Tài liệu Động cơ điện một chiều P3 docx

Để thực hiện điều chỉnh vị trí xung điều khiển đặt nên cực điều khiển ,trong nửa chu kì dương của điện áp đặt nên hai cực Anốt và Catốt của Thyristor.. Ta đã biết Thyristor chỉ mở cho dò

Chương III : THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

§ 3.1 Nguyên lý điều khiển Thyristor trong mạch điện xoay

chiều.

Để điều khiển Thyristor trong mạch điện xoay chiều ta có nhiều nguyên tăc khác nhau nhưng trong thực tế người ta thưòng dùng hai nguyên rắc điều khiển sau :

- Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

- Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arcos”

Để thực hiện điều chỉnh vị trí xung điều khiển đặt nên cực điều khiển ,trong nửa chu kì dương của điện áp đặt nên hai cực Anốt và Catốt của

Thyristor

3.1.Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

Theo nguyên tắc này người ta dùng hai dạng điện áp

- Điện áp đồng bộ ,kí hiệu là US,đồng bộ với điện áp đặt trên Anốt-Catốt của Thyristor Thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh

- Điện áp điều khiển, kí hiệu là Ucm (điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ) Thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh

+ Khi đó hiệu điện thế đầu vào khâu so sánh là :

Người ta lấy U cm max = US m

3.2.Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “Arccos”

Theo nguyên tắc này người ta dùng hai dạng điện áp

- Điện áp đồng bộ US, vượt trước UAK = Um sinωt, của Thyristor một góc bằng Π / 2

cosωt = U

Do đú α = arccos (

Um Ucm) + Khi Ucm = Um thỡ α = 0

Hình3.2: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccos

Như vậy khi điều chỉnh Ucm từ trị số Ucm= +Um đến Ucm = - Um ,ta cú thể điều chỉnh được gúc α từ 00 → 1800

Nguyờn tắc điều khiển thẳng đứng “Arccos” được sử dụng trong cỏc thiết

bị chỉnh lưu đũi hỏi chất lưọng điều chỉnh cao

Đ 3.2 Thiết kế mạch lực cầu chỉnh lưu điều khiển Thyristor

+ Điện áp ngược lớn nhất mà Thyristor phải chịu

Ung max = k nv.U2 = k nv

Ku

Ud Với : knv = 2

+ Dòng điện định mức của van

Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt Không có quạt đối lưu không khí, với điều kiện đó dòng định mức của van cần chọn :

IđmV = ki I lv

Iđm V = 4 8,5 = 34 (A)

Iđm V = 34 (A)

Từ các thông số Unv, Iđmv ta chọn được 4 Thyristor loại NO29RH10 Có các thông số sau :

+ Điện áp ngược cực đại của van : Ung = 1000 (V)

+ Dòng điện định mức của van : Iđm = 50 (A)

+ Dòng điện của xung điều khiển : Iđk = 0,15 (A)

+ Điện áp của xung điều khiển : Uđk = 3 (V)

+ Dòng điện rò : Ir =

+ Sụt áp lớn nhất của Thyristor ở trạng thái dẫn là : ΔU = 0,85 (V)

+ Tốc độ biến thiên điện áp :

+ Thời gian chuyển mạch : tcm = 100 μs

+ Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : Tmax = 1250C

3.2.2.Tính toán các mạch bảo vệ Thyristor

Các Thyristor cần được baỏ vệ khỏi tốc độ tăng dòng điện và tăng điện áp

quá lớn

Khi đề cập đến cách bảo vệ các Thyristor chống lại các nguyên nhân gây

hư hỏng ta dựa vào các giá trị dòng điện và điện áp mà mỗi Thyristor phải chịu

- Bảo vệ tăng dòng điện quá lớn

- Bảo vệ quá dòng điện nhờ nối tiếp vào mạch một cuộn kháng bão hoà lõi thép Ferit với một vòng dây Cuộn kháng có tác dụng hạn chế tốc độ tăng trưởng dòng điện sự cố

L T

L được chọn theo kinh nghiệm : L = (50 ÷ 100 )μH

- Bảo vệ quá điện áp

Để bảo vệ quá điện áp ta có thể dùng mạch RC mắc song song với

Thyristor để chống quá điện áp khi chuyển mạch nhiều

P U

.

2

min ≤ R* ≤ Rmax

Q

U L

2

min

Dựa vào các công thức trên, hình vẽ biểu diễn mối quan hệ C* và R* theo

k

R = ( 10 ÷ 1000 ) Ω

Chọn: R = 10(Ω)/3(w)

C = 0,1 (μF)/600(mV)

3.2.3.Vấn đề làm mát cho Thyristor khi làm việc

Khi Thyristor mở cho dòng chảy qua , công suât tổn thất bên trong

- Làm mát tự nhiên: Có thể khai thác chỉ cỡ 35%giá trị dòng trung bình cho phép qua van

- Làm mát cưỡng bức bằng qụat gió: có thể khai thác đến 50% giá trị dòng trung bình qua van

- Làm mát cưỡng bức bằng nước: khai thác đến 95% giá ttrị dòng trung bình qua van

Như vậy để khai thác triệt dể dòng điện qua van ,ta có thể làm mát bằng cách cho nước chảy trực tiếp qua cánh tản nhiệt

§ 3.3 Thiết kế mạch điều khiển

Ta đã biết Thyristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dương đặt nên Anốt và có xung dương đặt vào cực điều khiển Sau khi Thyristor

mở thì xung điều khiển không còn tác dụng.Vì vậy việc Thyristor mở cho dòng điện chảy qua là do thông số mạch điều khiển quyết định

3.3.1.Mạch điều khiển có chức năng sau :

- Điều chỉnh được vị ttrí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ của điện áp dương đặt nên Anốt-Catốt của Thyristor

- Tạo ra được các xung điều khiển đủ điều kiện mở được Thyristor Xung điều khiển có biên độ xung từ (2 ÷ 10 )V, độ rộng xung điều khiển

tx = (20 ÷100) μs (đối với thiết bị chỉnh lưu) , tx < 100 μs (đối với thiết bị biến đổi tần số cao)

- Sườn xung ngắn (ts = 0,5 ÷ 1) μs

- Đảm bảo tính đối xứngvới các kênh điều khiển

- Độ tác động nhanh của mạch điều khiển

- Đảm bảo cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển

Ux

t0

- Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường với các chế độ khác nhau

do tải yêu cầu

- Có độ đối xứng xung điều khiển tốt

- Xung điều khiển phát tới các van lực phù hợp để mở các van lực

- Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt

Sơ đồ khối mạch điều khiển góc mở α theo nguyên tắc thẳng đứng :

- Khâu ĐF: tạo ra điện áp đồng pha với điện áp nguồn

- Khâu SS : tạo thời điểm phát ra xung điều khiển bằng cách so sánh điện

áp điều khiển với đIện áp tựa Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau sẽ xuất hiện một xung , lấy sườn dương để chế thành xung điều khiển mở

Thyristor

- Khâu KĐX và BAX: khuếch đại xung đảm bảo biên độ , độ rộng xung đủ

để mở Thyristor, và cách ly mạch điều khiển với mạch lực

Để điều khiển góc mở α theo nguyên tắc thẳng đứng cho bản đồ án này ta

sử dụng mạch điều khiển góc mở α dùng IC(LM324) và IC(LM741) được trình bày như sau :

3.3.3.Tính toán các khâu của mạch điều khiển :

ta được điện áp ra tại điểm (1) là U1 có dạng chuỗi xung hình chữ nhật

dương âm kế tiếp ,có biên độ U1 = Ubh

Chuỗi xung hình chữ nhật này được đưa sang khâu vi phân gồm có tụ C7

và điện trở R6

- Khi U1 = - Ubh thì tụ C7 được nạp từ đất nên U2 = UGND = 0

- Xét tại thời điểm t = t1, khi điện áp U1 tăng đột ngột từ –Ubh nên +Ubh ,

do đó điện áp U1 = Ubh Khi đó điện tích trên 2 bản cực của tụ C7 không kịp thay đổi do đó U2 = 2Ubh Sau đó U1 = +Ubh thì tụ C7 sẽ phóng điện qua điện trở R6 về đất đến khi U2 = 0 Thời gian tụ C7 phóng điện về đất là T1

- Xét tại thời điểm t = t2, khi điện áp U1 giảm đột ngột từ U1 = +Ubh xuống

U1 = -Ubh, đo đó U1 = 2Ubh Khi đó điện tích trên hai bản cực tụ C7 cũng chưa kịp thay đổi do đó U2 = -2Ubh Sau thời điểm đó thì U1 = -Ubh và tụ C7

sẽ phóng điện qua điện trở R6 về đất đến khi U2 = 0 Thời gian phóng điện của tụ C7 cũng là T1

Như vậy ta có điện áp ra sau khâu vi phân là U2 có dạng chuỗi xung kim tam giác dương âm kế tiếp

Chuỗi xung kim U2 được đưa tới khâu khuếch đại thuật toán U1B thông qua hai điốt D3 và D4 mắc song song ngược

- Ở nửa chu kỳ đầu khi U2 > 0 thì điốt D3 sẽ thông Điện áp được đưa vào cửa đảo của U1B bằng tổng U2 + điện áp phân áp trên R4 và R5

Qua U1B điện áp bị đảo dấu Điện áp ra tại điểm (3) là U3 là điện áp âm Khi U2 = 0 thì cả D3 và D4 đều khoá, điện áp vào cửa đảo của U1B lấy trên phân áp R4 và R5 là điện áp âm nên điện áp ra U3 là điện áp dương Khi U2 < 0 thì điốt D4 sẽ thông điện áp âm đặt nên cửa không đảo của U1B nên điện áp ra U3 là điện áp âm

+ Khi U1 = -Ubh thì U2 = UGND = 0

+ Khi U1 tăng đột ngột từ -Ubh →+Ubh có nghĩa U1 biến thiên một

khoảng 2Ubh thì điện tích trên hai bản cực của tụ C7 chưa kịp thay đổi nên

U2 = 2Ubh Sau đó U1 = +Ubh thì tụ C7 sẽ phóng điện qua điện trở R6 về đất

- Hằng số thời gian phóng của tụ C7 là T1

10 5 , 0

−

−

= 1,06.103 (Ω) Chọn R6 = 1,5 (kΩ)

Chọn khuếch đại thuật toán U1B loại LM324

3.3.3.2.Khâu tạo điện áp răng cưa

Khi điện áp ra U3 dương đặt vào đầu của điốt D5 thì D5 bị khoá, tụ C8được nạp ngược theo chiều từ U4 qua tụ C8 qua VR2, đến khi điện áp trên tụ

C8 bằng 10V

Khi điện áp ra U3 âm đặt vào đầu của điốt D5 thì D5 sẽ thông cho dòng điện chảy qua lúc này tụ C8 sẽ phóng điện tích theo chiều từ +12V qua biến trở VR1và điện trở R8 đến khi điện áp trên tụ bằng 0V

4.Tính toán khâu tạo điện áp răng cưa

Ubh = 10(V)

→ VR2 = 3

10 1

10

− = 10.103 (Ω) Chọn VR2 = 10(kΩ)

→ C8 =

) (

8

C U

1 − 3 − 3

= 0,05.10-6 Chọn C8 = 47 (nF)

+ Khi tụ C8 phóng

Điện áp khi tụ C8 phóng là :

U(C8) = UCt - ∫T

t phong dt I

1 8

10

−

10 5 , 9

10 47 10

U CC

+ +

12

− + = 240.103 (Ω) → VR1 + R8 = 240 (kΩ)

Chọn VR1 = 40 (kΩ)

= 200 (kΩ)

3.Nguyên lý hoạt động

Muốn xác định được thời điểm mở Thyristor ( góc mở α ) thì ta tiến hành so sánh hai tín hiệu Uđk và Urc Điện áp răng cưa U4 được đưa vào cửa đảo của khâu khuếch đại thuật toán U1D để so sánh với điện áp điều khiển được đưa vào cửa không đảo Điện áp điều khiển được đưa vào cửa không đảo của khuếch đại thuật toán U1B qua R7

- Nếu Urc < Uđk thì tín hiệu ra là dương →U4 > 0

- Nếu Urc > Uđk thì tín hiệu ra là âm → U4 < 0

- Nếu Urc = Uđk thì đó là thời điểm phát xung để mở Thyristor

Vậy ở đầu ra của U1D là một chuỗi xung âm dương liên tiếp Muốn thay đổi góc mở α của Thyristor từ 00 ÷ 1800 thì ta thay đổi giá trị độ lớn của điện áp điều khiển Uđk - Điốt D6 dùng để loại bỏ phần xung âm Vì vậy điện áp ra ở điểm (6) chỉ còn phần xung dương 4.Tính toán khâu so sánh Chọn điện trở R9 = R10 = 10 (kΩ)

R11 = 5 (kΩ)

Chọn khuếch đại thuật toán U1D loại LM324

Điốt D6 dùng để loại bỏ phần xung âm chọn loại 1N4148

3.3.3.4.Khâu phát xung chùm 1.Sơ đồ nguyên lý

Hình3.10: Sơ đồ nguyên lý khâu phát xung chùm

Ur = K U6

với K =

13 12

12

R R

R

+ Khi cấp nguồn cho khuếch đại thuật toán U3A sau thời gian quá độ thì thì

sự phóng nạp của tụ C9 tạo ra chuỗi xung hình chữ nhật

Giả sử đầu ra của khâu khuếch đại thuật toán U3A là điện áp dương qua

phân áp điện trở R12 và R13 có điện áp ngưỡng là U ngưỡng =Ur , điện áp này

đặt vào cổng không đảo của U3A Đồng thời tụ C9 được nạp từ đầu ra của

U3A qua điện trở R14 đặt vào cửa đảo của U3A Tụ C9 nạp điện áp lớn dần

lên, khi nào điện áp đó lớn hơn cửa không đảo thì đầu ra của U3A đổi dấu Quá trình đó cứ lặp lại như trên kết quả ta thu đươc xung chùm âm dưong kế

tiếp ở đầu ra (7)

Vì điốt D7 dùng để loại bỏ phần xung âm nên tại điểm (8) ta thu được

xung chùm chỉ có phần xung dương

4.Tính toán khâu phát xung chùm

Chu kỳ phát xung là T = 2,2.R14.C9

→ R14 =

9

2 ,

1 = 10-4 (s)

→ R14 = 4 6

10 02 , 0 2 , 2

10

−

−

= 2272,7 (Ω) Chọn R14 = 3,3 (kΩ)

R12 = R13 = R15 = 10 (kΩ)

Để cho khi điện ỏp ra ở khõu khuếch đại thuật toỏn cú giỏ trị õm mà điốt

D7 khụng bị đỏnh thủng chọn điện trở R15

R15 =

3 , 0

10 = 33,3 (Ω) Chọn R15 = 4,7 (Ω)

Chọn khuếch đại thuật toỏn U3A là loại LM741

3.3.3.5.Khõu trộn xung

1.Sơ đồ nguyờn lý

Hình3.12: Sơ đồ nguyên lý khâu trộn xung

1 2

3

U2A

96

8

2.Đồ thị dạng điện ỏp ra

t0

t0

Đối với một số mạch do chất lượng của biến áp xung không tốt ( do biến

áp xung có thể được quấn bằng tay) và để giảm công suất cho tầng khuếch đại , tăng chất lượng xung kích mở cho Thyristor ( nhằm đảm bảo cho

Thyristor mở một cách chắc chắn ) người ta thường dùng phương pháp phát xung chùm cho các Thyristor Trước khi vào tầng khuếch đại ta cho xung ra

từ sau khâu so sánh cộng với xung tạo ra từ khâu phát xung chùm rồi cho qua khâu trộn xung thực chất là qua phần tử AND Sau khâu so sánh ta thu được xung có tần số thấp (100Hz) còn từ khâu phát xung chùm ta thu được xung có tần số cao (10 kHz) Ta đem cộng hai xung này lại kết quả là đầu ra của khâu trộn xung ta thu được xung có tần số cao để điều khiển mở

Điôt D10 hạn chế quá áp trên các cực colector và emitor của T2 khi T2khoá

Điôt D11,D12,D13,D14 có tác dụng làm giảm điện áp ngược đặt lên giữa catốt

và cực điều khiển G của Thyristor khi khoá

4.Tính toán khâu khuếch đại xung và biến áp xung

a) Tính toán BAX

- Biến áp xung là thiết bị dùng để truyền tín hiệu điều khiển có các đặc điểm sau :

+ Tạo xung điều khiển có biên độ yêu cầu

+ Truyền xung ở tần số cao

+ Dễ phân phối xung đi các kênh điều khiển

+ Cách ly về điện giữa mạch lực và mạch điều kkhiển

- Theo phần tính tóan ở mạch lực chọn Thyristor có các thông số sau :

- Tỷ số biến áp xung m thường chọn từ (1 ÷ 5), chọn m = 2

- Điện áp trên cuộn sơ cấp biến áp xung là U1

2 ,

8 = 109,3 (Ω)

- Chọn R19 = 220(Ω)

- Công suất trở biến áp : P = R19.ISC2 = 220.0,075 2 = 1,24 (W)

Chọn điện trở R19 : 220Ω/ 2W

0 = 0,0125 (mm2)

+ Đường kính dây quấn sơ cấp BAX là d1 :

d1 =

Π 1

4S

=

14 , 3

0125 , 0

S2 =

4

15 ,

0 = 0,0375 (mm2)

+ Đường kính dây quấn thứ cấp BAX là d2:

d2 =

Π 2

4S =

14 , 3

0375 , 0

4 = 0,22 (mm)

Chọn d2= 0,3(mm)

b) Tính khâu KĐX

Xung điều khiển được lấy ra từ khâu trộn xung, nhưng chúng có dòng điện

và điện áp nhỏ Để đảm bảo được dòng và áp yêu cầu đặt vào cuộn sơ cấp

của BAX ta dùng mạch KĐX gồm hai tranxistor mắc theo kiểu DARLINGTON

- Điện áp ở cực Colectơr của Tranzitor T2 là :

2

2 = =

T

C B

I I

- Điốt D10 để ngăn quá điện áp đặt nên cuộn sơ cấp biến áp xung

- Điốt D11, D13 ngăn xung âm đặt vào cực G của thyristor, D12 và D14 bảo

vệ lớp tiếp giáp K và G cho thyristor khi nó khoá

Các điốt D10,D11, D12, D13, D14 chọn loại 1N4007

Hệ truyền động chỉnh lưu điều khiển Thyristor - Động cơ điện một chiều (T-Đ) thường có hai mạch vòng : Mạch vòng dòng điện Ri nằm trong và mạch vòng tốc độ Rω nằm ngoài

- Mạch vòng tốc độ để đảm bảo đáp ứng về tốc độ ω

- Mạch vòng dòng điện đảm bảo đáp ứng về mômen M

1.Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động T-Đ

R ω ω

- Từ phương trình đặc tính cơ ta có mô hình toán học của động cơ một chiều như sau :

1+ pT−

1pJ

K0

K0

U−(-)

ω

1 : Là hàm truyền của mạch phát xung có dạng khâu quán tính bậc

một với Tđk = 0,01s là thời gian trễ của mạch phát xung điều khiển cầu một pha

Vì nội dung đồ án là thiết kế bộ chỉnh lưu về công suất nên không xác định

cụ thể động cơ do vậy ta không tính toán các khâu phản hồi

+ Sơ đồ nguyên lý khâu đo dòng điện

P. .

1

Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng điện thực hiện bằng mạch khuếch đại thuật toán như sau :

p.J

K 1+ pT

R ω ω

1

Ki

K 1+ pT

của bộ điều chỉnh ta có sơ đồ tổng thể của mạch điều khiển như sau :

R14

C7

C8 D3

D4

D5

D8

D6 DZ1

D7

VR1 VR2 +12

C9 R13

R18

R21

R19 R16

R17

R12

D9

T1 T2

T3 T4

D10

D12 D11

D13 D14

D15

D16 D17 D18 D19

5 6 7 U1B

10 9 8 U1C GND 12

13 14 U1D

GND

GND

GND -12

GND GND

3 2 1

U3A

12 13 14 U2D

C12 C13

C11 R25 R26 VR3

VR5

VR6 VR8

GND

+12

GND

GND R32

R35

R34

R36 VR9

GND

GND 10 9 8 U3C 12

13

14 U3D

-12

VR10

3 2 1

5

6 4U4B