ĐỒ án điện tử CÔNG SUẤT

LờI Mở ĐầU Trong lịch sử máy điện, máy điện không đồng bộ ra đời muộn hơn so với các loại máy điện khác,nhng đến hiện nay nó là một loại máy đợc sử dụng rộng rãi nhất trong các nghành ki

LờI Mở ĐầU

Trong lịch sử máy điện, máy điện không đồng bộ ra đời muộn hơn so với các loại máy điện khác,nhng đến hiện nay nó là một loại máy đợc sử dụng rộng rãi nhất trong các nghành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục

đến hàng nghìn kilôoat:

Trong công nghiệp thờng dùng máy điện máy điện không đồng bộ làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ

Trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió

Trong nông nghiệp dùng làm máy bơm hay máy gia công sản phẩm Trong đời sống hàng ngày, máy điện không đồng bộ cũng dần dần chiếm một vị trí quan trọng: quạt gió, máy quay đĩa ,động cơ trong tủ lạnh Bởi nó có những u điểm nổi bật hơn hẳn so với máy điện một chiều cũng

nh máy điện đồng bộ, đó là:

Có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, làm việc chắc chắn, vaọn haứnh tin caọy, chi phớ vaọn haứnh và baỷo trỡ sửừa chửừa thấp ,hiệu suất cao,giá thành hạ

Máy điện không đồng bộ sử dụng trực tiếp lới điện xoay chiều do đó không cần phải tốn thêm chi phí cho các thiết bị biến đổi Tuy nhiên,máy điện không đồng bộ chủ yếu đợc sử dụng ở chế độ động cơ ,và động cơ điện vẫn có những , một trong những nhợc điểm đó là dòng khởi động của động cơ không đồng bộ thờng lớn ( từ 4 đến 7 lần dòng định mức).Dòng điện mở máy quá lớn không những làm cho bản thân máy bị nóng mà còn làm cho điện áp lới giảm sút nhiều, nhất là đối với những lới

điện công suất nhỏ

Do đó vấn đề đặt ra là ta cần phải giảm đợc dòng điện mở máy của động cơ không đồng bộ, đặc biệt là với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc.Bởi vì việc tác động vào động cơ rôto lồng sóc khó khăn hơn so với động cơ không đồng bộ roto dây quấn Tuy nhiên, hiện nay với việc áp dụng những ứng dụng của điện tử công thì công việc đó đã trở nên dễ dàng hơn

Chơng I:

các phơng pháp mở máy

I-mở máy động cơ đIện không đồng bộ:

Khi bắt đầu mở máy thì rôto đang đứng yên, hệ số trợt s=1 nên trị số dòng

điện mở máy tính theo mạch điện thay thế bằng:

2 2 1 1

2 2 1 1

1

)' (

)' (r C r x C x

U k

I

+ + +

=

Từ công thức trên ta thấy, dòng điện khởi động cở không đồng bộ phụ thuộc vào bản thân cấu tạo của động cơ và phụ thuộc nhiều vào điện áp lới Trên thực tế, do mạch từ tản bão hoà rất nhanh, điện kháng giảm xuống nên dòng điện mở máy còn lớn hơn so với trị số tính theo công thức trên.ở

điện áp định mức, thờng dòng mở máy bằng 4 đến 7 lần dòng định mức

Điều đó không những làm cho động cơ nhanh bị hỏng mà còn làm cho điện

áp lới mỗi khi khởi động giảm nhiều.Do đó nhất thiết ta phải làm giảm dòng

điện mở máy

II-các phơng pháp mở máy:

Các yêu cầu mở máy cơ bản:

- Phải có mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải

- Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt

- Phơng pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn

- Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng nhỏ càng tốt

1-Mở máy trực tiếp động cơ điện rôto lồng sóc:

Đây là phơng pháp đơn giản nhất, ta đóng trực tiếp động cơ điện vào lới

điện.Khi đó điện áp U1 đặt vào stato bằng điện áp lới( nh hình vẽ).Do đó dòng điện mở máy lớn,nếu quán tính của tải lớn, thời gian mở máy dàI thì sẽ làm có thể làm cho máy nóng và ảnh hởng đến điện áp lới

2- Hạ điện áp mở máy:

Từ công thức của dòng điện mở máy ta thấy, nếu giảm điện áp đặt vào stato khi mở máy thì sẽ giảm đợc dòng điện mở máy.Nhng hạ điện áp mở máy thì cũng sẽ làm cho mômen khởi động giảm xuống:

] ) ' (

) ' [(

2

'

2 2 1 1

2 2 1 1

1

2 1 1

x C x r

C r f

r pU m

+ +

+

=

π

Do đó ta chỉ dùng phơng pháp này cho những thiết bị mở máy cỡ nhỏ

2-1-Các phơng pháp :

-Nối điện kháng trực tiếp vào mạch điện stato: khi mở máy trong mạch

điện stato đặt nối tiếp một điện kháng, sau khi mở máy xong thì điện kháng này bị nối ngắn mạch.α

-Dùng biến áp tự ngẫu: ta sử dụng một máy biến áp tự ngẫu, bên cao áp nối với lới điện , bên hạ áp nối với động cơ điện.Sau khi mở máy xong thì biến áp tự ngẫu đợc loại ra khỏi mạch

-Mở máy bằng phơng pháp đổi nối Y-: phơng pháp này thích ứng với những máy khi làm việc bình thờng thì đấu tam giác, khi mở máy ta đổi thành sao

-Đùng bộ điều áp xoay chiếu 3 pha sơ đồ gồm 6 tyristor đấu song song ngợc

Phân tích u nhợc điểm của từng phơng pháp mở máy

+ Cả 3 phơng pháp trên đều có tác dụng hạ dòng mở máy nhng trong quá trình hoat động của động cơ khi dòng tăng đột ngột vì một lý do naò đó thì 3 phơng pháp trên không đáp ứng đơc (không hạn trế đơc dòng đó ) vì vậy ta dùng bộ điều áp xoay chiều 3 pha

u điểm của bộ điều áp xoay chiều 3 pha khi điều chỉnh góc α thích hợp của các xung điều khiển đặt vào các thyristor là có thể hạ đợc điện áp đặt vào stato và do đó có thể hạn chế đợc dòng qua động cơ.Và vẫn còn thamữ gia vào mạch trong quá trình hoạt động của động cơ

Tuy nhiên nhợc điểm của phơng pháp này là dòng điện và điện áp vào

đều không sin Nhng do thời gian mở máy rất nhỏ (từ 1ữ3 giây) nên ta vẫn

có thể sử dụng đợc

2-2-Phơng pháp dùng bộ điều áp xoay chiều 3 pha:

Ta sử dụng 6 thyristor đấu song song ngợc theo sơ đồ nh hình vẽ.Khi ta cấp điện áp xoay chiều vào ba đầu A,B,C ,do còn phụ thuộc vào góc mở van

của các thyristor nên ta sẽ có ba dạng điện áp đặt vào động cơ ứng với ba vùng của góc mở van  Các điện áp này đều nhỏ hơn so với điện áp vào

1-2-1-Phân tích hoạt động của bộ điều áp xoay chiều ba pha:

-Vì động cơ không đồng bộ có thể coi nh là một phụ tải gồm có điện trở

và cuộn cảm nối tiếp nhau, trong đó:

+Điện trở roto biến thiên theo tốc độ quay

+Điện cảm phụ thuộc vào vị trí tơng đối giữa dây quấn roto và stato +Góc pha giữa dòng điện và điện áp cũng biến thiên theo tốc độ quay

= (s)

-Do tính chất tự nhiên của mạch điện có điện cảm, nên nếu trong khoảng

 <  mà đặt xung điều khiển vào các van bán dẫn thì các van này chỉ dẫn dòng ở thời điểm  =  trở đi Do đó điện áp động cơ không phụ thuộc vào góc mở .Nếu nh vậy thì ta không điều chỉnh đợc điện áp, vì vậy ta chỉ đặt xung đIều khiển với góc mở > 

-Khi >  thì tuỳ thuộc vào giá trị tức thời của các điện áp dây mà có lúc

có ba van ở ba pha khác nhau dẫn dòng, hay hai van ở hai pha khác nhau dẫn dòng:

+ Nếu có ba van ở ba pha khác nhau dẫn dòng:

Khi đó dòng điện tải:

) sin(

Z 3

U

i = dm θ + ϕ

Udm: biên độ điện áp dây

: góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện ở giai đoạn đang xét +Nếu chỉ có hai pha có van dẫn:

Khi đó ta có dòng điện tải:

) sin(

Z 2 U

i = dm θ + ϕ

Tuỳ thuộc vào góc điều khiển mà các giai đoạn có ba van dẫn hoặc hai van dẫn cũng thay đổi theo

Khoảng dẫn của van ứng với α = 0 ữ 60o :

Trong phạm vi này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ nhau nh đồ thị dới đây :

1) Khoảng van dẫn ứng với α = 60 ữ 90o :

Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn hai van dẫn Ta có đồ thị

điện áp ra ở dới :

Chơng 2 Mạch lực

3.Tính toán chọn van

Dựa trên đồ thị dạng điện áp ra của bộ điều áp xoay chiều ba pha,ta

có thể tính toán đợc dòng qua van max,điện áp ngợc qua van max là bao nhiêu

Ta tính toán chọn van theo các thông số sau:

+Tính đợc Ungmax qua van

+Tính đợc Itb qua van

Từ đó chọn điều kiện làm mát thích hợp cho van

Nếu là trờng hợp chỉ có một van ở ba pha dẫn dòng thì điện áp ngợc max đặt lên van sẽ là:Ungmax= 2Up

Nếu là có hai trong ba pha có hai van dẫn thì một pha sẽ bị ngắt ra khỏi nguồn và lúc này thì điện áp ngợc đặt lên van sẽ là:

Ungmax = 2Ud= 6 Up

Với diện áp dây :Ud=380V

Ungmax= 2Ud= 2380=537.4(V)

Dòng điện qua van:

Do dòng qua van là không sin nên ta phải phân tích chuỗi Fourier sau đó lấy thành phần bậc nhất,do động cơ không đồng bộ ba pha rôtor lồng sóc

có thể coi là tải cảm và trở đấu theo hình sao nên ta phải có đợc Ud,Id,góc lệch pha ϕ giữa dòng điện và điện áp:

Ta có thông só của động cơ nh sau :Pdc=200KW

U=380V/50Hz

cosϕ =0.83 n=1450v/phút

Hiệu suất η =0.85

Chơng 3.

Thiết kế mạch điều khiển toàn

hệthống

I.Giới thiệu chung về mạch điều khiển toàn hệ thống

* Mạch điều khiển có các chức năng sau :

- Điều khiển đợc vị tri xung trong fạm vi nửa chu kỳ dơng của điện áp

đặt lên anod và catod của tiristo

- Tạo đợc các xung đủ điều kiện mở đợc tiristo

( xung điều khiển thờng có biiên độ từ 2V dến 10V ,độ rộng xung thờng từ

20às đến 100às)

Độ rộng xung đợc xác định theo biểu thức sau :

dt di

I

x /

=

Idt là dòng duy trì của tiristo

* Cấu trúc của một mạch điều khiển nh sau :

Uc

Trong đó :

- ĐF : khâu tạo điện áp đồng fa

- Urc : điện áp răng ca

- Uc : là điện áp điều khiển

- khâu 1 : khâu so sánh điện áp giữa Uc và Urc , khi Uc – Urc = 0 thì trigơ lật trạng thái

- khâu 2 : khâu tạo xung chùm

- khâu 3 : là khâu khuyếch đại xung

- khâu 4 : khâu biến áp xung

Bằng cách điều chỉnh Uc ta có thể điều chỉnh đợc vị trí xung điều khiển tức

là điều chỉnh đợc góc α

1.Khâu tạo điện áp đồng bộ

Khâu tạo điện áp đồng bộ cho bộ điều áp xoay chiều ba pha để điều chỉnh sáu thyristor thờng cần một hệ điện áp sáu pha làm điện áp đồng bộ Góc α

đợc tính từ gốc O Hệ điện áp pha này bao gồm sáu điện áp đồng bộ hình sin lệch nhau một góc

3

π Yêu cầu này sẽ đợc thoả mãn dễ dàng nếu dùng một máy biến áp ba pha sơ cấp có ba cuộn dây đấu sao lấy điện áp từ lới Máy biến áp này có thể đợcu bố trí bằng hai cach sau:

ĐIúm trung tính kí hiệu là O nối với đIúm O của mạch đIều khiển us1,us3,us5

dùng làm đIửn áp đồng bộ của pha a,b,c tơng ứng:

us1=Usm.sinθ;us3= Usm.sin(θ

-3

2 π); u

s5=Usm.sin(θ

-3

4 π);

us2= Usm.sin(θ

-3

π); u

s4=Usm.sin(θ-π);Usm.sin(θ

-3

5 π);

2.Sơ đồ tạo độ rộng xung

Mục đích :là để tạo ra xung có độ rộng yêu cầu để điều khiển các thyristor Sơ đồ mạch tạo độ rộng xung đợc trình bày nh hình vẽ sau:

Nguyên lý hoạt động nh sau:

Khi x=”0” thì Z1=”1”,Z2=”0”,Z3=”0”,Z4=”1” từ đó y=”0”

Khi x=”1” thì Z1=”0”,Z2=”1” thì tụ C đợc nạp qua điện trở R,lúc đầu

UR≈”1”,do đó Z4=”0” do đó y=”1”

Sau thời gian t=R.C thì UR=”0”(Logic “0” trong khoảng 0.4ữ0.6V thf

Z4=”1” và y=”0”

độ rộng xung ra là tx phụ thuộc vào hằng số thời gian R.C.Ngời ta thờng chọn R=1kΩ

3 Máy phát xung cao tần

a) Tác dụng

Tạo ra chùm xung có tần số rất cao(ở đây ta chọn tần số bằng 10 Khz).Chùm xung này đợc đa vào cổng AND để tạo ra xung điều khiển mở các Tiristor

b)Sơ đồ nguyên lý:

c)

Nguyên lý hoạt động:

-Mạch có hai đờng phản hồi dơng và âm sẽ hoạt động ở chế độ tự dao

động vì điện áp trên tụ C sẽ đợc so sánh với điện áp Up

-Nếu OPAM là lý tởng thì điện áp ra Ura=±E (ở chế độ bão hoà).Điện

áp trên tụ C sẽ phóng qua đờng C-R2-Đ2-đất và nạp qua đờng Đ1-R1-C-đất -Khi điện áp trên tụ C bằng với điện áp Up thì mạch sẽ lật trạng thái ,Ura

đang ở trạng thái bão hoà dơng sẽ chuyển sang trạng thái bão hoà âm và

ng-ợc lại

-Nếu R1,R2 khác nhau thì thời gian phóng và nạp sẽ khác nhau:

C R p T

C R n T

2

1

=

=

d) Tính toán cụ thể:

Chọn OPAM là IC IL084 có nguồn cung cấp là E=±15 V,URabh ta chọn luôn bằng±15 V để tiện cho tính toán,các Điốt Đ1,Đ2 là các điốt công suất nhỏ rất dễ dàng chọn

Điện áp trên điểm P đợc tính theo công thức:

ra P

ra P

U R R

R U

R R

R U

U

4 3 4

4 3 4

+

=

⇒

+

=

4 3

4 E V R

R

R

= +

U 7

U r a + E

R4 1k

R3 1k

R2 4.5k R1 4.5k

R5 800

C 10nF

D2

D1

+ OP4

DZ

+ Khi Ura=-E ->UP-= 1

4 3

4 ( E) V R

R

R

−

=

− +

Tụ C sẽ nạp từ giá trị ban đầu (-V1) đến giá trị cuối(+V1) và phóng điện

từ (+V1) đến (-V1).Điện áp tại t=∞ của quá trình nạp là E và tại t=∞ của quá trình phóng là -E

Biểu thức nạp của tụ C là:

Vc(t)=E+(-V1-E)e -t/Tn

Biểu thức phóng của tụ C là:

Vc(t)=-E+(V1+E) e-t/Tp

t: thời gian phóng hoặc nạp

Tn:hằng số thời gian nạp

TP :hằng số thời gian phóng

Do đó chu kì phong nạp là :T=tn+tP

Khi kết thúc quá trình nạp

Vc(tn)=V1= E+(-V1-E)e-tn/Tn

hay e-tn/Tn=

1

1

V E

V E

+

−

 e-tn/Tn=

3 4 3

3 4 4

3 4 4

2R R R R

R

R E E

R R

R E E

+

= + +

+

−

3 2

ln

R R

R T

t n

n

+

=

−

 tn=T nln(1+2 )

3

4

R R

Tơng tự nh vậy ta có thời gian phóng:

tP= T pln(1+2 )

3

4

R R

Vậy chu kì phóng nạp là:

T=tn+tp=(T n+TP) ln(1+2 )

3

4

R R

Nếu chọn R=R1=R2 thì T n=T p=RC

Khi đó ta có T=2RC ln(1+2 )

3

4

R R

Giả sử chọn R3=R4=1k thì ta có T=2RCln 3=2,2RC

2 , 2

1 1

Khz RC

T = =  RC=0,45.10-4

Chọn C=10(nF)(là loại tụ hoá) thì điện trở R tính nh sau:

R= 4 , 5K

10 10

10 45 , 0

9

4

=

−

−

Ta có dạng đồ thị quá trình của tụ C và dạng xung ra nh hình vẽ:

phóng URa

+E

+V1 uc

θ

-V1

- E nạp

Nh vậy xung ra Ura là xung có dạng hình chữ nhật có cả phần âm và

phần dơng với biên độ là± 15V Để loại phần xung âm và cắt bớt biên độ ta

mắc thêm một điện trở sụt áp R5và điốt ổn áp ĐZ ở đầu ra.Điốt Zener ĐZ là

loại 1N229B công suất P=0,5(W) UZ=4,3(v) ,Imax=117mmA

Imin=11,7 mmA

Từ đó ta có cách chọn điện trở R5 nh sau:

URa=I.R5+UZ

I.R5=URa-UZ=15-4,3=10,7(V)

I

R5 =10,7 Vì 0,0117<I<0,117 nên ta có 92<R5<920(Ω ).Chọn R5=800(Ω )

Cuối cùng ta đợc xung ra U7 biên độ +4,3V tần số 10 Khz nh hình vẽ:

U7

4,3V

4 Khâu biến áp xung và khuyếch đại xung:

a) Tác dụng

Khối KĐXcó tác dụng tăng dòng từ cổng AND đi ra (dòng từ cổng AND

đi ra thờng nhỏ) sau đó đi qua BAX để tạo đợc dòng điều khiển Ig ,áp điều

khiển Ug có biên độ thích hợp để mở Tiristor

Khâu biến áp xung bao gồm khối khuyếch đại T2 , T3 mắc theo kiểu

Darlington

và máy biến áp xung tạo ra các xung điều

khiển có công suất theo yêu cầu của van

Diode D6 ngăn chặn xung áp âm có thể

có khi van bị khoá

D7 chống điện áp âm đặt lên 2 cực

G-K của tiristo

D8 hạn chế quá áp trên các cực colecto và

emito của tranzito T2 , T3

Điện trở R25 có tác dụng tạo một sụt áp

khoảng 0,4V điều khiển mở tranzito T3 lúc

dòng ra đủ lớn và chuyển chúng từ mở

sang khoá nhanh hơn

Điện trở R26 hạn chế dòng ngắn mạch

của tranzito T3

R26

R25

D6

D8

D5

D7

T3

T2

MBAX

T

En RH

Van cần điều khiển có các thông số : Ug =2.5 V ; Ig =250 mA

 giá trị dòng thứ cấp của biến áp xung : Ig =250mA

điện áp thứ cấp của BAX là : U2 = 5 V

MBAX có tỉ số biến đổi là 2/1  điện áp sơ cấp của BAX là : U1 =5 V Dòng sơ cấp I1 =

2

điện trở R26 = ( En – U1)/I1=80Ω

Chọn tranzito T3 loại ST603 có các thông số cơ bản :

Uce =30V ;

Ice =800mV

β = 30ữ100

chọn tranzito T2 loại C828 có các thông số nh sau :

Uce = 30V ;

Ic =300mA

β = 30ữ100

Điện trở:

R25 =

3 3

3 2

3

β

Ic

Ube Ic

Ube = =

100

125 0

4 0

=320Ω Chọn điện trở R25 = 300Ω Chọn điện trở D5 , D6 , D7 , D8 loại D-1001 có các thông số : I = 1A ; Ung =200V

 Tính toán máy biến áp xung :

Điện áp sơ cấp U1 = Điện áp thứ cấp U2 =

Dòng sơ cấp I1 = ; Dòng thứ cấp I2 =

Chọn vật liệu lõi BAX là ferit làm việc trên một fần đặc tính từ hoá Bs = 0,45 T

Độ từ thẩm à = 6000A/m

Số vòng dây sơ cấp : W1 = U1.tx/Bs.S

trong đó tx là chiều dài xung truyền qua BAX có giá trị tx = 50às = 50.10− 6s tiết diện của lõi ferit S = 1cm2= 10− 4m2

 số vòng sơ cấp : W1 = 16 vòng

 số vòng thứ cấp : W2 = 8 vòng

T

tx I

Itb1 1

Giá trị dòng điện trung bình ở thứ cấp :

T

tx I

Itb2 = 2 Chọn mật độ dòng điện J = 2,5A/mm2