Thiết kế hệ thống truyền động điện BBĐ – động cơ một chiều không đảo chiều quay BBĐ dùng sơ đồ chỉnh lưu tiristor

LỜI NÓI ĐẦU Điều khiển là một lĩnh vực quan trọng trong đời sống xã hội. Bất kì ở vị trí nào, bất cứ làm một công việc gì mỗi chúng ta đều tiếp cận với điều khiển. Nó là khâu quan trọng quyết định sự thành bại trong mọi hoạt động của chúng ta. Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi nhưng động cơ điện một chiều vẫn tồn tại. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng. Vì động cơ điện một chiều có đặc tính làm việc rất tốt trên các mặt điều chỉnh tốc độ (phạm vi điều chỉnh rộng, thậm chí từ tốc độ bằng 0). Nhưng độ tin cậy khi sử dụng động cơ một chiều lại thấp hơn so với động cơ không đồng bộ do có hệ thống tiếp xúc chổi than. Hệ thống điều khiển chỉnh lưu - động cơ một chiều cũng là một ứng dụng của kỹ thuật điều khiển. Chỉnh lưu có điều khiển dùng Tiristo để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ. Chỉnh lưu cũng có thể dùng làm nguồn điện chỉnh điện áp kích từ cho động cơ. Hệ thống này thường được dùng cho các động cơ điện được cấp điện từ lưới xoay chiều

LỜI NÓI ĐẦU

Điều khiển là một lĩnh vực quan trọng trong đời sống xã hội Bất kì ở vị trí nào,bất cứ làm một công việc gì mỗi chúng ta đều tiếp cận với điều khiển Nó là khâu quantrọng quyết định sự thành bại trong mọi hoạt động của chúng ta Ngày nay, mặc dùdòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi nhưng động cơ điện một chiều vẫn tồntại Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu mởmáy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng Vì động cơ điệnmột chiều có đặc tính làm việc rất tốt trên các mặt điều chỉnh tốc độ (phạm vi điềuchỉnh rộng, thậm chí từ tốc độ bằng 0) Nhưng độ tin cậy khi sử dụng động cơ mộtchiều lại thấp hơn so với động cơ không đồng bộ do có hệ thống tiếp xúc chổi than Hệthống điều khiển chỉnh lưu - động cơ một chiều cũng là một ứng dụng của kỹ thuậtđiều khiển Chỉnh lưu có điều khiển dùng Tiristo để điều chỉnh điện áp phần ứng động

cơ Chỉnh lưu cũng có thể dùng làm nguồn điện chỉnh điện áp kích từ cho động cơ Hệthống này thường được dùng cho các động cơ điện được cấp điện từ lưới xoay chiều

Đây là mảng đề tài khá rộng, với khối lượng công việc lớn và mới mẻ đối với

em Cho nên em đã gặp một số khó khăn trong quá trình thiết kế, song được sựhướng dẫn tận tình của các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn , đặc biệt là

cô giáo: Võ Thu Hà và sự giúp đỡ nhiệt tình của các bạn cùng lớp cũng như sự tìm

hiểu nghiên cứu và sự nỗ lực của bản thân nên em đã hoàn thành được bản đồ ánnày

PHẦN I

PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TĐĐ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

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 lựa 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

Tóm tắt nội dung chính của phần I

A Chọn phương án truyền động điện:

1 Phân tích lựa chọn động cơ 1 chiều

2 Chọn phương án điều chỉnh tốc độ

3 Phân tích chọn phương pháp hãm dừng động cơ

4 Phân tích chọn bộ biến đổi chỉnh lưu

5 Mạch phản hồi

6 Máy phát tốc

7 Bộ khuếch đại tín hiệu trung gian ( Bộ điều chỉnh )

B Xây dựng cấu trúc hệ thống:

1 Sơ đồ hệ thống điều tốc 2 mạch vòng tốc độ quay và dòng điện

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:

2

- 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 quảkinh tế

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

Động cơ điện 1 chiều

I) 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 chiềukích từ độc lập,kích từ nối tiếp,kích từ hỗn hợp

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

1.1 Động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp

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

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

 = const khi tải thay đổi

R MK

u

điêù chỉnh Uư, Rf, và ik

1.3 Nhận xét chung:

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

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

II CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ

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



R+RK

U

=

2 m

®

f m

®

®

Φ

Φ

RR

2 f

)K( dm

BBĐ : là bộ biến đổi dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của thành điện ápmột chiều và điều chỉnh sức điện động Eb của nó theo yêu cầu.

RK

E

2 m dm

b

Φ

Φ

Với R =R ư+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 (H6)

d) Nhận xét

Khi thay đổi điện áp mạch phần ứng ta sẽ có các

m

®

bx ox

 Sai số tốc độ nhỏ ,dể tự động hoá.

 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

2.3 Thay đổi từ thông kích từ

RK

Φ ω

Độ cứng đặc tính cơ :  = = var

R

) K ( Φx 2

Nhưng nếu giảm từ thông  quá nhiều vì khi giảm  do quán tính tốc độ  sẽthay đổi chậm hơn so với từ thông  nên E = K. giảm  Iư tăng lên  M =K.Iư tăng lên.

Mặt khác khi  giảm quá nhiều thì Iư tăng quá lớn gây nên sụt áp trong mạchphần ứng tăng lên  công suất động cơ giảm  tốc độ giảm

Như vậy khi điều chỉnh giảm từ thông  thì

 độ cứng đặc tính cơ giảm  =

R

) K ( Φx 2 

 Sai lệch tĩnh tăng lên

* Tuy nhiên phương pháp này lại có chỉ tiêu kinh tế cao ,tổn thất năng lượngnhỏ.

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 mỗiphương pháp điều chỉnh đều có những ưu nhược điểm riêng phù hợp với từng yêucầu công nghệ Căn cứ công nghệ của đề tài ta thấy phương pháp thay đổi tốc độbằng 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 , =const trong toàn dải điều chỉnh

III PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG PHÁP HÃM DỪNG ĐỘNG CƠ

Hãm là tạng thái động cơ sinh ra mô men quay ngược chiều với tốc độ quaycủa 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 cơnày có 3 trạng thái hãm là :

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

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

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

0

R

KK

R

EU

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 năng hửu ích

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 phùhợp với yêu cầu công nghệ

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

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 Mc2thì 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

Mh = k.Ih < 0

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

Hãm động năng kích từ độc lập xẩy ra khi động cơ đang quay ta cắt phần ứngđộng cơ ra khỏi lưới điện một chiều rồi đóng kín qua một điện trở hãm Rh cònmạch kích từ vẩn giử nguyên  =const

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..bđ

Vì phần ứng được khép mạch qua điện trở hãm Rh nên sức điện động ban đầusinh ra dòng điện hãm ban đầu được xác định

0RR

kR

R

EI

h

bd h

h

h h

k(

RRI

.k

RR

2Φ)

Φ

)

men hãm càng lớn hãm càng nhanh Tuy

nhiên phải chọn Rh sao cho

h 22

R h

(I)

M hd (I hd) M c

Trong quá trình hãm động cơ chỉ tiêu thụ công suất kích từ rất nhỏ

Pkt=(15)%Pđm

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 nănglượng lớn làm phát nóng động cơ ảnh hương đến tuổi thọ thiết bị Còn phươngpháp hãm động năng có hiệu quả kém hơn phương pháp hãm ngược khi có cùngtốc độ ban đầu và mô men cản Mc Tuy nhiên hãm động năng lại ưu việt hơn vềmặt năng lượng tiêu thụ rất ít năng lượng từ lưới và mạch điều khiển củng đơngiản hơn

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

IV PHÂN TÍCH CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU

Từ những phân tích ta đã chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thayđổi 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 nhữngyếu 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 vanđông cơ (T-Đ)

Bộ biến đổi biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều Khi thay đổigiá trị điện áp Uđk ta thay đổi được góc điều khiển  nhờ đó thay đổi được sứcđiện động của bộ biến đổi Eb = Ebm.cos  thay đổi được điện áp đặt vào mạchphần ứng động cơ Ud = f()  thay đổi được tốc độ động cơ.

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 =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 ,)như hình vẽ bên (H 12)

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

ts

®n

Nhược điểm :

 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

V 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 hiệnđược, nó chỉ thực hiện điều chỉnh trong 1 phạm vi nhất định Vậy để giải quyếtvấn 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 âmtốc độ và phản hồi âm dòng điện

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 hệthống 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

5.2 Phản hồi âm dòng điện

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

16

Ft

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

VII 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, độtác động nhanh của hệ thống và tăng hiệu quả hệ thống, ta dùng khâu khuếch đạitrung gian

Bộ khuếch đại có ưu điểm là:

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

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

-(-) (-)

 i

FX

2 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều chỉnh tốc độ 2 mạch vòng âm tốc độ và

âm dòng điện

K: hệ số phản hồi tốc độ

KI: hệ số phản hồi dòng điện

KBBĐ: là hệ số khuếch đại của BBĐ

KD:hệ số khuếch đại của động cơ

* Kết luận chung:

Qua phân tích các ưu, nhược điểm của các phương án ở trên em đã chọn rađược 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

I d

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 lượngtheo yêu cầu công nghệ

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

Nội dung chính của phần II này gồm:

Chương I Thiết kế sơ đồ mạch động lực

1 Phân tích sơ đồ BBĐ chỉnh lưu

2.Sơ đồ mạch lực

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 Tổng hợp 1 kênh tạo xung

5 Khối tổng hợp và khuếch đại trung gian

6 Mạch tạo nguồn nuôi và tín hiệu điều khiển

20

CHƯƠNG I : THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH ĐÔNG LỰC

1 Phân tích sơ đồ bộ biến đổi chỉnh lưu

Theo yêu cầu đề tài ta sử dụng bộ biến đổi sơ đồ hình cầu 3 pha

a) Sơ đồ nguyên lý:

Giới thiệu sơ đồ :

BAL : Máy biến áp 3 pha dùng để cung cấp điện cho sơ đồ chỉnh lưu

T1T6 : Các van chỉnh lưu có điều khiển dùng để biến đổi điện áp xoay chiều 3pha bên phía thứ cấp BAL là ua ,ub ,uc thành điện áp một chiều đặt lên phần ứngđộng cơ

CK : tác dụng làm nhỏ thành phần xoay chiều của điện áp đầu ra BBĐ

b) Nguyên lý làm việc:

Ở đây ta xét trường hợp điện cảm phụ tải là vô cùng lớn và trong trường hợpdòng tải là liên tục Nguyên lý làm việc của sơ đồ được tóm tắt như sau:

 Từ t = 0  t =0 và từ t = 5  t =6 hai van T4và T5 cùng dẩndòng ud =uc - ua= uca

 Từ t =0 t =1 và từ t = 6  t =7 hai van T5và T6 cùng dẩndòng.

- Điện áp chỉnh lưu trung bình trên tải

cosα U

α π α

sinωinωt m

U

π 2

U  (U2 là điện áp hiệu dụng trên thứ cấp của BA)

- Điện áp thuận và ngược lớn nhất mà Thyristor phải chịu:

2 Tngmax

I2  T  d ;

3

2.k

II

ttBA 2 2 1 2 d d 1.05.Ud.Id

3.I.USS2

)SS(

SVTH : Trần Minh Tuyến GVHD: VÕ THU HÀ

2 Sơ đồ mạch động lực

c r

t 5

c r

t 2

c r

t 3

c r

t 1

c r

t 6

c r

t 4 k mba atm

* Các thiết bị trong sơ đồ:

ATM : là attomat có nhiệm vụ đóng cắt lưới cho mạch động lực đồng thời bảo

T1 đến T6 : Các thyristor có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều thành 1chiều

Mạch R- C đợc mắc song song với các thyristor để bảo vệ quá áp cho cácthyristor

CK: cuộn kháng

K: tiếp điểm của công tắc tơ

Rh: điện trở hãm

CHƯƠNG II

THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

I Giới thiệu chung

Để cho các van của hai bộ biến đổi mở tại những thời điểm mong muốn thìngoài điều kiện tại thời điểm đó trên van phải có điện áp thuận thì trên cực điềukhiển phải có một điện áp điều khiển (còn gọi là tín hiệu điều khiển hay xung điềukhiển) Để có hệ thống các xung điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu mở vanthì 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 độcũng như thời gian tồn tại xung để mở chắc chắn các van đối với mọi loại phụtải Thông thường độ dài xung nằm trong khoảng (200600)s là đảm bảo mởchắc 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

1 Hệ thống điều khiển pha đứng

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

- Khối 1 là khối đồng bộ hoá (ĐBH): Tín hiệu điện áp đưa vào khối nàycũng chính là tín hiệu cấp cho mạch động lực của bộ chỉnh lưu (u1) Khối này tathường 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 lệchpha 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 răngcưa 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 tínhiệu “1” và không có tín hiệu “0”) Tuy nhiên xung này hầu như chưa đáp ứngđược yêu cầu về biên độ xung, độ rộng xung, độ dốc xung, Vì vậy cần phải cókhối 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 xungcho 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 thườngghép khối 1 với khối 2 và khối 4 với khối 5 Vậy sơ đồ lắp ráp thực tế như (hình2.2)

khối3khối 2

khối 1

UGT

u1 ĐBH &

PSRC

phân chia xung

U

đk

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 

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

1.2.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 mạchđồng bộ hoá của khối 1 và trên đầu ra của mạch đồng bộ hoá ta có các điện ápthường có dạng hình sin với tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ đồchỉnh lưu và trùng pha hoặc lệnh pha một góc pha xác định nào đó so với điện ápnguồn Điện áp này gọi là điện áp đồng bộ và ký hiệu là uđb Các điện áp đồng bộđược đưa vào mạch phát điện áp răng cưa để khống chế sự làm việc của mạch điệnnày, kết quả là trên đầu ra của mạch phát điện áp răng cưa có một hệ thống cácđiện 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 vàokhối 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 tạinhững thời điểm 2 tín hiệu này có giá trị tuyệt đối bằng nhau thì đầu ra khối SS sẽthay đổi trạng thái Như vậy khối SS là một mạch điện hoạt động theo nguyên tắcbiến 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 xungxuất hiện với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa, nếu thời điểm bắt đầu xuất hiệncủa một xung nằm trong vùng sườn xung nào của urc tài sườn xung ấy của urc đượcgọi 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 bắtđầu xuất hiện một xung điện áp Từ đó ta thấy có thể thay đổi được thời điểm xuấthiện xung đầu ra của khối so sánh bằng cách thay đổi giá trị của uđk khi giữ

28

nguyên dạng của urc Trong một số trường hợp thì xung ra của khối SS được đưađến cực điều khiển của Tiristo nhưng đa số các trường hợp thì xung ra của khối SSchưa đủ các yêu cầu cần thiết đối với tín hiệu điều khiển Tiristo Để có tín hiệu đủyêu cầu thì người ta phải thực hiện việc sửa xung, khuyếch đại xung vv Cácnhiệm vụ này được thực hiện ở mạch tạo xung (TX) cuối cùng trên đầu ra khỗi T

là một chuổi xung điều khiển uđkT có đủ thông số yêu cầu về công suất, biên độ, độdài xung vvv…mà thời điểm bắt đầu xuất hiện của các xung thì hoàn toàn trùngvới thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối SS Vậy thời diểm xuất hiện của tínhiệu điều khiển trên điện cực điều khiển và Katôt của Tiristo chính cũng là thờiđiểm xuất hiện xung đầu ra khối SS, tức là khối SS đóng vai trò xác định giá trịgóc điều khiển  Như đã nêu ở trên, ta có thể thay đổi thời điểm xuât hiện xung rakhối so sánh bằng cách thay đổi giá trị uđk Vậy điều khiển giá tri điện áp điềukhiển uđk ta điều khiển được giá trị góc mở 

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

 Phạm vi điều chỉnh góc mở  rộng  = (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

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 trùngvới góc pha đầu của điện áp điều khiển Phương pháp này có mạch điều khiển kháđơn giản nhưng lại có một số nhược điểm sau:

 Phạm vi điều chỉnh góc mở  hẹp  <1800

 Khó tổng hợp tín hiệu

3 Hệ thống điều khiển dùng điốt 2 cực gốc

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

 Phạm vi điều chỉnh góc mở  hẹp  <1800

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

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

Đánh giá chọn hệ thống điều khiển

Từ những phân tích cụ thể đối với từng hệ thống điều khiển Ta thấy hệ thốngđiều 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.THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

1 Khối đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa (ĐBH-FSRC)

30

*

A

cc +u

-u

1 0

có trị số nhỏ ( mức logic ‘0’ ) qua phần tử cộng đảo NOR ,uK nhận trị ‘1’ khi này

uM , uN cùng nhận trị ‘0’ nhờ Tr1,Tr3 củng như Tr2,Tr4 có hệ số khuyếch đại lớnnên uK là dảy xung vuông có độ rộng đủ nhỏ

i c

i v

i v

i 1 +

-k

u

h 28

Khi điện áp uK có mức lôgic ‘ 0 ’ Tranzitor Tr5 khoá tụ C1 được nạp điện bởidòng điện không đổi ( Giả thiết IC1 là lý tưởng nên iv+= iv- = 0 )

RWR

Ui

7 1

c

Tụ C1 được nạp theo đường +ucc IC1 C1  R7  WR7 - ucc Khi uK có mứclôgic ‘ 1 ’ thì Tr5 mở tụ C1 phóng nhanh qua Tr5 và điện áp trên tụ C1 giảm vềbằng 0 và giữ nguyên giá trị cho đến uK có mức lôgic ‘ 0 ’

Từ những phân tích trên ta nhận được giản đồ điện áp của mạch phát sóng răngcưa như trên hình vẽ (H.29)

c) Mạch dịch pha

 Sơ đồ nguyên lý

Việc sử dụng biến áp đồng bộ (BAĐ) có tổ nối dây Y/Yo như trên trong khimáy biến áp lực có tổ nối dây Y/Y nên điện áp đồng bộ (uđbo) lấy ra ở phía thứcấp của BAĐ hoàn toàn trùng pha với các pha của điện áp nguồn điện xoay chiềucung cấp cho bộ chỉnh lưu Do đó điện áp đồng bộ (uđbo) được dịch chậm pha đimột góc 30o điện bởi mạch dịch pha R-C bằng R0 ,C1 ,R1 sơ đồ mạch dịch phanhư hình (H.31)

 Nguyên lý làm việc

Như vậy điện áp uđb sẽ có thời điểm bằng không và bắt đầu chuyển sang nửa chu

kỳ dương trùng với thời điểm mở tự nhiên đối với T1 và T7 trong sơ đồ mạc độnglực

Mục đích của việc dịch pha điện áp đồng bộ chậm đi một góc 300 (/6) như trênhình (H.32) là nhằm thống trị góc điều khiển của Tiristo ứng với điện áp nguồn

abc

a b c o

khiển được các Tiristo với trị số góc điều khiển thích hợp Ta biết rằng thời điểm

mở tự nhiên của của các Tiristo được tính tại vị trí giao nhau của 2 điện áp phaliên tiếp và góc điều khiển được tính tại vị trí giao nhau đó trở đi

Mặt khác góc điều khiển  ở mạch phát xung được tính từ điểm bắt đầu củađiện áp răng cưa đến vị trí mà urc+ uđk = 0 Do đó việc dịch diện áp đồng bộ chậm

đi một góc 300 (/6) sẽ làm thoả mản khi góc =0 củng tương ưng với góc mở tựnhiên của các Tiristo

Phổ biến hiện nay là các sơ đồ so sánh dùng Tranzitor và KĐTT bằng vi điện

tử Ở đây ta sử dụng khối so sánh dùng IC

-Ucc

+Ucc

UrU®k

Urc

IC

34

Do đó ta phải thiết kế sao cho khi tăng điện áp điều khiển thì điện áp ra của bộ chỉnh lưu sẽ tăng Lúc này Urc và Uđk phải có dạng sau ( khi Uđk tăng thì U’đk sẽgiảm ):

U'®k2 U

0

t t

Từ t=0t1 xung vào có giá trị dương



max

ra

cho nên usx nhận giá trị logic ‘0’ và

điện áp trên tụ giử nguyên giá trị cho đến t1

Từ t =t1t2 xung vào có giá trị âm tụ C2 phóng điện theo đường : +C2R11 D1

hiện xung ra usx nhận giá trị lôgic ‘1’ Khi tụ C2 phóng hết điện áp trên tụ giảm vềbằng không (uc2 = 0) và được nạp theo chiều ngược lại dòng nạp cho tụ C2 : +ucc

 IC2  D6  - C2  - ucc.Khi tụ C2 được nạp đầy đến giá trị uramaxthì D1 lại

bị đặt điện áp ngược nhờ cách chọn điện trở R11=(0.1 0.2)R12 nên ubeT6> 0 và

Tr6 mở bảo hoà và mất xung ra usx nhận giá tri lôgic ‘0’ điện áp trên tụ giửnguyên giá trị cho đến t2

Từ t = t2 t3 xung vào có giá trị dương tụ C2 phóng điện theo đường: +C2 

RbeT6  nguồn  IC2 R11 -C2 điện áp trên tụ giảm về không và được nạp theocực tính ngược lại dòng nạp cho tụ C2 : +ucc  IC2 R11 C2 Rb e T6 mass điện áp trên tụ tăng dần đến trị số 

max ra

u trong quá trình này Tr6 luôn mởcho nên usx nhận giá trị logic ‘0’ và điện áp trên tụ giử nguyên giá trị cho đến t3

Từ t =t3t4 xuất hiện xung âm quá trình làm việc lặp lại giống như thời điểm từ t

=t1t2

b) Mạch phân chia xung

* Sơ đồ nguyên lý (H.37)

Xung ra ở điểm L của mạch sửa xung có tần số đủ lớn được

đưa vào mạch 38ogic AND là G1 và G4 Còn 2 tín hiệu M và

N là các xung hình chử nhật tương ứng vơi 2 nửa chu kỳ của

mạch đồng bộ hoá

* Nguyên lý làm việc

- Ở nửa chu kỳ dương của điện áp đồng bộ điểm M có mức 38ogic ‘1’ nênG1=M.L có mức 38ogic ‘1’ nên đầu ra G1 có xung điều khiển còn G4=N.L cómức 38ogic ‘0’ nên đầu ra G4 không có xung điều khiển

38

g 4

and

1 g

l

n m

h 37

and

- Ở nửa chu kỳ âm của điện áp đồng bộ điểm N có mức 39ogic ‘1’ nên G4=N.L

có mức 39ogic ‘1’ nên đầu ra G4 có xung điều khiển Còn G1=M.L có mức39ogic ‘0’ nên đầu ra G1 không có xung điều khiển

c) Mạch gửi xung

* Nguyên lý làm việc:

Vì bộ biến đổi dùng sơ đồ hình cầu 3 pha nên ta cần phải thiết kế mạch gửixung Các phần tử tạo xung đầu ra đưa đến biến áp xung là các mạch AND từG1G6

- Ở nửa chu kỳ dương của điện áp đồng bộ pha A thì G1 có tín hiệu điều khiểnqua D2, R14 và D39, R55 cấp tín hiệu cho 2 mạch khuyếch đại và truyền xung để

mở các Tiristo T1 và T2 của mạch động lực

- Ở nửa chu kỳ âm của điện áp đồng bộ pha C thì G2 có tín hiệu điều khiển qua

D38, R54 và D29, R45 cấp tín hiệu cho 2 mạch khuyếch đại và truyền xung để mởcác Tiristo T2 và T3 của mạch động lực

- Ở nửa chu kỳ dương của điện áp đồng bộ pha B thì G3 có tín hiệu điều khiểnqua D28 , R44 và D8 , R17 cấp tín hiệu cho 2 mạch khuyếch đại và truyền xung để

mở các Tiristo T3 và T4 của mạch động lực

- Ở nửa chu kỳ âm của điện áp đồng bộ pha A thì G4 có tín hiệu điều khiển qua

D7 ,R16 và D37 , R53 cấp tín hiệu cho 2 mạch khuyếch đại và truyền xung để mởcác Tiristo T4 và T5 của mạch động lực

- Ở nửa chu kỳ dương của điện áp đồng bộ pha C thì G5 có tín hiệu điều khiểnqua D36, R52 và D31, R47 cấp tín hiệu cho 2 mạch khuyếch đại và truyền xung để

mở các Tiristo T5 và T6 của mạch động lực