 sẽ

mở Van D1 mở thì điện áp trên giảm xuống không ,và ta có uT2 = u2 mà ta có uT2 = u2 , mà tại ωt = π thì u2 đang chuyển sang âm nên T1 sẽ bị đặt điện áp ngược

ud = 0 ; it1 = 0 ; iT2 = 0 ; iD1 = id = Id ; iD2 = id = Id ;

uT1 = u2 ; uT2 = -u2 ; uD1 = uD2 = 0 ;

T ại ωt =υ2 =π + α thì van T2 Có Tín hiệu điều khiển , lúc đó T2 đang có điện áp thuận , T2 mở Van T2 mở thì u2 giảm về bằng không nên uD2 = u2 < 0 ,tức là D2 bị đặt điện áp ngược và sẽ khoá lại do vậy từ ωt=υ2 trong sơ đồ cầu chỉ có hai van T2

và D2 dẫn dòng khi hai van T1 và D2 cùng dẫn dòng thì ta có:

ud = -u2 ; iT1 =iD = Id ; iD1 =iD = Id ; iD2 = 0;

uT1 =u2 ; uT2 = 0 ; uD1 = uD2 = 0

Đến ωt = 2π thì u2 = 0 và bắt đầu chuyển sang dương u2 bắt đầu đặt điện áp thuận lên T1 và D2 do T1 chưa có tín hiện điều khiển nên chưa mở còn D2 là điôt nên D2

sẽ mở van D2 mở thì điện áp trên nó giảm về không và ta có uT2 = - u2 mà tại ωt =

2π thì u2 đang chuyển sang nửa chu kì dương nên T2 bị đặt điện áp ngược và sẽ khoá lại vậy từ ωt = 2π trong sơ đồ có 2 van dẫn dòng khi điôt cùng làm việc thì ta lại có : ud = 0 ; iT1 = iT2 = 0 ; iD1 = iD2 = Id

uT1 =u2 ; uT2 =-u2 ; uD1 = uD2 = 0 ;

Tại ωt= 2π + α thì van T1 có tín hiệu điều khiển lúc đó T1 đang được đạt điện áp thuận T1 mở Van T1 mở thì uT1 giảm về bằng không nên uD1 = -u2<0 tức là D1 bị đặt điện áp ngược và sẽ khoá lại do vậy từ ωt = υ3 trong sờ đồ chỉ có hai van T1 và D2 dẫn dòng sờ đồ lặp lại trạng thái làm việc giống như ωt = υ1

Các biểu thức tính toán cơ bản :

Ud =Ud0(1 + cosα)/2

ITtb = Id(π - α)/2 ; IT =Id (π-α)/2π

UTthmax= 2.U2 ; UNthmax= 2.U2

IDth= Id (π+ α)/2π ; ID= Id (π+ α)/2π ; UDngmax= 2.U2

CHƯƠNG II

THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

II.2.1 Giới thiệu chung

Để cho các van của hai bộ biến đổi mở tại những thời điểm mong muốn thì ngoài điều kiện tại thời điểm đó trên van phải có điện áp thuận thì trên cực điều khiển phải có một điện áp điều khiển (còn gọi là tín hiệu điều khiển hay xung điều khiển) Để có hệ thống các xung điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu mở van thì ta cần phải có một mạch điện để tạo ra xung điều khiển đó Mạch điện tạo ra

hệ thống xung điều khiển đó gọi là mạch điều khiển

Hệ thống tạo xung điều khiển có nhiệm vụ tạo ra

- 3 kênh điều khiển

- Góc điều khiển thay đổi rộng

- Thông số xung các kênh phải như nhau

Xung điều khiển phải thoả mản các yêu cầu cơ bản như công suất ,biên độ cũng như thời gian tồn tại xung để mở chắc chắn các van đối với mọi loại phụ tải Thông thường độ dài xung nằm trong khoảng (200÷600)µs là đảm bảo mở chắc chắn các van

Hiện nay thường sử dụng 3 hệ thống tạo xung cơ bản sau

- Hệ thống điều khiển pha đứng

- Hệ thống điều khiển pha ngang

- Hệ thống điều khiển dùng điôt 2 cực gốc

II.2.1.1Hệ thống điều khiển pha đứng

1.Sơ đồ khối hệ thống điều khiển theo pha đứng (Hình 2.1)

GVHD:TS.Võ Quang Vinh SVTH: Hoàng Văn Tuyên26

Hình 2.1 Sơ đồ khối điều khiển theo pha đứng

- Khối 1 là khối đồng bộ hoá (ĐBH): Tín hiệu điện áp đưa vào khối này cũng chính là tín hiệu cấp cho mạch động lực của bộ chỉnh lưu (u1) Khối này ta thường sử dụng biến áp đồng bộ hoá để điện áp ra sau khối này có dạng sin với tần

số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và trùng pha hoặc lệch pha 1 góc xác định so với điện áp nguồn

- Khối 2 là khối tạo sóng răng cưa (điện áp tựa): Sau khối 1, điện áp đồng bộ (uđb) được đưa vào khối 2 để tạo ra điện áp dạng xung răng cưa (urc) Điện áp răng cưa urc là điện áp chuẩn để so sánh với Uđk của khối 3

- Khối 3 là khối so sánh: Qua khối này urc và Uđk được so sánh với nhau Uđk

là điện áp 1 chiều Gia điểm của điện áp này với urc quyết định góc điều khiển α

- Khối 4 là khối tạo xung: Tín hiệu ra sau khối so sánh có dạng số (có tín hiệu “1” và không có tín hiệu “0”) Tuy nhiên xung này hầu như chưa đáp ứng

U GT

Uđk

được yêu cầu về biên độ xung, độ rộng xung, độ dốc xung, Vì vậy cần phải có khối tạo xung để điều chỉnh các thông số này cho phù hợp.

- Khối 5 là khối phân chia xung: Khối này để dẫn xung và phân chia xung cho Thyristor Ta thường dùng biến áp xung (BAX) để thực hiện việc này

Trên thực tế lắp ráp mạch điều khiển theo pha đứng này người ta thường ghép khối 1 với khối 2 và khối 4 với khối 5 Vậy sơ đồ lắp ráp thực tế như (hình 2.2)

ul : điện áp lưới (nguồn) xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu

uđk : điện áp điều khiển đây là điện áp một chiều lấy từ đầu ra của KĐTG) dùng để điều khiển giá trị góc α

khối(TH-uđkT : điện áp điều khiển Tiristo ,là chuổi các xung điều khiển lấy từ đầu ra hệ thống điều khiển và được truyền đến cực điều khiển (G) và Katôt (K) của Tiristo

2.Nguyên lý cơ bản của hệ thống điều khiển theo nguyên tắc pha đứng

Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực chỉnh lưu được đưa đến mạch đồng

bộ hoá của khối 1 và trên đầu ra của mạch đồng bộ hoá ta có các điện áp thường có dạng hình sin với tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu

và trùng pha hoặc lệnh pha một gócpha xác định nào đó so với điện áp nguồn Điện

áp này gọi là điện áp đồng bộ và ký hiệu là uđb Các diện áp đồng bộ được đưa vào mạc phát điện áp răng cưa để khống chế sự làm việc của mạch điện này, kết quả là GVHD:TS.Võ Quang Vinh SVTH: Hoàng Văn Tuyên28

khối3khối 2

khối 1

UGT

u1 ĐBH &

PSRC

So sánh Tạo xung &

phân chia xung

U đk Hình 2.2 Sơ đồ khối điều khiển theo pha đứng thực tế

trên đầu ra của mạch phát điện áp răng cưa có một hệ thống các điện áp dạng hình răng cưa đồng bộ về tần số và góc pha với các điện áp đồng bộ Các điện áp này gọi là điện áp răng cưa urc Các điện áp răng cưa được đưa vào khối so sánh (SS) và

ở đó còn có một tín hiệu khác nữa gọi là điện áp điều khiển uđk Hai tín hiệu này được mắc với cực tính sao cho tác động của chúng lên mạch SS là ngược chiều nhau Khối SS làm nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu này và tại những thời điểm 2 tín hiệu này có giá trị tuyệt đối bằng nhau thì đầu ra khối SS sẽ thay đổi trạng thái Như vậy khối SS là một mạch điện hoạt động theo nguyên tắc biến đổi tương tự-số(Analog-Digital) Do tín hiệu ra của mạch SS là dạng tín hiệu số nên chỉ có hai giá trị có ‘1’ hoặc không ‘0’.Tín hiệu ra cua khối SS là các xung xuất hiện với chu

kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa ,nếu thời điểm bắt đầu xuất hiện của một xung nằm trong vùng sườn xung nào của urc tài sườn xung ấy của urc được gọi là sườn sử dụng Điều này có nghĩa là :Tại thời điểm urc =uđkở phần sườn sử dụng trong một chu kỳ của điện áp răng cưa thìo trên đầu ra của khối SS sẽ bắt đầu xuất hiện một xung điện áp Từ đó ta thấy có thể thay đổi được thời điểm xuất hiện xung đầu

ra của khối so sánh bằng cách thay đổi giá trị của uđk khi giữ nguyên dạng của urc Trong một số trường hợp thì xung ra của khối SS được đưa đến cực điều khiển của Tiristo nhưng đa số các trường hợp thì xung ra của khối SS chưa đủ các yêu cầu cần thiết đối với tín hiệu điều khiển Tiristo Để có tín hiệu đủ yêu cầu thì người

ta phải thực hiện việc sửa xung ,khuyếch đại xung vv Các nhiệm vụ này được thực hiện ở mạch tạo xung (TX) cuối cùng trên đầu ra khỗiT là một chuổi xung điều khiển uđkT có đủ thông số yêu cầu về công suất ,biên độ ,độ dài xung vv…mà thời điểm bắt đầu xuất hiện của các xung thì hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối SS Vậy thời diểm xuất hiện của tín hiệu điều khiển trên điện cực điều khiển và Katôt của Tiristo chính củng là thời điểm xuất hiện xung đầu ra khối SS , tức là khối SS đóng vai trò xác định giá trị góc điều khiển α Như

đã nêu ở trên ,ta có thể thay đổi thời điểm xuât hiện xung ra khối so sánh bằng

cách thay đổi giá trị uđk Vậy điều khiển giá tri điện áp điều khiển uđk ta điều khiển được giá trị góc mở α

Hệ thống điều khiển pha đứng tuy có mạch phát xung khá phức tạp nhưng các xung được tạo ra đáp ứng được yêu cầu như

Phạm vi điều chỉnh góc mở α rộng α = (0 ÷ 1800)

Tổng hợp tín hiệu dể dàng

Công suất ,biên độ ,độ rộng xung đảm bảo yêu cầu mở Tiristo

Dể tự động hoá và tự động hoá ở trình độ cao

II.2.1.2 Hệ thống điều khiển pha ngang

Ở phương pháp này người ta tạo ra điện áp điều khiển hình sin có tần số bằng tần

số của điện áp nguồn và góc pha điều khiển được.Thời điểm xuât hiện xung trùng với góc pha đầu của điện áp điều khiển.Phương pháp này có mạch điều khiển khá đơn giản nhưng lại có một số nhược điểm sau

Phạm vi điều chỉnh góc mở α hẹp α <1800

Khó tổng hợp tín hiệu

Rất nhạy với sự thay đổi của điện áp nguồn

II.2.1.3 Hệ thống điều khiển dùng điốt 2 cực gốc

Phương pháp này cũng tạo ra các xung nhờ việc so sánh giữa điện áp răng cưa xuất hiện theo chu kỳ điện áp nguồn xoay chiều với điện áp mở của UJT.Phương pháp này khá đơn giản tuy nhiên no có một số nhược điểm sau

Phạm vi điều chỉnh góc mở α hẹp α <1800

Trong một chu kỳ điện áp nguồn hệ thống thường tạo ra nhiều xung điều khiển gây tổn thất phụ trong mạch điều khiển

Đảo chiều khó khăn chỉ phù hợp hệ thống có công suất nhỏ

II.2.1.4 Đánh giá chọn hệ thống điều khiển

GVHD:TS.Võ Quang Vinh SVTH: Hoàng Văn Tuyên30

Từ những phân tích cụ thể đối với từng hệ thống điều khiển Ta thấy hệ thống điều khiển pha đứng có nhiều ưu điểm phù hợp với công nghệ của đề tài Do đó ta chọn hệ thống điều khiển pha đứng để thiết kế cho hệ thống

II.2.2 THIẾT KẾ MẠCH ĐIẾU KHIỂN

II.2.2.1 Khối đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa (ĐBH-FSRC)

a) Mạch đồng bộ hoá và mạch phát sóng răng cưa

là lý tưởng thì điện trở của nó bằng vô cùng dẫn đến dòng iv và iv+ bằng không do

vậy ic=-i1 mặt khác i1 = W−U+R =

R

cc

¦ I = const Điều này nghĩa là khi

Tr khoá thì tụ C được nạp với dòng không đổi có giá trị I

Từ ω t=0 thì Uđb=0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương dẫn đến D mở mạch gốc phát bị đặt điện áp ngược Tr khoá tụ C được nạp với dòng không đổi Điện áp trên tụ tăng dần theo quy luật tuyến tính

Hình : Giản đồ điện áp khâu phát sóng răng cưa

Đến ω t=π và bắt đầu chuển sang âm D khoa Tr mở tụ C phóng điện nhanh qua Tr đến điện áp bằng không và giữ nguyên giá trị băng không cho tới khi ω

t=2π Tai ω t=2π điện áp đồng bộ bằng không và bắt đầu chuyển sang dương D lại

mở Tr lại khoá tụ C được nạp điện như khi ω t=0

c) Nhận xét:

Sơ đồ này có ưu điểm là dạng điện áp tựa rất chính xác , dung lượng của tụ C cần rất nhỏ nên không cần điện trở bảo vệ Tr Mặt khác, do điện trở đầu ra của IC nhỏ nên dạng điện áp ra hầu như không phụ thuộc vào điện trở tải mắc ở đầu ra của IC Điện áp ra có dạng gần lý tưởng

II.2.2.2 Mạch so sánh

Khối so sánh dựng để so sánh tớn hiệu điện áp ra sau kii ĐBH&PSRC (urc) với điện áp điều khiển một chiều (Uđk) Hai tín hiệu này đựơc mắc sao cho tác dụng của chúng đối với đầu vào khâu so sánh là ngược chiều nhau

Chính qua khối này sẽ quyết định thời điểm xuất hiện xung để kích mở

Thyristor Cụ thể thực hiện khối so sánh theo nhiều mạch khác nhau nhưng phổ biến nhất hiện nay là các sơ đồ so sánh dựng Transistor và dựng bộ khuếch đại thuật toán bằng vi điện tử Ta có mạch so sánh sau:

GVHD:TS.Võ Quang Vinh SVTH: Hoàng Văn Tuyên32

ω t

urc

0

Kết quả đầu ra khối so sánh ta thu được dạng xung điện áp ra như hình 2.8.

II.2.2.3Khối tạo xung (TX)

Từ t=0÷t1 xung vào có giá trị dương

trước đó tụ C2 đã được nạp đầy đến trị số