thiết kế mạch tạo một biến tần

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ BIẾN TẦN 1.1 TÌM HIỂU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ BIẾN TẦN. Trong thực tế các hệ thống truyền động điện dòng xoay chiều có điều chỉnh tốc độ được cấp điện từ bộ biến tần 3 pha. Ngày nay do sự tiến bộ của công nghệ vi mạch và những công nghệ tiên tiến khác cùng với sự phát triển của lý thuyết điều khiển các hệ thống truyền động điện xoay chiều hiện đại nạp từ bộ biến tần đã có những đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt cho phép cạnh tranh với các hệ thống truyền động điện dòng 1 chiều 1.2 YÊU CẦU CÔNG NGHỆ BIẾN TẦN. Biến tần là thiết bị biến đổinguồn xoay chiều có tần số và điện áp của lưới điện cố định thành nguồn xoay chiều có tần số kahcs với tần số của lưới điện Biến tần được chia làm 2 loại: 1. Bộ biến tần trực tiếp (Cycloconverter): Biến đổi tần số đầu vào f1 thành tần số đầu ra f2 bằng cách đóng cắt dòng xoay chiều f1.Nói chung bộ biến tần trực tiếp chỉ tạo ra tần số f2<f1.Biến tần trực tiếp thường được sử dụng trong các hệ thống công suất cao. 2. Bộ biến tần gián tiếp (Inverter): Trong bộ biến tần gián tiếp nguồn xoay chiều đầu vào f1 được biến đổi thành nguồn 1 chiều ,sau đó nguồn 1 chiều dược biến đổi thành nguồn xoay chiều tần số f2.Trong đó f2 có thể điều chỉnh trong dải rộng. 1.3 PHẠM VI ỨNG DỤNG Khảo satscho thấy: Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment Sinh Viên: Nguyễn Duy Hải Lớp: ĐTĐ51ĐH2 Page 1 _ Trong các bộ điều khiển moment đọng cơ chiếm 55% la ứng dụng quạt gió,trong đó phần lớn nhất là các hệ thống HAVC(diều hòa không khí trung tầm),chiếm 455 là các ứng dụng bơm,chủ yếu là trong công nghiệp nặng _ Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc đọ không đổi lên hệ tốc đọ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về từ việc tiết giảm nguyên liệu điện năng tiêu thụ _ Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm va quạt _ Điều chỉnh lưu lương tương ứng với điều chỉnh tốc độ bơm và quạt _ Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van _ Giảm tiếng ồn công nghiệp _ Năng lượng tiêu thụ tỉ lệ thuận với lũy bậc ba của tốc độ động cơ _ Giúp tiết kiệm điện năng tối đa. CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.1. Yêu cầu đối với mạch điều khiển: + Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi (BBĐ) thyristor vì nó đóng vai trò chủ đạo trong việc quyết định chất lượng và độ tin cậy của BBĐ Sinh Viên: Nguyễn Duy Hải Lớp: ĐTĐ51ĐH2 Page 2 + Mạch điều khiển cho phép thay đổi góc điều khiển α trong phạm vi đúng như yêu cầu tải ( min axm α α − ) + Mạch điều khiển phải phát xung với công suất đủ lớn để chắc chắn mở thyristor + Mạch điều khiển phải đảm bảo độ đối xứng xung điều khiển ( với mạch nhiều thyristor) + Mạch điều khiển phải có chức năng bảo vệ khi có sự cố + Cần khử được nhiễu cảm ứng để tránh mở nhầm thyristor + Thiết bị thay thế dễ lắp ráp và điều chỉnh 3.2 Các khâu điều khiển cần thiết. Hình 3.2.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển - Khâu phát xung chủ đạo :Để tạo tín hiệu đồng bộ cho toàn hệ thống và tạo tần số cho nghịch lưu. Sinh Viên: Nguyễn Duy Hải Lớp: ĐTĐ51ĐH2 Page 3 -Khâu phân phối xung :Tạo ra hệ thống tín hiệu 3 pha và phân phối các tín hiệu đó vào các nhóm van đông lực riêng biệt. -Khâu khuếch đại xung : Tạo xung và công suất thích hợp để đóng mở van động lực. 3.2.1 Khâu phát xung. Ta sử dụng IC555 cho mạch tạo xung. Sinh Viên: Nguyễn Duy Hải Lớp: ĐTĐ51ĐH2 Page 4 Hình .1. Sơ đồ vi mạch IC555 và phát xung chủ đạo *Nguyên lý làm việc: Sinh Viên: Nguyễn Duy Hải Lớp: ĐTĐ51ĐH2 Page 5 Ở trạng thái ban đầu mới cấp điện điện áp trên tụ U C = 0 .Do vậy điện áp tại chân 2 và 6 cũng bằng 0 .Do vậy điện áp ra tại chân 3 ở mức cao ( ≈ U C = 12 V) và ban đầu chân 7 ở mức thấp (=0). Tụ C bắt đầu nạp điện từ +V CC qua R 1 ,R 2 . Điện áp trên tụ tăng dần . Khi điện áp trên tụ ≥ 2V CC /3 thì điện áp ở ngõ ra của chân 3 sẽ chuyển trạng thái về mức thấp ,còn chân 7 sẽ ở mức cao .Lúc này tụ sẽ phóng điện , điện áp trên tụ sẽ giảm dần .Khi điện áp trên tụ < V CC /3 lúc này chân 3 sẽ đổi trạng thái về thấp ,còn chân 7 sẽ chuyển lên cao ,tụ C lại nạp điện .Quá trình dao động cứ tiếp tục diễn ra như thế tạo ra xung chữ nhật ở đầu ra 3. + Dạng xung đầu ra và điện áp trên tụ C : 3.2.2 Khâu phân phối xung Sử dụng ba J-K trigo nhưng đấu không theo kiểu chia tần,vì đầu vào của mỗi trigo lấy trực tiếp từ đầu ra của trigo khác nên đầu J và K luôn ở trạng thái logic ngược nhau, tức là theo bảng trạng thái của J-K trigo, nó sẽ hoạt động ở dòng thứ 2 và thứ 3. Để mạch hoạt động đúng ta đặt vào trạng thái làm việc nào đó thông qua các cổng Reset(R) hoặc Set(S) bằng 1 xung chuẩn bị khởi động, Q 1 = 0 ; Q 2 = 0; Q 3 =1. Điều khiển góc mở van α =180 o ta có : + Đầu ra thứ ba của trigo dùng theo quy luật của van T 1 ,tức là Q 1 = T 1 ,tương tự như vậy ,Q 2 = T 3 ,Q 3 = T 5 Sinh Viên: Nguyễn Duy Hải Lớp: ĐTĐ51ĐH2 Page 6 V Out U C t Hình 2 Dạng xung ra và điện áp trên tụ C + Các van trong cùng 1 pha (1 nhánh thẳng hàng) thì làm việc ngược pha hau : =T 4 ; = T 6 ; = T 2 Hình 3. 3.2.3 Khâu khuếch đại Sinh Viên: Nguyễn Duy Hải Lớp: ĐTĐ51ĐH2 Page 7 Hình 4. Sơ đồ mạch khuếch đại Thyristor được sử dụng ở đây là loại T-50 do Liên Xô cũ sản xuất.Loại này có dòng điều khiển Ig = 0,42 A. 3.3 Tính toán mạch điều khiển nghịch lưu 3.3.1 Tính toán tần số xung ra của IC555 và các trigơ Vi mạch IC555 làm việc ở chế độ tự dao động ,tần số dao động phụ thuộc vào sự phóng nạp của tụ C. Khi C nạp ta có phương trình : Ri + c u = CC V với i=C dt du c dt du c +a c u =a* CC V với a= RC 1 Viết phương trình trên dưới dạng toán tử Laplace p c U (p) - c u (0) + a c U (p)= p aE , với c u (0)= 3 E c U (p)= )( app aE + + )(3 ap E + ⇒ c u (t)= E (1- at e − ) + 3 E at e − Khi t= 1 T thì c u = 3 2 E Do đó 1 T =C 1 R ln2 =0.7C 1 R Sinh Viên: Nguyễn Duy Hải Lớp: ĐTĐ51ĐH2 Page 8 Khi C phóng điện ta có phương trình : c u = 3 2E 2 CR t e − Khi t= 2 T (lấy T 1 làm gốc thời gian phóng điện ) thì c u = 3 E ,do đó 2 T =0.7C 2 R Vậy chu kì xung : T= 1 T + 2 T =0.7C ( 1 R + 2 R ) Tần số xung ra của vi mạch IC555: 555 f = T 1 = )2(7,0 1 21 RRC + Vì có 6 xung ở đầu vào (xung CLOCK) lấy từ IC555 thì các trigơ có 1 xung, như vậy tần số xung ra của các trigơ cũng chính là tần số của điện áp xoay chiều trên tải. )2(2,4 1 )2(7.0*6 1 6 2121 555 RRCRRC f f + = + == Muốn thay đổi tần số của nguồn thì phải thay đổi tần số xung của bộ phát xung chủ đạo IC555 tức là điều chỉnh giá trị C, 1 R , 2 R .Với tải là động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc yêu cầu điều chỉnh tần số từ 15-50HZ. Ta chọn giá trị của tụ C là 0.1 µf,giá trị của R1 được chọn sẽ tương ứng với tần số f=50hz và 2 R =0 là : 1 6 10.1,0.2,4 1 R − = 50 ⇒ R 1 = 47600 Ω lấy R 1 = 47kΩ Sinh Viên: Nguyễn Duy Hải Lớp: ĐTĐ51ĐH2 Page 9 Giá trị điện trở 2 R được chọn tương ứng với f=15hz và R 1 = 47kΩ 3 2 6 10).247(10.1,0.2,4 1 R+ − = 15 ⇒ R 2 = 55,8kΩ lấy R 2 = 50kΩ Bộ phân phối xung dùng 2 vi mạch 4013 chứa 2 trigơ D loại CMOS có điện áp ra mức logic ‘1’ là 4,9V và dòng khoảng 500µA 3.3.2 Tính chọn các phần tử của mạch khuếch đại xung Chọn transitor Q1 :chọn theo đk I c = I op = 5mA, V CE >V CC loại NPN Vậy ta chọn loại 2SC828 có các thông số sau: Thông số P (mw) F T (MHz) T 0 C U CB max U CEmax U BEmax I c max β Type C828 250 200 125 30 30 5 50 220 SN Điện trở R5 được chọn theo điều kiện : R 5 = op QCELEPCC I VVV ) 1 ( −− = 5 5,025 −− = 500 (Ω) Chọn R 5 = 470Ω Vì Q1 chưa bão hoà nên dòng khuyếch đại lớn,chọn β = 200 vậy dòng : I B = β c I = 200 10.5 3 = 25µA Dòng này nhỏ hơn dòng cung cấp của mạch CMOS 4013 nên ta chọn thêm điện trở hạn dòng : Sinh Viên: Nguyễn Duy Hải Lớp: ĐTĐ51ĐH2 Page 10 [...]... 3.3.4 Sơ đồ mạch điều khiển hoàn chỉnh Sinh Viên: Nguyễn Duy Hải Lớp: ĐTĐ51ĐH2 Page 12 = 500 1/8W ⇒ R1+2R2 =60790 Ω Hình 5 Sơ đồ mạch điều khiển nghịch lưu hoàn chỉnh 3.4 Bộ tạo nguồn nuôi Sinh Viên: Nguyễn Duy Hải Lớp: ĐTĐ51ĐH2 Page 13 Thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi, chọn kiểu máy biến áp 3 pha 3 trụ, trên mỗi trụ có 5 cuộn dây (như hình 3.13) một cuộn sơ... =560Ω 1/8W ở đây ta chọn điện áp nuôi mạch kín là 15V 3.3.3 Chọn bộ phát xung chữ nhật điều khiển thyristor Như đã tính toán ở trên transitor trong bộ điều chỉnh xung làm việc ở tần số 500hz vì vậy ta phải chọn bộ điều khiển transitor sao cho bộ điều khiển phải bằng 500hz ở đây ta chọn vi mạch tạo xung IC555 với tần số xung ra f 555 = 500hz như đã tính toán ở trên ta có tần số xung ra của IC555 là: 1 1... = 12,99 VA 9 Dòng điện sơ cấp máy biến áp: I1 = S/ 3.U2 = 12.99/3 220 ≈ 0,02A 10 Tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo công thức kinh nghiệm: Qt= kQ =0,51 cm2 Trong đó: kQ= 6- hệ số phụ thuộc phương thức làm mát m= 3- số trụ của biến áp f = 50- tần số điện áp lưới Vì kích thước này quá nhỏ nên ta chọn chuẩn hoá tiết diện trụ theo bảng Qt= 1,63 cm2 kích thước mạch từ lá thép dày σ = 0,5 mm Số... thực điện áp hình sin của lưới, tốt nhất nên quấn biến áp riêng Tuy nhiên, theo kinh nghiệm có thể quấn chung với biến áp nguồn nuôi cũng có thể được +/ Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha: 1 Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi IC: U21= 14 V 2 Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL 084 sử dụng làm khuếch thuật toán ta chọn hai IC TL 084 để tạo 6 kênh điều khiển và 2 cổng AND PIC = 8 PIC = 8.0,68=... Nguyễn Duy Hải Lớp: ĐTĐ51ĐH2 Page 15 Hình 6 Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn nuôi mạch điều khiển Cuộn thứ cấp thứ hai a2, b2, c2 tạo nguồn nuôi cho biến áp xung, cấp xung điều khiển cho các tiristor (+12 V) Do mức độ sụt xung cho phép tương đối lớn nên nguồn này không cần ổn áp Mỗi khi phát xung điều khiển công suất xung đáng kể, nên cần chế tạo cuộn dây này riêng rẽ với cuộn dây cấp nguồn IC, để tránh gây sụt... thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi biến áp xung a2, b2, c2 Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây đồng pha (a3, b3, c3 a4, b4, c4) U23= 5 V 5 Dòng điện chạy qua cuộn dây đồng pha chọn 10 mA Sinh Viên: Nguyễn Duy Hải Lớp: ĐTĐ51ĐH2 Page 16 6 Công suất các cuộn dây đồng pha : 7 Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi PN = Pdph +PIC +Px PN = 0,3 +5,12+ 6,976 = 12,376 W 8 Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn... vi mạch ổn áp 7812 và 7912, các thông số chung của vi mạch này: Điện áp đầu vào: UV = 7÷35 V Điện áp đầu ra: IC 7812 có Ura= 12 V IC 7912 có Ura= -12 V Dòng điện đầu ra: Ira = 0÷1 A Tụ điện C1, C2 dùng để lọc thành phần sóng dài bậc cao Sinh Viên: Nguyễn Duy Hải Lớp: ĐTĐ51ĐH2 Page 14 Chọn C1= C2 =C3 =C4 = 470 (µF) ; U= 35 V Sinh Viên: Nguyễn Duy Hải Lớp: ĐTĐ51ĐH2 Page 15 Hình 6 Sơ đồ nguyên lý tạo. .. trên mỗi trụ có 5 cuộn dây (như hình 3.13) một cuộn sơ cấp và bốn cuộn thứ cấp Cuộn thứ cấp thứ nhất Cần tạo ra nguồn điện áp ± 12 V (có ổn áp) để cấp cho nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ Nguồn này được cấp bởi ba cuộn dây thứ cấp a1, b1, c1 Hai chỉnh lưu tia ba pha để tạo điện áp nguồn nuôi đối xứng cho IC Điện áp đầu ra của ốn áp chọn 12 V Điện áp vào của IC ổn áp chọn... chuẩn hoá tiết diện trụ theo bảng Qt= 1,63 cm2 kích thước mạch từ lá thép dày σ = 0,5 mm Số lượng lá thép: 68 lá a H h c Sinh Viên: Nguyễn Duy Hải Lớp: ĐTĐ51ĐH2 a a a C Page 17 Hình 7 Kích thước mạch từ máy biến áp a=12mm ; b=16mm ; h=30mm Hệ số ép chặt kc= 0,85 11 Chọn mật độ từ cảm B =1T ở trong tụ ta có số vòng dây sơ cấp: w1 = =6080 vòng 12 Chọn mật độ dòng điện J1= J2= 2,75 A/mm2 mm2 Tiết diện... UCE = 30v loại NPN Vậy chọn Q2 là loại C2275 có các thông số sau: Thông số C2275 P(w) 25 fT(MHz) T0C UCE max (v ) IC max β Type 200 150 150 1,5 A 40 SN *OPTOCOPTEUR: Chọn loại TLP-521 do Nhật Bản chế tạo có các thông số sau : Điện trở cách ly: RCL =1011Ω Điện áp cách ly: 2500V lấy tỷ số truyền dòng 50 ta có : IOP = 5.50 = 250 mA = IB (Q2) IC (Q2) = βIB(Q2) = 40.0,25 = 10A I BQ2 = Dòng điện này quá . CÔNG NGHỆ BIẾN TẦN. Biến tần là thiết bị biến đổinguồn xoay chiều có tần số và điện áp của lưới điện cố định thành nguồn xoay chiều có tần số kahcs với tần số của lưới điện Biến tần được chia. Bộ biến tần trực tiếp (Cycloconverter): Biến đổi tần số đầu vào f1 thành tần số đầu ra f2 bằng cách đóng cắt dòng xoay chiều f1.Nói chung bộ biến tần trực tiếp chỉ tạo ra tần số f2<f1 .Biến. ĐTĐ51ĐH2 Page 13 Thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi, chọn kiểu máy biến áp 3 pha 3 trụ, trên mỗi trụ có 5 cuộn dây (như hình 3.13) một cuộn sơ cấp và