luận văn điều khiển các linh kiện điện tử để điều khiển tốc độ động cơ

luận văn điều khiển các linh kiện điện tử để điều khiển tốc độ động cơ

CHƯƠNG I: VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT DÙNG TRONG VIỆC ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

I.1 ĐIỀU KHIỂN TRANSISTOR:

- Transistor được dùng để đóng cắt dòng điện có cường độ tương đối lớn Vậychúng chỉ làm việc ở hai trạng thái:

- Trạng thái đóng (dẫn bão hòa) để đóng mạch điện

- Trạng thái mở (ngưng dẫn) để cắt mạch điện

Khi transistor hoạt động với thời gian dẫn bão hòa hay ngắt tương đối dài còngọi là chế độ khóa của transistor

I.1.1 Chế độ khóa của Transistor.

-Transistor làm việc ở chế độ khóa như một khóa điện tử đóng mở mạchnhanh với tốc độ nhanh (10-9 s  10-6 s) do đó có nhiều đặc điểm khóa với chế độkhuếch đại

Transistor ở chế độ khóa thì điện áp đầu ra có hai trạng thái sau:

HìnhI-1:Mạch khóa dùng Transistor

-Ban đầu khi Vvào =0, transistor ở trạng thái mở, dòng điện ra Ic = 0 lúckhông có tải Rt, khi transistor được coi là hở mạch Vra= Vnguồn khi cho xung điềukhiển có cực tính dương tới đầu vào Vvào = 1 transistor chuyển sang trạng thái đóng(bão hòa) điện áp ra thỏa mãn điều kiện ở (I.1) Vra = 0 ở trạng thái bão hòa để duy

+ V n g u o àn

R C

R 3

trì khả năng điều khiển và để tránh điện tích cực nền quá lớn, dòng điện cực nềnban đầu phải cao để chuyển sang trạng thái dẫn nhanh chóng, ở chế độ khóa dòngđiện nền phải giảm cùng qui luật như dòng điện thu để tránh hiện tượng chọc thủngtiếp giáp BC.

Trạng thái đóng mạch IB lớn

IC do tải giới hạn

Trạng thái hở mạch IB=0Hình I.2: Đặc tuyến transistor ở chế độ khóa

I.1.2 MẠCH TRỢ GIÚP MỞ:

Hình I.3 :Mạch trợ giúp mở

Khi transistor chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở

Mạch trợ giúp mở gồm các phần tử C, D1, R1 Dòng điện tải là i, vì thời gianchuyển trạng thái rất ngắn nên xem I=const trong mỗi lần chuyển trạng thái

Ban đầu VCE = VCE bảo hòa  0, iC =I, iD = 0

Khi cho xung áp tâm tác động vào cực nền của Transistor dòng IC giảm tuyến

tính từ 1 xuống 0 trong khoảng thời gian t1

Nếu không có mạch trợ giúp mở iC + iD = I = const (I.2)

Vừa lúc iC bắt đầu giảm thì iD tăng lên ngay, D2 làm chuyển mạch tải

VCE = V+0,6V (I.3)

Nếu có mạch trợ giúp thì ta có: iC + I1 = I = const (I.4)

vừa lúc iC bắt đầu giảm tuyến tính thí i1 cũng bắt đầu tăng tuyến tính tụ C được nạp

điện

Khi t=t1 , iC= 0, VC(t1) = VCE << V

Sau t1, tụ điện C được nạp bằng dòng I

Cho đến khi VC = V lúc này diode D1 mới cho dòng chảy qua thời gian tổng

cộng của quá trình chuyển trạng thái mở là t2

Trong thực tế người ta chọn C sao cho:

2t1 < t2 < 5t1

Trong đó:

T1 là thời gian cần thiết để iCgiảm từ I xuống 0, cho trong sổ tay tra cứu

(I.5)

C

ic

I dt

dVc 



C

I dt

dVc



V t

V C I

i

1

C

(I.7)

: đúng gần

tính được

C dung

Điện







I.1.3 MẠCH TRỢ GIÚP ĐÓNG:

Ta có sơ đồ mạch như sau

Hình I.4: Mạch trợ giúp đóng

- Mạch trợ giúp đóng gồm L1, D3, R2 có chức năng hạn chế sự tăng trưởng củadòng iC trong khoảng thời gian cần thiết để VCE giảm từ giá trị V xuống VCE bãohòa = 0 cho trong sổ tay tra cứu

- Thời gian tổng cộng của quá trình đóng là :t

- Điện cảm L1 được tính gần đúng bằng biểu thức

Trong thực tế người ta chọn L1 sao cho:

2 tđ <t<5tđĐiện trở R2 có tác dụng hạn chế dòng điện do sức điện động tự cảm trong L1

tạo ra trong mạch L1,R2,D3 trong khoảng thời gian t2 chuyển sang trạng thái mở T.Như vậy phải thỏa mãn điều kiện:

Điện trở R1 có nhiệm vụ hạn dòng điện phóng của tụ C

Trong mạch CTR1 trong khoảng thời gian đóng t như vậy phải thỏa mãn điềukiện R1C>t

8) - (I

.

t V

9) - (I 2 2

1 t R

L 1

R 2

D 3

thái mở sang trạng thái đóng

I.2 ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR:

I.2.1: Các yêu cầu cơ bản về mạch điều khiển:

Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi Thyristor Nó đóngvai trò chủ yếu trong việc quyết định chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi Yêucầu đối với mạch điều khiển đa dạng gồm các bước chính sau:

 Yêu cầu về độ lớn xung điều khiển

- Mỗi Thyristor đều có một đặc tính đầu vào đó là quan hệ giữa áp trên cựckhiển và dòng điện chạy qua cực khiển Vđk=f(iđk)

Do sai lệch về thông số chế tạo và điều kiện làm việc mà ngay cả các Thyristorcùng loại cũng có những đặc tính đầu vào khác nhau Yêu cầu độ lớn điện áp vàdòng điện điều khiển là:

- Giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép ở sổ tay tra cứu

-Giá trị nhỏ nhất phải đảm bảo mở được tất cả các Thyristor cùng ở mọi điềukiện làm việc

-Tổn hao công suất trung bình trên cực điều khiển phải nhỏ hơn trị cho phép

 Yêu cầu về độ rộng xung:

- Căn cứ vào đặc tuyến V-A của Thyristor ta thấy tồn tại xung điều khiển phảiđảm bảo cho dòng qua Thyristor tăng từ 0 đến giá trị IC khi Thyristor mở bằng xungđiều khiển quá trình mở có thể xem là quá trình tăng điện tích ở lớp bán dẫn P nốivới cực điều khiển, khi các điện tử tự do ở lớp bán dẫn này tăng đến mức nhất địnhthì điện trở thuận của Thyristor giảm đột ngột Thyristor mở Độ lớn điện tích tíchlũy ở lớp bán dẫn P nối với cực điều khiển phụ thuộc vào độ rộng xung điều khiển.Thông thường độ rộng xung điều khiển không nhỏ hơn 5s và tăng độ rộng xungđiều khiển cho phép giảm nhỏ biên độ xung điều khiển

 Yêu cầu về độ dốc sườn trước của xung:

Độ dốc sườn trước của xung càng cao thì việc mở Thyristor càng tốt Đặc biệttrong khi mạch có nhiều Thyristor mắc nối tiếp và song song Thông thường yêucầu về độ dốc xung điều khiển là:

 Yêu cầu về sự đối xứng của xung trong các kênh điều khiển

Ở các bộ biến đổi nhiều pha, nhiều Thyristor độ đối xứng xung điều khiểngiữa các kênh sẽ quyết định chất lượng đặc tính ra của hệ Nếu không đối xứng,các xung điều khiển của Thyristor của bộ biến đổi nhiều pha sẽ gây ra sự mất cânbằng giá trị trung bình của dòng qua Thyristor

 Yêu cầu về độ tin cậy:

11) - (I s}

{A/

1 ,



dt

Mạch điều khiển phải đảm bảo làm việc tin cậy trong mọi hoàn cảnh như tthay đổi, nguồn tín hiệu nhiễu tăng Do vậy yêu cầu:

- Điện trở ra của kênh điều khiển phải nhỏ để Thyristor không tự mở khi dòngrò tăng

- Xung điều khiển ít phụ thuộc vào dao động nhiệt độ, dao động điện áp nguồn

- Cần khử được nhiễu cảm ứng (ở khâu so sánh, ở biến áp xung tần ra) đểtránh mở nhầm

 Yêu cầu về lắp đặt:

- Thiết bị dễ thay thế, dễ lắp ráp điều chỉnh

- Dễ lắp lẫn và mỗi khối có khả năng làm việc độc lập

I.2.2 Nguyên tắc xây dựng và phân loại mạch điều khiển Thyristor.

Mạch điều khiển có nhiệm vụ gia công và biến đổi các tín hiệu điều khiển(điện áp DC) thành các chuỗi xung để đưa vào điều khiển Thyristor, được biểudiễn như hình I.5

Hình I.5 Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor

Đối tượng cần điều khiển là bộ biến đổi Thyristor T và được đặc trưng bởiđại lượng được điều khiển ở a (có thể là dòng, áp, nhiệt độ, tốc độ) N là khối biểuthị nhiễu bên ngoài (do mô men tải, nhiệt độ môi trường) Bộ cảm biến CB sẽ đưatín hiệu b được so sánh với tín hiệu chủ đạo CĐ Sai lệch tín hiệu của tín hiệu 0-blà x sẽ điều khiển thiết bị chấp hành CH, thiết bị CH có nhiệm vụ khử sai lệch X,hoặc cực tiểu nó bằng cách tạo ra góc điều khiển  để điều khiển bộ biến đổiThyristor T Hoạt động của thiết bị chấp hành CH được đồng bộ nhờ tín hiệu e phát

ra từ nguồn đồng bộ ĐB

Mạch điều khiển Thyristor có thể phân loại theo nhiều cách Các mạch điềukhiển Thyristor đều dựa theo nguyên lý thay đổi góc pha và theo đó ta có nguyênlý khống chế ngang và khống chế đứng

C B

C Đ

Ne

ab







Khống chế ngang là phương pháp tạo ra góc  thay đổi bằng cách dịchchuyển điện áp ra hình sin theo phương pháp ngang so với điện áp ban đầu hình (I-6).

Hình I-6: Sơ đồ nguyên lý và độ thị điện áp mạch khống chế ngang

Khống chế đứng là tạo ra góc  thay đổi bằng cách dịch chuyển điện áp củachủ đạo theo phương thẳng đứng so với điện áp răng cưa, phương pháp này lại chiara: Phương pháp khống chế không đồng bộ và phương pháp khống chế đồng bộ.Khống chế đồng bộ là khống chế để tạo ra xung điều khiển Thyristor đồng bộ vớinhau nhờ nguồn pha phát tín hiệu đồng bộ, còn khống chế không đồng bộ là việctạo ra các xung điều khiển Thyristor độc lập với nhau phương pháp khống chếđứng hiện đang được dùng phổ biến vì độ chính xác cao và khoảng điểu khiển rộng(từ 00 – 1800)

Phương pháp khống chế đứng được biểu diễn như hình I-7.

Hình I-7: Sơ đồ khối mạch khống chế đứng và dạng điện áp ra của nó

I.2.3 Các khối của mạch điều khiển Thyristor.

a> Khối phát tín hiệu đồng bộ: ĐB Vì điều khiển Thyristor theo nguyênlý điều khiển pha nên cần có khối đồng bộ pha giữa điện áp điểu khiển và điện ápAnod – Cathode của Thyristor

Các mạch phát tín hiệu đồng bộ điển hình như sau:

 Khối phát tín hiệu đồng bộ dùng tụ và diode Hình I-8.

Hình I-8: Sơ đồ khối phát tín hiệu đồng bộ dùng tụ diode

Trong đó:

Vd: Điện áp xoay chiều đồng pha với điện áp trễ Anod – Katod của transistor

Vn :nguồn điện áp một chiều

Vc : Điện áp đồng bộ lấy ra

Khi VD>0 thì D1, D2 phân cực ngược Tụ C được nạp về nguồn Vn

Khi Vc = Vd (ở t2) thì C phóng điện qua R2 và Đ2 Khi Vd<0 áp tr6n tụ C là VC cho đến khi Đ1 khóa Khi id- in=0 (tại t1) tụ C bắt đầu được nạ chu kỳ mới

 nằm khoảng t1t2

 Khối phát tín hiệu đồng bộ dùng tụ và transistor:I-10

Hình I-10: Khối phát tín hiệu đồng bộ dùng tụ và transistor

V arcsin

Trong đó:

Vđ: Điện áp nguồn xoay chiều đồng pha với điện áp trên Anot và Katot củathyristor

Vn: Điện áp điện một chiều

Vc: Điện áp đồng bộ lấy ra khi Vđ>0 Transistor T bão hòa

VC=v (v sụt áp trên Transistor)

Khi Vd >0 Transistor T khóa, tụ C được nạp qua R1, R3 từ Vn

Ta có:

Nên chọn R1>>R3 đề tnạp >> tphóng

Vđk: Điện áp điều khiển

b Bộ phát xung chủ đạo:

Bộ phát xung chủ đạo có nhiệm vụ phát ra các xung với tần số cố định hoặcthay đổi để làm nguồn tín hiệu chủ đạo trong các mạch điều khiển Thyristor

Bộ phát xung chủ đạo dùng Transistor một tiếp giáp(I-11)

i c

R 1 C

14) - (I 1

ln )

(R

13) - (I 1

ln R2)C

c nạp

V

V C

R

V V





Hình I-11: Sơ đồ thay thế Transistor một tiếp giáp làm máy phát xung và dạngxung ra.

Khi VE<VBB tụ C được nạp từ nguồn Vn theo biểu thức sau:

: Tham số riêng của mỗi loại Transistor 1 tiếp giáp

=0,470,8

Khi VCVBB Transistor 1 tiếp giáp dẫn, tụ C sẽ phóng điện qua R1 và ta có:

VBB=Vn(1-e-t/RC) (I-16)

T: Chu kỳ tạo xung

VE:Điện áp trên cực phát của Transistor một tiếp giáp

VBB:Điện áp trên cực B1,B2 của Transistor một tiếp giáp

Trong đó VĐ: Điện áp rơi trên cực E khi UJT mở (VĐ=0,40,50)

VP: Điện áp đỉnh của Transistor một tiếp giáp (UJT) khi bắt đầu dẫn

1 ln

0 2

n

BB V

R R





19) - (I

max

p

p n

I

V V

IP:Dòng điện ứng với VP.

Giá trị nhỏ nhất của điện trở được xác định

Trong đó VV, và IV là áp dòng ứng với điểm trũng trên đặc tính V-A của UJT

Khi không có Transistor một tiếp giáp ta có thể dùng Transistor loại thông thườngđể thay thế theo sơ đồ tương đương hình I-12

Hình I-12: Sơ đồ thay thế Transistor một tiếp giáp bằng Transistor thường

Nguyên tắc hoạt động của hình I-12 cũng tương tự như I-11 Ở trạng thái banđầu cả hai Transistor T1 và T2 đều khác, lúc đó tụ C được nạp từ nguồn Vn qua điện

trở R Điện áp trên cực nền T1 là:

Khi VC>VB thì T1 dẫn Do cách nối các cực Transistor T1 và T2 nên khi T1 bắtđầu dẫn thì giữa 2 Transistor hình thành một phản hồi dương và cả hai T1,T2 nhanhchóng chuyển qua chế độ bão hòa Lúc đó tụ C sẽ phóng điện qua R3 sẽ có xung

ra Lúc đó tỉ số  sẽ là:

21) - (I min





I

V V



B + V n

2 1 1

2

R R R

V R

R

R V

Còn các thông số còn lại tương tự như thông số mạch hình I-11.

C Khối so sánh:

Khối so sánh có nhiệm vụ so sánh các tín hiệu và phản ánh các sai lệch tínhiệu ở đầu ra khâu so sánh có ảnh hưởng rất quan trọng đến sai lệch tĩnh của hệthống Ngoài ra để điều khiển các bộ biến đổi Thysistor ngày nay các sơ đồ so sánhđược làm bằng bán dẫn và vi mạch

Khối so sánh dùng các mạch bán dẫn được trình bày hình I-13

Hình I-13: Khối so sánh dùng các mạch bán dẫn

Khối so sánh trong các hệ thống điều khiển Thyristor thường là khối trùnghợp, nghĩa là tín hiệu điều khiển bằng tín hiệu đồng bộ thì khối so sánh sẽ cho ratín hiệu ra Khi khối so sánh dùng các mạch bán dẫn thì tín hiệu điều khiển Vđk vàtín hiệu đồng bộ Vđb được nối với nhau theo hai cách:

- Nối nối tiếp hình(I-13a) Vđk và Vđb nối ngược cực tính với nhau

- Nối song song hình(I-13b) Vđk và Vđb nối song song

Khi Vđk=0 ta tính được điện áp đồng bộ

Lúc nối tiếp Vđb=VBo +IB(Rđb+Rđk+rB) (I-23)

Diode D hình I-13 để bảo vệ Transistor khi Vđk> Vđb.

24) -(I 1).

( { )

Điện áp VBo: Điện áp rơi trên tiếp giáp B-C lúc không tải.

 Khối so sánh dùng vi mạch điện tử:

Khối so sánh dùng vi mạch điện tử ngày nay được sử dụng rất rộng rãi vì nócó nhiều ưu điểm là gọn nhẹ công suất tiêu thụ bé, chỉ tiêu kỹ thuật cao, dễ dàngthực hiện mạch điều khiển nhiều pha

Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh dùng vi mạch hình (I-16)

Hình I-15 Sơ đồ nguên lý mạch so sánh dùng vi mạch

Khâu so sánh bằng vi mạch loại khuếch đại thuật toán chuyên dùng để sosánhtín hiệu Nhiệm vụ chính của mạch này là chuyển tiếp điện áp ra Vr từ mức Logic 1sang mức logic 0 hoặc ngược lại khi điện áp Vv vượt điện áp ngưỡng Vo

d Khối khuếch đại và tạo xung đầu ra:

Khối khuyếch đại và tạo xung đầu ra có nhiệm vụ tạo ra xung có đủ độ rộngvừa phải khuyếch đại cho xung có đủ biên độ thỏa mãn yêu cầu đối tượng điềukhiển Đầu vào của khối này là tín hiệu của khâu so sánh đầu ra là xung mởThyristor

Sơ đồ khuếch đại và tạo xung đầu ra điển hình trình bày như hình I-16

Hình I-16: Khuyếch đại xung nối với tải qua máy biến áp.

Transistor T1, T2 nối tầng để tăng hệ số khuyếch đại công suất Đ1,R1 để bảo vệ T1,

T2 khỏi quá áp khi cuộn sơ cấp của máy biến áp xung chuyển mạch

- Khi có xung âm T1,T2 mở sẽ có dòng qua dây quấn sơ cấp của máy biến ápxung BAX và ở cuộn thứ cấp sẽ có xung ra khi xung vào tắt thì T1,T2 cùng khóavà xung ra cũng tắt

* Biến áp xung thường làm biến áp của bộ khuyếch đại tạo xung, có các chức năngsau:

- Tạo xung đúng theo yêu cầu

- Tạo sự phù hợp điện áp mạch tạo xung và điện áp cực điều khiển Thyristor

- Có thể dùng một vài cuộn đầu ra để điều khiển một vài Thyristor

- Đảm bảo ngăn cách về điện giữa mạch động lực và mạch điều khiển cácthông số đặc trưng của máy biến áp xung

Điện cảm thẩm từ L: nó đặc trưng cho độ rộng xung với mạch từ thông có khehở không khí

Trong đó S1t, L1t: tiết diện ngang và chiều dài mạch từ

hđ: Độ từ thẩm hiệu dụng

W1: số vòng dây sơ cấp

 Hệ số tắt dần :

Trong đó R1: điện trở của cuộn dòng W1

R21: Điện trở tải qui đổi về W1

Lt:điện cảm kháng tản

C0:điện dung ký sinh

T0: chu kỳ dao động

Hệ số càng lớn thì xung càng dốc ở sườn trước muốn vậy phải giảm nhỏ Lt vàC0.Hệ số đặc trưng dao động 

Hệ số càng nhỏ thì dao động ở sườn trước xung càng bé

I.2.4 Sử dụng vi mạch trong các mạch điều khiển Thyristor.

Sử dụng vi mạch vào hệ thống điều khiển thyristor như đã biết có nhiều ưuđiểm Bên cạnh các ưu điểm như kích thước nhỏ, thiết bị vạn năng lắp ráp đơn

25)-(I

.1

2 1 1

t

t hđ

L

W S

26)-(I 4

)

1

0

1 2

1



C R

1 2

R R

R







giản Khi dùng hệ thống vi mạch còn cho phép dự trữ các khối dễ dàng Ngày nayngười ta đã sản xuất những vi mạch và các vi mạch vạn năng lúc cần sử dụng đểđiều khiển các sơ đồ Thyristor cụ thể ta có thể lựa chọn một trong những mạch đãcó sẵn.

Máy phát xung: có loại máy phát 2 xung lệch nhau 1800 và có khả năngđiều chỉnh pha, máy phát 3 kênh với các xung lệch nhau 1200, máy phát 6 kênh vớicác xung lệch nhau 600

- Các bộ khuyếch đại và tạo xung :các bộ này cung cấp xung có độ dài 1800- 

hoặc 210 - (: là góc điều khiển)

- Các bộ điều khiển: các bộ này cò thể thực hiện các luật điều khiển khác nhau nhưtỷ lệ (p), tích phân (i), hoặc tỷ lệ - tích phân - đạo hàm (PID)

- Các bộ lọc điện áp lưới: các bộ này sẽ cho điện áp ra hoàn toàn hình sin đểcung cấp cho khối đồng bộ

- Các mạch điều khiển Thyristor dùng vi mạch đều dùng nguyên lý khống chếđứng, trong đó lại chia ra mạch khống chề đồng bộ và mạch khống chế khôngđồng bộ

- Sơ đồ khối trùng hợp dùng vi mạch khống chế chỉnh lưu 3 pha theo nguyênlý đồng bộ như hình (I-17)

a Hệ thống khống chế đồng bộ:

Hệ thống khống chế gồm 3 kênh trùng hợp giống nhau Khối 1 để lọc điện áplưới gồm các khuyếch đại giải tích Điện áp đồng bộ không phụ thuộc vào sự daođộng của điện áp nguồn, tín hiệu đầu ra của bộ lọc được biến thành các áp hìnhchữ nhật và được hạn chế biên độ qua bộ hai

Điện áp ra của khối 2 được tích phân qua khối 3 do vậy điện áp ra của khối 3 códạng răng cưa và đồng bộ với tín hiệu điều khiển Vđk ở tín hiệu đồng bộ bằng tínhiệu điều khiển thì ở đầu ra của khối 4 sẽ xuất hiện một xung, xung đó được dẫnvào bộ tạo xung để điều khiển Thyristor Việc điều khiển Thyristor theo nguyên lýđồng bộ có một số nhược điểm như: góc điều khiển phụ thuộc vào tín hiệu đồngbộ (nghĩa là phụ thuộc vào điện áp lưới) hơn nữa hệ thống điều khiển nhiều kênh

do hiện tượng không đối xứng mà sai lệch góc điều khiển giữa các kênh ít nhất là

20

Khống chế không đồng bộ có đặc điểm cho xung điều khiển Thyristor sau chỉphụ thuộc vào thời điểm tác động của Thyristor trước nghĩa là:

Trong đó:

ti :góc tương ứng với thời điểm cho xung điều khiển Thyristor

M: số pha điều chỉnh

b Hệ thống khống chế không đồng bộ.

Hệ thống khống chế không đồng bộ gồm hai khối chính khối điều khiển ĐK vàkhối phân phối xung Khối điều khiển có hai mạch: mạch điều khiển áp và mạchđiều khiển dòng điện Mạch điều khiển điện áp và khối tích phân nhờ bộ khuyếchđại K và tụ C Tín hiệu vào của mạch điều khiển điện áp gồm tín hiệu chủ đạo

Vcđ , tín hiệu phản hồi áp Vfa và tín hiệu dịch V0 Tín hiệu ra của mạch tích phân ápsẽ cung cấp cho phần tử logic MOA, MOA sẽ có tín hiệu ra Vcđ bằng Vfa Mạchđiểu khiển dòng điện có các phần tử tương tự như mạch điều khiển áp Tín hiệu racả hai mạch điều khiển áp và dòng điện nhân logic với nhau qua phần tử logic L1.Phần tử chính của bộ phân phối xung FX là các trigger T1, T2, T3 khi đầu vào Scủa Trigger có tín hiệu 1 thì đầu ra của Trigger có tín hiệu 0

Tín hiệu ở đầu vào R xuất hiện ở góc min Tín hiệu 1 ở đầu vào S phụ thuộc vàocác phần tử L5, L6, L7 Tín hiệu L5, L6, L7 là tín hiệu hạn chế góc điều khiển max từbộ HC-2 và tín hiệu ra của phần tử L2, L3, L4 Phần tử L2, L3, L4 có tín hiệu ra là 1với 3 điều kiện: có tín hiệu ra của L1, có tín hiệu ngược từ bộ HC-1 (hạn chế góc

min) cà đã khởi động Trigger pha trước (T1, T2, T3) Tín hiệu ra của T1, T2, T3 quacác tụ vi phân C1, C2, C3 sẽ đưa vào các mạch khuyếch đại xung KX và mạch ra

KR Mỗi một khối đầu ra KR đều có hai đầu vào: đầu vào (+) để tạo xung đầu ra,đầu vào (-) để khử xung ra (được nối vào KX của pha trước)

Các xung ở sau C1,C3,C5 được dẫn vào các phần tử logic L8 sau đó qua phần tử tạo xung F để cho tín hiệu vào Transistor Tk Transistor Tk sẽ khử tín hiệu ra của bộ khuyếch đại K (ngắn mạch tụ C) Sau mỗi lần T1, T2 hoặc T3 khởi động

Sơđồ mạch điều khiển Thyristor theo nguyên lý không đồng bộ như hình vẽ sau:

) (

CHƯƠNG II:

CÁC ỨNG DỤNG CỦA ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU

CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA.

II.1 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BẰNG CÁCH BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP CUNG CẤP:

I Điều áp đối xứng bằng Thyristor:

- Sơ đồ nguyên lý của mạch như hình vẽ sau

Hình II.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ dùng bộ điều chỉnh Thyristor

 Sơ đồ điều chỉnh điện áp ba pha và đồ thị điện áp khi  > /6

Đồ thị điện áp.

 Các cuộn dây Stator của động cơ không đồng bộ là một dạng trở kháng Điệnáp pha của lưới điện có biểu thức như sau:

VA=VmSin

Điện áp dây của lưới điện

Giá trị của điện áp trên tải mỗi pha phụ thuộc vào góc mở  và góc lệnh pha ,khi điều khiển đối xứng tức là các Thyristor đều có cùng góc mở  như nhau vì thế

ở đây chỉ xét điện áp trên tải pha A

 Như sơ đồ của đồ thị điện áp ta thấy rằng:

Cặp Thyristor Th1, Th6 sẽ cho dòng chảy qua khi VAB >0 và khi đã có xung mở.Cặp Thyristor Th1 ,Th6 sẽ cho dòng chảy qua khi VAC>0 và khi đã có xung mở MỗiThyristor đều có góc dẫn = Điện áp trên tải pha A

3

) (

3

) (

3

2 6 6

điện  Sin  

Z

V i

a

) (

Nghiệm tổng quát của dòng điện ở mỗi đoạn có dạng như sau

Trong đó n: số thứ tự đoạn

An:Hằng số tích phân

m=0, /6 hoặc -/6 là các điểm mốc

n: góc mở Thyristor đoạn thứ n

Vì giá trị của dòng ở đầu thứ n bằng giá trị của dòng ở cuối đoạn thứ n-1 nên hằngsố tích phân có thể xác định được

Do tính chất phức tạp của quan hệ giữa sóng hài bậc một của điện áp động

cơ với góc  và  không biểu diễn bằng giải tích nên thường dùng phương pháp đồthị để dựng các đặc tính điều chỉnh, đồ thị biểu diễn như hình vẽ sau:

Các đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi điều chỉnh tốc độ động cơnhờ bộ điều áp bằng Thyristor có thể xây dựng theo quan hệ như sau:

Trong đó Mgh: moment trên đặc tính cơ có =0 gọi là đặ tính giới hạn

) ( 2

) (

m

wl R n m

n

wl R

V K

) 1

wl R

K i

thgh

thgh gh

S a S

S S

S

S a M

s

M

' 2

) ' 1 ( 2

Trong đó:

Với RT:Điện trở theo chiều dẫn của Thyristor

R1:Tôûng điện trở một pha của cuộn Stator và điện trở đẳng trị một pha của bộ điềuáp Thyristor

R1

2:Điện trở một pha của Rotor kể cả điện trở phụ tính đổi về phía Stator

Sthgh: Độ trượt tới đặc tính giới hạn

Mthgh: Moment tới hạn của đặc tính giới hạn

II ĐIỀU ÁP KHÔNG ĐỐI XỨNG BẰNG THYRISTOR:

1 Nguyên lý điều chỉnh:

Để hạn chế bớt các thiết bị điều chỉnh người ta sử dụng các phương pháp điềuáp không đối xứng

Ta có sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động điều áp không đối xứng bằng Thyristornhư hình vẽ II-2

) (

2

3

2 2 1 1

0

2

m

đm thgh

X R R

w

V M

2 2

1

'

R

R R

a

X R

R S

T

nm thgh

Hình II-3: Sơ đồ điều áp không đối xứng bằng Thyristor

Trên hình vẽ ta thấy rằng điện áp không đối xứng trên Stator của động cơ cóthể phân thành hai thành phần đối xứng

Thành phần thứ tự thuận có các Vector điện áp quay đúng theo chiều của cácvector điện áp lưới

Thành phần thứ tự ngược quay ngược lại

Các thành phần này sẽ tạo trên Rotor các thành phần moment tương ứng là

Mt và Mn.

Moment tổng hợp được tính như sau:M=Mt+Mn

Khi thay đổi mức độ không đối xứng của điện áp, moment tổng M sẽ biến đổi làm thay đổi tốc độ động cơ

c b

a

C B

R

2 Các đặc tính điều chỉnh:

Nếu cho tốc độ quay của từ trường thuận là +wot thì tốc độ quay của từtrường ngược là won=-wot

Độ trượt của động cơ theo từ trường thuận sẽ là:

Độ trượt theo từ trường ngược là:

Sn=2-S

Trong đó wo là tốc độ của từ trường Stator khi điện áp là đối xứng Quan hệgiữa moment thứ tự thuận với độ trượt

Trong đó:

Sth độ trượt tới hạn khi điện áp Stator đối xứng

Moment tới hạn của thành phần thứ tự thuận được tính như sau:

Mth: moment tới hạn khi điện áp Stator định mức

Quan hệ giữa moment thứ tự nguợc với độ trượt

Trong đó Snth=Sth

o

o o

o

o on

on n

o

o ot

(

2

2 2

1

1

nm X R

1

tth

t tth

V

V M

V

V M

M    

Nếu biểu diễn theo thông số chung của động cơ thì ta có: Mth và S ta sẽ có:

Vậy biểu thức tính moment tổng hợp của động cơ là:

Đây chính là phương trình đặc tính cơ khi điều áp không đối xứng Phươngpháp điều chỉnh không đối xứng tương đối đơn giản Nó được ứng dụng trong mộtsố thiết bị nâng vận chuyển để điều chỉnh tốc độ và tạo ra trạng thái hãm khi hạ tảitrọng

Nhược điểm của phương pháp này là tổn thất năng lượng nhiều dòng điệnlàm việc lớn trong khi moment nhỏ do đó khả năng chịu tải của động cơ kém

Các trị số điện áp thứ tự thuận và ngược xác định theo phương trình

2

) 1 ( 2

2

) 1 ( 2

2 2

S

V M

M

S

S S S

V M

M

th th

n th

n

th th

t th

2 2 )

1 (

S

S S

S V S

S S S

V M

M

M

M

th th

n th

th

t th

n t

cơ.

động Stator nối

đầu các trên áp điện vector Các

3 2

1 a

n

ca bc

V

V

V a V a

II.2 ĐIỀU CHỈNG TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG CÁCH ĐIỀU CHỈNH XUNG ĐIỆN TRỞ MẠCH ROTOR:

Theo đặc tính cơ động cơ không đồng bộ 3 pha ta có thể điều chỉnh được tốcđộ động cơ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện trở mạch Rotor, ưu thế củaphương pháp này là để tự động hóa việc điều chỉnh Điện trở trong mạch Rotorđộng cơ không đồng bộ là:Rr=Rrd+Rf’

Trong đó: Rrd:điện trở dây quấn Rotor

Rf:điện trở ngoài mắc thêm vào mạch Rotor

Ta có sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xung điện trở Rotor

HÌNH II-4: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xung điện trở Rotor

Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch Rotor thì moment tới hạn của động cơkhông thay đổi và độ trượt tới hạn thì tỉ lệ bậc nhất với điện trở Nếu coi đoạn đặctính làm việc của động cơ tức là đoạn có độ trượt từ S=0 đến S=Sth là thẳng thì điềuchỉnh điện trở ta có thể viết

Trong đó s:độ trượt khi điện trở mạch Rotor là Rr.

Si:độ trượt khi điện trở mạch Rotor là Rrd

Ta được biểu thức tính moment:

Nếu giữ dòng điện Rotor không đổi thì moment cũng không đổi và không phụthuộc vào tốc độ động cơ Vì vậy ta có thể ứng dụng phương pháp điều chỉnh điệntrở mạch Rotor cho truyền động có moment không đổi

 Theo sơ đồ nguyên lý của việc điều chỉnh trên điện trở mạch Rotor bằngphương pháp xung Điện áp vr được chỉnh lưu, qua điện kháng lọc L được cấpvào mạch điều khiển gồm điện trở Ro rồi song song với khóa bán dẫn T1 Khóa

T1 sẽ được đóng, ngắt một cách chu kỳ để điều chỉnh giá trị trung bình của điệntrở toàn mạch

 Hoạt động của khóa bán dẫn tương tự như trong mạch điều chỉnh xung điện ápmột chiều Khi khóa T1 đóng, điện trở Ro bị loại ra khỏi mạch, dòng điện Rotortăng lên, khi khóa T1 ngắt điện trở Ro lại được đưa vào mạch dòng điện Rotorgiảm Với tần số đóng ngắt nhất định, nhờ có điện cảm L mà dòng điện Rotornhư không đổi và ta có mộ giá trị điện trở tương đương Rc trong mạch Thời gianngắt tn=T – tđ Nếu điều chỉnh trơn tỷ số giữa thời gian dòng tđ và thời gian ngắt

tn ta điều chỉnh trơn được giá trị điện trở trong mạch Rotor

Điện trở tương đương Re trong mạch một chiều được tính đổi về mạch xoaychiều ba pha ở Rotor theo qui tắc bảo toàn công suất Tổn hao trong mạch nguyênlý là: p =T2

đ (2Rrd+Re)Và tổn hao khi mạch Rotor theo sơ đồ dùng biến trở thông thường là:

p =3I2

r (2Rrd+Rf)Theo cơ sở để tính đổi là tổn hao công suất như nhau nên

3I2(Rrd+Rf) =I2

đ(2Rrd+Re)với sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha thì I2

d=1,5I2

r nên

Khi đã có điện trở tính đổi, dễ dàng dựng được đặc tính cơ theo phương phápthông thường, họ đặc tính cơ này quét kín phần mặt phẳng giới hạn bởi đặc tính cơtự nhiên và đặc tính cơ có điện trở phụ

0 0

T

t R t t

t R

n đ

R

R S

S w

R I M

3 2



 Phương pháp điều chỉnh được minh họa theo đồ thị sau.

Hình II-5: Phương pháp điều chỉnh Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh xung điện trở Rotor chỉ tạo ra những tốc độ thấphơn tốc độ cơ bản <0

Độ tinh điều chỉnh cao hơn phương pháp dùng biến trở

- Chỉ phù hợp bởi các phụ tải có Mc=const, giải điều chỉnh phụ thuộc độ lớnmoment phụ tải

II.3 ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA BẰNG BỘ BIẾN TẦN:

Bộ biến tần là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện có tần số f1 cố địnhthành nguồn điện có tần số fr thay đổi được nhờ các khóa bán dẫn Người ta thườngdùng hai loại biến tần là: Biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp

3.1 Biến tần trực tiếp.

Biến tần trực tiếp là thiết bị biến đổi trực tiếp nguồn xoay chiều có tần số f1

sang nguồn xoay chiều có tần số fr

1 2

1 4

Sơ đồ khối của bộ biến tần trực tiếp như hình vẽ.

Bộ biến tần trực tiếp gồm hai nhóm chuyển mạch nối song song ngược (sơđồ nguyên lý của bộ biến tần trực tiếp được trình bày như hình vẽ sau) Cho xungmở lần lượt hai nhóm chỉnh lưu trên ta sẽ nhận được dòng điện xoay chiều chạyqua tải

Ở mỗi pha ở đầu ra (a, b, c) được cấp điện bởi hai nhóm Thyristor Nhóm T tạo radòng điện chạy thuận và nhóm N tạo ra dòng chạy ngược Mỗi nhóm là một bộchỉnh lưu (hoặc nghịch lưu phụ thuộc) ba pha Để hạn chế dòng ký sinh chạy quahai Thyristor của nhóm T và nhóm N đang dẫn, người ta dùng các cuộn kháng ĐK1

và ĐK6

Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp dùng Thyristor

Hình II-6: Bộ biến tần trực tiếp dùng Thyristor

Khi điều khiển theo nhóm thì mỗi nhóm được mở trong nửa chu kỳ điện áp đầu ra Xét sự làm việc pha a theo đồ thị sau