BÁO cáo CHUYÊN đề NGÀNH công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa CHUYÊN NGÀNH tự động hóa và điều khiển thiết bị công nghiệp

RƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN Lực KHOA ĐIỀU KHIỂN & Tự ĐỘNG HĨA ĐỢI HỌC ĐIỆÍ1 Lực ELECTRIC POWER UNIVERSITY BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ NGÀNH: Công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa CHUYÊN NGÀNH: Tự động hóa điều khiển thiết bị công nghiệp HỌC PHẢN: Đề án điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Ngọc Khốt Nhóm sinh viên/ sinh viên thực - Mã sinh viên: Nhóm : Nguyễn Khánh Hùng Khơi - 19810430152 Lớp : D14TDH&DKTBCN3 HÀ NỘI, 2/2022 ^^ffi^^^VHD.Nguj|nNgoeKhốt Đổánmịnhoc^Điêntử^ơngsuất CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU HÌNH TIA BA PHA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU -—£3 ^^-— A TỔNG QUAN VỀ CHỈNH LƯU PHA HÌNH TIA: 1.Sơ đồ chỉnh lưu hình tia pha : R Hình 1.1: Sơ đồ chỉnh lưu tia pha Hình 1.2 : Sơ đồ dạng sóng tia pha SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khơi 19810430152 ^^ffi^^^VHD.Nguj|nNgoeKhốt Đổánmịnhoc^Điêntử^ơngsuất ^ Sơ đồ chỉnh lưu pha: Gồm máy biến áp pha có thứ cấp nối Yo, pha Thyristor nối với tải hình 1.1 * Điều kiện cấp xung điều khiển chỉnh lưu: +Thời điểm cấp xung điện áp pha tương ứng phải dương so với trung tính +Khi biến áp đấu hình (Y)trên pha A,B,C nối van.3 catod đấu chung cho điện áp dương tải ,cịn trung tính biến áp, điện áp âm Ba pha dịch góc 120 o theo đường cong điện áp pha ,có điện áp pha dương điện áp pha khoảng thời gian 1/3 chu kì +Nếu có Thyristor khác dẫn điện áp pha tương ứng phải dương pha Vì phải xét đến thời gian cấp xung Góc mở tự nhiên: +Góc mở (X xác định từ lúc điện áp đặt lên van tương ứng chuyển từ âm đến (từ đóng sang khố) bắt đầu đặt xung điều khiển vào +Điện áp gây nên trình chuyển mạch: điện áp dây + Q vc V , eó giá trị lớn nên Ti mở eho dòng ehạy qua T2; T3 khố í, = Ỵ ' R • Lúe 92 < < 9, > vb > vc > V,, vb eó giá trị lớn nên T2 mở eho dịng ehạy qua Ti; T3 khố, 1v-b - E — R • Lúe 03 < < 9| vc > V;| > vb, T3 mở; Ti, T2 khố; Vẹ-E R Trong đó: R: điện trở eủa động eơ E: suất điện động phản kháng eủa động eơ Dịng trung bình: b) Xét góe mở ^ : Giả thiết tải : R, L,Eu , chuyển mạeh tứe thời Điện áp pha thứ cấp máy biến áp: w, = Um sin 2ĩT u u = „, sin(ớ-^-) w3 =L/njsin(ớ + ^) *Nhịp Vi: khoảng thời gian từ ỡ\ -> ớ2 Tại ỡỵ điện áp đặt lên ui > 0, xung kíeh khởi: T1 mở, đó: Ti mở, T2, T3 đóng, lúe này: +Điện áp chỉnh lưu điện áp ui : ud = ui +Dòng điện chỉnh lưu dòng điện qua van i: id = Id = ii +Dòng điện qua T2, T3 0: Ỉ2 = Ỉ3 = Trong nhịp Vi: uv2 từ âm chuyển lên 0, uv2 = T2 mở, lúc uvi = ui - u2 = bắt đầu âm nên Ti đóng, kết thúc nhịp Vi, bắt đầu nhịp V2 *Nhịp V2: từ > 3- ; Lúc : -Ị ' ỊẠ‘ “ T2 mở, Ti, T3 đóng +Điện áp chỉnh lưu điện áp u2: ud = u2 +Dòng điện chỉnh lưu dòng điện dòng điện qua van 2: id = Id = Ỉ2 +Dòng điện qua Ti, T3 0: ii = Ỉ3 = 44 SVTH:: Nguyễn Nguyễn Khánh Khánh Hùng Hùng Khôi Khôi 19810430152 19810430152 ^^ffi^^^VHD.Nguj|nNgoeKhốt Đổánmịnhoc^Điêntử^ơngsuất Trong nhịp V2: UV3 từ âm chuyển lên 0, UV3 = T3 mở, lúc UV2 = U2 - U3 = bắt đầU âm nènT: đóng, kết thúc nhịp V2, bắt đầU nhịp V3 *Nhịp V3: từ ỡy -7- llỵẠ = Lúc : sUvỵ — uỵ — u3 U v2 T3 mở, T1, T2 đóng +Điện áp chỉnh lưU điện áp U3: Ud = U3 +Dòng điện chỉnh lưU dòng điện dòng điện qUa van 3: id = Id = Ì3 +Dịng điện qUa T1, T2 0: i i = Ỉ2 = Trong nhịp V3: UV1 từ âm chUyển lên 0, UV1 = T1 mở, lúc UV3 = U3 - U1 = bắt đầU âm nên T3 đóng, kết thúc nhịp V3, bắt đầU nhịp V1 Trong mạch ,dạng sóng dòng điện phụ thUỘc vào tải, tải thUần trở dịng điện i d dạng sóng Ud ,khi điện kháng tải tăng lên ,dòng điện trở nên phẳng hơn, L d tiến tới vơ dịng điện id không đổi, id = Id Trị trung bình điện áp tải: Tĩ _ 6f /3x/6C'2 17TT V2.ỈẠ.sinc/.ứỂ/=—_ cosa = 1,1 /lẦcosG' =-— ^3^2 ITĨ —+a Trong : a : Góc mở Thyristor Trùng dẫn: ea = yíl.u2 sin ỡ eh =42.u2.sin(0 y) ec^4Ĩ.U2.sm(ỡ + ^~) Giả sử T1 cho dòng chạy qUa, ỈT1 = Id Khi = 02 cho xUng điềU khiển mở T2 Cả Thyristor T1 T2 cho dòng chảy qUa làm ngắn mạch ngUồn e a eb NếU chUyển gốc toạ độ từ sang ỡ2 ta có: ea = -TĨ.Un sin(ớ + —- + ÍZ) eh = V2.t7, sin(6’ + + ơ) Điện áp ngăn mạch: uc = eb — ea = lĩ.u2 sin(6* + a) Dòng điện ngắn mạch đuợc xác định phương trình: 1— ~ ~ „ _ „ di ~j6.U2 sin(Ế> + a) = 2.Xc.-fdt Do đó: VĨ.Ỉ7 [coscr - cos(ớ + «)] SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khơi 19810430152 Đổánmịnhoc^Điêntử^ơngsuất ^^ffi^^^VHD.Nguj|nNgoeKhoát Nguyên tắc điều khiển Thyristor : Khi anod Thyristor dương Thyristor kích mở Thời điểm pha giao coi góc thơng tự nhiên Thyristor Các Thyristor mở với góc mở nhỏ Tại thời điểm có Thyristor dẫn ,như dòng điện qua tải liên tục, t dẫn 1/3 chu kì.cịn điện áp tải gián đoạn thời gian dẫn Thyristor nhỏ Tuy nhiên, TH dịng điện trung bình Thyristor 1/3 I d khoảng thời gian Thyristor dẫn dòng điện Thyristor dòng điện tải Dịng điện Thyristor khố = Điện áp Thyristor phải chịu điện dây pha có Thyristor khố với pha có Thyristor dẫn Khi tải trở dòng điện điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ thuộc vào góc mở Thyristor +Nếu < 30 ^ Ud , Id liên tục +Nếu > 30 ^ Ud , Id gián đoạn Hình 1.4 :Giản đồ đường cong góc mở a= 60 o ^^ffi^^^VHD.Nguj|nNgoeKhốt Đổánmịnhoc^Điêntử^ơngsuất * Nhận xét : So với chỉnh lưu pha: +Chỉnh lưu tia pha có chất lượng điện chiều tốt +Biên độ điện áp đập mạch tốt +Thành phần sóng hài bậc cao bé +Việc điều khiển van bán dẫn tương đối đơn giản Dòng điện cuộn thứ cấp dòng điện chiều ,do biến áp pha trụ mà từ thông lõi thép biến áp từ thông xoay chiều không đối xứng làm cho công suất biến áp phải lớn Khi chế tạo biến áp động lực, cuộn dây thứ cấp phải đấu sao(Y) ,có dây trung tính phải lớn dây pha dây trung tính chịu dịng tải Tổng quan Thyristor : a) Cấu tạo: Là dụng cụ bán dẫn gồm lớp bán đẫn loại P N ghép xen kẽ có cực anốt, catốt cực điều khiển riêng G + P1 + + J J ‘Ẽ^ T + N1+ + + P2 + + N2 J G Hình 1-5 Kí hiệu : SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khơi 198104301G ^^Q^^ GVHD : Nguyễn Ngoc Khốt Đổánmơnhoe^ĐÌêntửcÕngSUất b) Ngun lý hoạt đông : Khi Thyristor đượe nối với nguồn môt ehiều E > tứe eựe dương đặt vào anốt eựe âm đặt vào eatốt, tiêp giáp J1, Js đượe phân eựe thuận eòn miền J2 phân eựe ngượe, gần tồn bơ điện áp đượe đặt lên mặt ghép J2, điện trường nôi E1 eủa J2 ehiều từ N1 hướng tới P2 Điện trường ngồi táe đơng éng ehiều với E 1, vùng ehuyển tiếp vùng ếeh điện ềng đượe mở rơng ra, khơng dịng điện ehạy qua tiristor mặe dù đượe đặt điện áp dương +Mở Thyristor : Nếu eho môt xung điện áp dương U g táe đông vào eựe G (dương so với K ) ếe eleetron từ N2 ehạy sang P2 Đến môt số ehúng ehảy nguồn U g hình thành dòng điều khiển Ig ehảy theo mạeh G1 - Js - K - G , eòn phần lớn điện tử sứe hút euả điện trường tổng hợp eủa mặt J2 lao vào vùng ehuyển tiếp ehúng đượe tăng tốe đơng lớn bẻ gảy eáe liên kết eáe nguyên tử Si, tạo nên eáe điện tử tự Số điện tử lại tham gia bắn phá eáe nguyên tử Si kháe vùng ehuyển tiếp Kết eủa eáe phản ứng dây ehuyền làm xuất eàng nhiều điện trường ehạy vào vùng N1 qua P1 đến eựe dương eủa nguồn điện ngoài, gây nên tượng đẫn điện ạt làm eho J2 trở thành mặt ghép dẫn điện mơt diểm sung quanh eựe phát triển tồn bơ mặt ghép với tốe đô lan truyền khoảng 1m/100ps - Môt biện pháp đơn giản để mở Thyristor đượe trình bày hình vẽ Khi đóng mở K, Ig > Igst T mở ( Ig « (1,1 -1,2 ).Igst) (14-1,2)^, Ig : Giá trị dòng điều khiển ghi sổ tay tra eứu Thyristor R2 = 100: 1000(Q) Có thể hình dung sau : Khi dặt Thyristor UAK > Thyristor tình trạng sẵn sàn mở eho dịng ehảy qua, n đợi tín hiệu I g eựe điều khiển, Ig > Igst Thyristor mở +Khố Thyristor : Mơt Thyristor mở tín hiệu I g khơng n táe dụng Để khố Thyristor ếeh : Giảm dịng điện làm việe I xuống giá trị dịng trì Idt Đặt môt điện áp ngượe lên Thyristor UAK < 0, hai mặt J1, Js phân eựe ngượe, J2 phân eựe thuận Những điện tử trướe thời điểm đảo eựe tính UAK < eó mặt P 1, N1, P2, đảo ehiều hành trình, tạo nên dịng điện ngượe ehảy từ Catốt Anốt eựe âm eủa nguồn điện áp ngồi e+E • +E Rt1 A T1 Rt2 B T2 SVTH : Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 Hình 1-6b Hình 16e ^^Q^^ GVHD : Nguyễn Ngoc Khốt Đổánmơnhoe^ĐÌêntửcÕngSUất Lúe đầu q trình từ to— ti, dịng điện ngượe lớn, sau J1, Js trở nên ếeh điện Cịn điện tử đượe giủ lại hai mặt ghép, tượng khuếeh tán làm ehúng dần eho đến hết J2 khơi phụe lại tính ehất eủa mặt ghép điều khiển - Thời gian khố toff đượe tính từ bắt đầu xuất hiên dong điện ngượe (t 2) thời gian mà sau đặt điện áp thuận lên Thyristor Thyristor khơng mở, toff kéo dài khoảng vài ehụe as Trong trường hợp eũng không đượe đặt tiristor điện áp thuận Thyristor ehưa bị khố khơng nguy eơ gây ngắn mạeh nguồn Trên sơ đồ hình (b), việe khoá Thyristor điện áp ngượe đượe thựe ếeh đong khố K n sơ đồ (e) eho phép khóa Thyristor ếeh tự động Trong mạeh hình (e) mở Thyristor tiristor khoá lại Giả thuyết eho xung điện áp dương đặt vào Gi—Ti mở dẫn đến xuất dòng điện : Dòng thứ ehảy theo mạeh : +E - R 1-T1 E,eòn dòng thứ ehảy theo mạeh +E - R2 -Ti- -E - Tụ C đượe nạp điện đến giá trị E, eựe dương B, eựe âm A Bây eho xung điện áp dương táe động vào G 2->T; mở đặt điện điểm B vào eatốt eủa Ti Như Ti bị đặt điện áp Uc = -E Ti bị khoá lại -T2 mở lại xuất dòng điện : Dòng thứ chảy theo mạch : + E - R i-C - T2 - -E Còn dòng thứ hai chảy theo mạch : +E - R2 - T2 - -E - Tụ C nạp ngược lại giá trị E, chuẩn bị khoá T2 ta cho xung mở Ti c) Điện dung tụ điện chuyển mạch : - Trong sơ đồ hình (b), (c) câu hỏi đặt : Tụ điện C phải có giá trị khố Thyristor ? — Như nói Ti mở cho dịng chảy qua C nạp điện đến giá trị E cực “+” phía điểm B thời điểm cho xung mở T (cả Thyristor điều mở), ta có phương trình mạch điện - r dt + UC với i € — dt Nên E = C.R^ + Ue Viết dạng toán tử Laplace : E Vì t/.(o) = E nên t7(.(p)-at /' toff :p ; I : Ampe ; E : Volt ; C : pF Thời gian toff khoảng thời gian kể từ Hình 16e Đổánmơnhoe^ĐÌêntửcÕngSUất ^^Q^^ GVHD : Nguyễn Ngoc Khốt d) Đặt tính Volt - Ampe Thyristor : Đoạn : Ứng với trạng thái khố Thyristor, có dịng điện rò chảy qua Thyristor tăng U lên đến Uch (điện áp chuyển trạng thái ), bắt đầu trình tăng nhanh chống dòng điện Thyristor chuyển sang trạng thái mở Đoạn : Ứng với giai đoạn phân cực thuận J2 Trong giai đoạn lượng tăng nhỏ dòng điện ứng với mọt lượng giảm lớn điện áp đặt lên Thyristor, đoạn gọi đoạn điện trở âm Đoạn : Ứng với trạng thái mở Thyristor Khi mặt ghép trở thàng đẫn điện Dòng chảy qua Thyristor cịn bị hạn chế điện trở mạch ngồi Điện áp rãi Thyristor lớn khoảng 1V Thyristor giử trạng thái mở chừng I lớn dịng trì IH Đoạn : Ứng với trạng thái Thyristor bị đặt điện áp ngược Dòng điện lớn, khoảng vài chục mA Nếu tăng U đên U ng dịng điện ngược tăng lên nhanh chống, mặt ghép bị chọc thủng, Thyristor bị hỏng Bằng cách cho I g lớn nhận đặt tính Volt - Ampe với Uch nhỏ dần B: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP I GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU : Động điện chiều dùng phổ biến công nghiệp,giao thông vận tải nói chung thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục phạm vi rộng Máy điện chiều làm việc hai chế độ máy phát động Khi máy làm việc chế độ máy phát công suất đầu vào cơng suất cịn cơng suất đầu công suất điện Động quay roto máy phát điện chiều turbine gas, động điesel động điện Khi máy điện chiều làm việc chế độ động cơ, công suất đầu vào cơng suất điện cịn cơng suất đầu công suất Cả hai chế độ làm việc, dây quấn đông điện chiều quay từ trường có dịng điện chạy qua Hình 16e Khi Us = Udk khâu so sánh lật trạng thái , ta nhận sường xuống điện áp đầu khâu so sánh Sườn xuống thông qua đa hài trạng thái bền ổn định tạo xung điều khiển Như cách làm biến đổi Udk , ta điều chỉnh thời điểm xuất xung , tức điều chỉnh góc a Giữa a Udk có quan hệ sau : a Người ta lấy Udkmax = Usmax b) Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos : Theo nguyên tắc người ta dùng hai điện áp : - Điện áp đồng Us , vượt trước UAK = Um sinrot Thyristor góc -y Us = Um cosrot - Điện áp điều khiển Udk điện áp chiều , điều chỉnh biên độ theo hai chiều dương âm Nếu đặt Us vào cổng đảo Ucm vào cổng khơng đảo khâu so sánh : Khi Us = Ucm , ta nhận xung mảnh đầu khâu so sánh khâu lật trạng thái (3-1) Um cosa = Udk ; _ z UdjL' (3-2) Do a = arcos( ~Ị~) ; >Khi >Khi Udk = Um a = ; >Khi Udk = a = y ; Udk = - Um a = n ; Hình 3-4 : Nguyên tac điều khiên thang đứng arcoss Như , điều chỉnh Udk từ trị Udk = +Um , đến trị Udk = -Um ta điều chỉnh góc a từ đến a Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arcos” sử dụng thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao Bằng cách tác động vào Udk ta điều chỉnh vị trí xung điều khiển, tức điều chỉnh góc mở (X -Mạch điều khiển tia pha thường thiết kế theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính -Để tạo thành mạch điều khiển thường sử dụng linh kiện: biến áp đồng pha, vi mạch dio TCA 780 (công tắc ngưỡng), tranzitor, máy biến áp xung, diot diot zener số linh kiện điện tử khác II Lựa chon thiết kế nãCh điều khiển : 1/.Vi mạch TCA 780: a)Giới thiệu: b)Sơ đồ vi mạch TCA 780 Pulse f xfefision S/rxhron Regĩster Ũ í-ctisrge Momtũr Cantrot Ctxnporo tot c schGTge ĩ ribs i-ịto f CortltoL Voucige Inbib:f LoTiộ-Putse í-otr Tiu rat 1071 IE66SỈ58 Hình 3.4 Bảng thích : Pin Chân Symbol Kí hiệu GND ã QU Ổ1 Function (Chức năng) 10 11 12 13 14 15 16 VSYNC I QZ VREF R9 C10 V11 C12 L Q1 Q2 Vs Synchronous voltage Điện áp đồng Inhibit Chân khoá Output Z Đầu Z Stabilized voltage Điện áp chuẩn Ramp resistance Điện trở tuyến tính Ramp capacitance Tụ tuyến tính Control voltage Điện áp điều khiển Pulse extension Mở rộng xung Long pulse Xung dài Output Đầu số Output Đầu số Supply voltage Điện áp nguồn nuôi Ground Output inverted Output U Output inverted Nối đất Đầu số đảo Đầu U Đầu số đảo Vi mạch TCA 780 gọi công tắc ngưỡng -Được bán rộng rãi thị trường, vi mạch hãng Siemens chế tạo, sử dụng để điều khiển thiết bị chỉnh lưu, thiết bị điều chỉnh dòng điện xoay chiều -TCA 780 vi mạch phức hợp thực chức mạch điều khiển: +"Tề đầu” điện áp đồng +Tạo điện áp cưa đồng +So sánh +Tạo xung -Có thể điều chỉnh góc mở a từ 00 đến 1800 điện -Thông số chủ yếu TCA 780: +Điện áp nuôi: Us = 18 V +Dòng điện tiêu thụ: IS = 10 mA +Dòng điện ra: I = 50 mA +Điện áp cưa: Ur max = (US - 2) V +Điện trở mạch tạo điện áp cưa: R9 = 20 kí2 - 500 kQ +Điện áp điều khiển: U11 = -0,5-(Us - 2) V +Dòng điện đồng bộ: IS = 200 A A +Tụ điện: C10 = 0,5 A F +Tần số xung ra: f = 10 - 500 Hz 2/ Khâu khuếch đại xung: -Xung vi mạch TCA 780 chưa đủ lớn để mở Thyristor, cần khuếch đại xung có biên độ đủ lớn để mở Thyristor động lực -Khuếch đại tạo xung gồm linh kiện: transistor, biến áp xung, diot điện trở phân cực cho tranzitor a) Sơ đồ pha khâu khuếch đại xung: b) c) Chức linh kiên: Dz1:diot ổn áp,ổn định điên áp đầu vào khâu khuếch đại D3: hướng dòng cung cấp cho transistor D2, Dz2: hạn chế điên áp cực colector emitor transistor R1, R2: điên trở hạn chế dòng phân cực IB transistor Rc:điên trở hạn chế dòng collector D4:ngăn chặn xung áp âm có T bị khóa Rg: hạn chế dòng điều khiển R3: điều khiển biên độ sườn xung Hoạt động sơ đồ khuếch đại xung: Giả sử tín hiêu vào Uc (là tín hiêu logic) lấy từ chân 15 (và 14) TCA 780 -Khi Uc = “1” (mức logic 1)thì tranzitor dẫn bão hoà Giả sử t = 0, Uc = “1”, tranzitor dẫn, điên cảm L biến áp xung ngăn không cho ~ T _us , ,, T cR - —— ngay, mà dòng Ic tăng từ từ theo hàm mũ c u„ „ _ L, ì = —- (1 - e ) với T" = „ R Khi t = t1 Uc = “0” ta có: -Khi Uc = “0” (mức logic 0) Dz1 bị chặn lại tranzitor bị khoá Tranzitor bị khoá -> I = c xr- -11- , Hoạt động eủa sơ đồ : -TCA 780 hoạt động'tli('o ngi ên tắc1 điều khiển.thẳng đứng tuyến tính ,, , +Uc : điện áp điều khiểi Cấy từ chân 11hoảng 0,5 - 1,6.! V)t (K T CA làr nhiệmvự so sánh _ tạo xung +Us = Uc - Uv : U = Us tức - _ĩ o.„ Uv =0 thời th điểm xuất xnnơ tức điều chỉnh Bằng cách làm thay đổi TLk điền chỉnh góc mở ct Hình 3.6 : Giản đồ đường cong mạch điều khiển +Tự C10: tham gia vào khâu tạo điện áp cưa, nạp băng dịng điện i từ chân số 10 dòng i điều chỉnh R9 (thường R9 = 20 kít - 500 kQ) Dịng điện i tính: t/8 3,3 ■- _, , ~ _ (Thường chọn R9 = 200 k Q ) - -7- /'