Đề tài thiết kế bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha Điều khiển tốc Độ Động cơ Điện 1 chiều kích từ Độc lập dùng Điểu khiển pid

Đặc tính cơ nhân tạo là đặc tính cơ có một trong các tham số khác định mức hoặc có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ... Khi thay đổi điện áp phần cấp cho cuộn dây phần ứng, ta thu

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Tổng quan về động cơ điện một chiều

1.1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Những phần chính của động cơ điện một chiều gồm phần cảm (phần tĩnh) và phần ứng (phần quay)

 Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường được gắn vào vỏ máy nhờ các bulông

 Cực từ phụ: là các cực từ giúp cải thiện đổi chiều được đặt trên các cực từ chính

 Gông từ: dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời dùng làm vỏ máy

 Các bộ phận khác gồm có nắp máy và cơ cấu chổi than

 Lõi thép phần ứng: được dùng để dẫn từ, có cấu tạo hình trụ làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0.5 mm, và được phủ sơn cách điện rồi ghép lại

 Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua

 Cổ góp (vành góp): là vành đổi chiều, được cấu thành từ nhiều phiến đồng được ghép thành một khối trụ, cách điện với nhau và cách điện với trục máy

 Các bộ phậm khác như trục máy, quạt làm mát máy

Trên hình 1.1a khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi than điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hổ lên nhau tạo nên momen tác dụng lên rotor, làm cho rotor quay Chiều lực tác dụng được xác định theo quy tắc bàn tay trái

Khi phần ứng quay được nữa vòng, vị trí tranh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau (hình 1.1b), nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên dòng điện một chiều biến đổi thành dòng điện xoay chiều đưa vào dây quấn phần ứng, giữ cho chiều tực tác dụng không đổi, do đó lực tác dụng lên rotor cũng theo một chiều nhất định, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi

1.1.3 Phương trình đặc tính cơ

Máy điện một chiều kích từ độc lập

(hình 1.2) mạch phần ứng không liên hệ trực tiếp về điện với mạch kích thích, chỉ liên hệ về từ Nếu máy có công suất nhỏ thì cực từ chính thường dùng nam châm vĩnh cửu, còn máy có công suất lớn cần có nguồn kích thích riêng để có thể điều chỉnh điện áp hoặc tốc độ trong phạm vi rộng

 Phương trình cân bằng điện áp: ư = ư + ( ư + ư ) ư ư : điện áp nguồn đặt vào phần ứng ư : điện trở mạch phần ứng động cơ ư : điện trở phụ mạch phần ứng động cơ ư : sức điện động của phần ứng động cơ

 Phương trình sức điện động của phần ứng động cơ: ư = Kf

K : hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào cấu tạo động cơ, K = p : số cặp từ chính

N : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a : số đôi mạch nhánh đấu song song của cuộn dây phần ứng

 Momen điện từ của động cơ: đ = M = KfI ư

 Phương trình đặc tính cơ: = ư f− ư ư

 Phương trình đặc tính cơ điện: = ư f− ư ư f ư

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của máy điện 1 chiều kích từ độc lập

 Tốc độ không tải lý tưởng ( = ư = 0) : = ư f

 Momen ngắn mạch ( = 0) : = ư ư ư Kf = Kf

1.1.4 Phương trình đặc tính cơ tự nhiên Đặc tính cơ tự nhiên là đặc tín cơ có các tham số là định mức và không có điện trở phụ trong mạch phần ứng của động cơ ( ư = đ ,f = f đ , ư = 0 )

 Phương trình đặc tính cơ tự nhiên: = đ f đ − đ

 Phương trình đặc tính cơ điện tự nhiên: = đ f đ − đ f đ ư

 Tốc độ không tải lý tưởng: đ = đ f đ

 Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên: = ( f đ ) ư

1.1.5 Phương trình đặc tính cơ nhân tạo Đặc tính cơ nhân tạo là đặc tính cơ có một trong các tham số khác định mức hoặc có điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ

 Khi = 0, thì ư = = ư ư ư và M = fI ư = f ư ư ư = f  Độ cứng đặc tính cơ: = = ( f ) ư ư

Hình 1.3 Đồ thị phương trình đặc tính cơ điện và phương trình đặc tính cơ.

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ

Tốc độ làm việc của truyền động điện do công nghệ yêu cầu được gọi là tốc độ đặt hay tốc độ mong muốn Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị thay đổi so sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệnh tốc độ thực tế so với tốc độ đặt Dựa vào phương trình đặc tính, có 3 phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

1.2.1 Thay đổi điện áp phần ứng

Khi thay đổi điện áp phần cấp cho cuộn dây phần ứng, ta thu được các họ đặc tính cơ ứng với các tốc độ không tải khác nhau, song song và có cùng độ cứng Điện áp U chỉ có thể thay đổi bằng cách giảm nên phương pháp này chỉ điều chỉnh giảm tốc độ

Giả sử động cơ đang làm việc trên đường đặc tính ứng với trên phần ứng Khi giảm điện áp xuống , động cơ thay đổi điểm làm việc từ điểm có tốc độ lớn xuống điểm có tốc độ nhỏ hơn ( < ) trên đường đặc tính ứng với điện áp Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng biện pháp thay đổi điện áp phần ứng có các đặc điểm sau:

 Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng giảm

 Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh

 Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh

 Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể: D ~ 10:1

 Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ giảm ( < đ )

Hình 1.4 Đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng

Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dòng điện kích từ của động cơ qua một điện trở mắc nối tiếp với mạch kích từ Phương pháp này chỉ cho phép thay đổi về phía giảm của từ thông Khi từ thông giảm xuống, đặc tính dốc hơn và có tốc độ không tải lớn hơn

Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông có các đặc điểm sau:

 Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn

 Độ cứng đặc tính cơ giảm khi từ thông giảm

 Có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng

 Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ là (1÷10) % dòng định mức của phần ứng, tổn hao điều chỉnh thấp

1.2.3 Thay đổi điện trở phụ

Khi tăng điện trở phụ phần ứng, đặc tính cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng

Hình 1.5 Đặc tính cơ và đặc tính cơ điện khi thay đổi từ thông

Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ ở mạch phần ứng có các đặc điểm sau:

 Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ càng mềm

 Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể mắc thêm điện trở)

 Vì điều chỉnh tốc độ nhờ mắc thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng nên tổn hao công suất dưới dạng nhiệt điện càng lớn

 Dải điều chỉnh của phương pháp này D ~ 5:1

 Phương pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi điện trở nhưng vì dòng rotor lớn nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khó khăn Thực tế sử dụng chuyển đổi điện trở theo từng cấp.

Tổng quan về bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân PID

1.3.1 Luật điều khiển tỷ lệ (P)

Khâu tỷ lệ làm thay đổi giá trị đầu ra tỷ lệ với giá trị sai số hiện tại Đáp ứng tỷ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số KP được gọi là độ lợi tỷ lệ

Hình 1.6 Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phần ứng

Ta có, do nối đất nên ta có : = = 0

Hệ số tỷ lệ được xác định bởi : = ớ = − Độ lợi của khâu tỷ lệ càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ, tuy nhiên khi tăng quá lớn thì hệ thống trở nên mất ổn định

1.3.2 Luật điều khiển tích phân (I)

Phân phối của khâu tích phân tỷ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quãng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định độ lới tích phân KI

Ta có, do nối đất nên ta có : = = 0

Hệ số tích phân được xác định bởi : = − ∫ với = −

1.3.3 Luật điều khiển vi phân (D)

Tốc độ thay đổi của sai số quá trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ lợi tỷ lệ KD Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi là tốc độ) trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân KD

Hình 1.7 Bộ khuếch đại dùng khuếch đại thuật toán

Hình 1.8 Bộ tích phân dùng khuếch đại thuật toán

Ta có, do nối đất nên ta có : = = 0

Thừa số vi phân được xác định bởi : với = −

1.3.4 Luật điều khiển tỷ lệ vi tích phân (PID)

Bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân PID – Proportional Integral Derivative là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị sai số là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Bộ điều khiển PID gồm 3 khâu : tỷ lệ, tích phân và đạo hàm Giá trị tỷ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của ban điều khiển hay phần tử gia nhiệt Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian : P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy sai số quá khứ, D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại

Trong miền thời gian, bộ điều khiển PID được mô tả bằng phương trình sau :

Hình 1.9 Bộ vi phân sử dụng khuếch đại thuật toán

Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân PID

Trong đó : ( ) là tín hiệu đầu vào, ( ) là tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển.

Kết luận

Sau khi phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ Chúng em sẽ chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng vì các đặc tính điều khiển của phương pháp này như độ cứng không đổi, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không bị tổn hao Trong phần tiếp theo, chúng em sẽ nghiên cứu tổng quan về bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha điều khiển hoàn toàn.

TỔNG QUAN VỀ CHỈNH LƯU HÌNH TIA 3 PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

Tổng quan chỉnh lưu hình tia 3 pha điều khiển hoàn toàn

2.1.1 Cấu tạo của chỉnh lưu hình tia 3 pha điều khiển hoàn toàn

Mạch chứa 3 nguồn điện áp xoay chiều lý tưởng có biên độ bằng nhau và lệch pha nhau

Khối van chỉnh lưu gồm 3 Thyristor mắc dạng hình tia có Cathode đấu chung Giả sử dòng qua tải liên tục và phẳng hoàn toàn, nên tại mỗi thời điểm bất kỳ, dòng điện tải sẽ khép kín qua một nhánh mạch chứa nguồn và

2.1.2 Hoạt động của chỉnh lưu hình tia 3 pha điều khiển hoàn toàn

Do tính chất đối xứng của các nguồn, nên các Thyristor sẽ kích đóng đối xứng theo trật tự V1, V2, V3, V1, … Điều kiện mở của các van Thyristor là : UAK > 0 và có xung dòng điện kích iG đủ lớn (thường có dạng xung kim)

Giả sử V3 đang mở ( = 0), muốn kích mở van V1 ta xét điều kiện kích mở :

 Để van V1 mở thì = > 0 Ta có > 0 ℎ ả < ℎ ả < < )

 Ta có góc mở tự nhiên : =

 Góc điều khiển : = − Được tính từ thời điểm góc mở tự nhiên đến thời điểm phát xung kích mở Thyristor ( 0 ≤ < )

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo chỉnh lưu hình tia 3 pha điều khiển hoàn toàn

Xét hoạt động trong các nhịp:

 Điện áp tải có dạng không phụ thuộc độ lớn dòng điện tải và các tham số mạch tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp nguồn và góc điều khiển Điện áp tải có 3 xung trong 1 chu kỳ T của điện áp nguồn Chu kỳ chỉnh lưu trên tải : =

 Trị trung bình của điện áp chỉnh lưu :

 Trị trung bình của dòng điện tải ở trạng thái xác lập :

Hình 2.2 Dạng xung điện áp và dòng điện

 Trị trung bình của dòng qua Thyristor, vì mỗi Thyristor dẫn điện trong chu kỳ áp nguồn : =

 Điện áp khóa và điện áp ngược lớn nhất đặt lên Thyristor :

 Khi điện áp trên tải có giá trị trung bình dương, tải nhận năng lượng từ nguồn và bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ chỉnh lưu 0 < < , khi điện áp trên tải có giá trị trung bình âm, do dòng tải chỉ dương nên tải phát ra năng lượng và bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ nghịch lưu < <

2.2 Các phương pháp điều khiển

2.2.1 Nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính Điện áp đồng bộ ( đ có dạng răng cưa) đồng bộ với điện áp UAK của Thyristor Điện áp điều khiển ( đ là điện áp một chiều) có thể điều chỉnh biên độ

Ta xét tam giác đồng dạng:

Hình 2.3 Nguyên tác điều khiển thẳng đứng tuyến tính

2.2.2 Nguyên tắc arccos Điện áp đồng bộ vượt trước điện áp khóa (thu được ở thứ cấp biến áp đồng bộ) 1 góc Điện áp điều khiển là điện áp một chiều nên có thể điều chỉnh: đ = ±

Mà ta có : = cos = cos(arccos đ ) = đ

Khái quát chung về mạch điều khiển

2.3.1 Nhiệm vụ của mạch điều khiển

 Phát xung điều khiển (xung để mở van) đến các van động lực theo đúng pha và với góc điều khiển cần thiết

 Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển ÷ tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra tải của mạch lực

 Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tải yêu cầu như chế độ khởi động, chế độ nghịch lưu, chế độ hãm hay đảo chiều, …

2.3.2 Cấu trúc của mạch điều khiển

Gồm các khâu như là đồng bộ, so sánh, tạo xung, khuếch đại

Hình 2.5 Các khối của mạch điều khiển

2.3.2.1 Khâu đồng pha và tạo điện áp tựa

Khối đồng pha có chức năng đảm bảo quan hệ về góc pha cố định với mạch lực nhằm xác định điểm góc mở tự nhiên để tính góc điều khiển Hình thành điện áp có dạng phù hợp làm xung nhịp cho hoạt động của khâu tạo điện áp tựa phía sau nó

Khi sử dụng nguyên tắc điều khiển arccos thì ta có: = arccos ( đ )

Sử dụng một mạch tích phân đảo để chuyển điện áp từ dạng sin sang cos

Khâu so sánh có chức năng so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa để xác định tới điểm phát xung điều khiển, thông thường đó là thời điểm khi 2 điện áp này bằng nhau Nói cách khác, đây là khâu xác định góc điều khiển

Chọn khâu so sánh sử dụng khuếch đại thuật toán (KĐTT) bằng phương pháp so sánh gián tiếp Khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại vô cùng lớn, chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ (cỡ ) ở đầu vào cũng làm cho đầu ra có điện áp

Nếu + đ > 0 => đầu ra ở mức thấp Nếu + đ < 0 => đầu ra ở mức cao

2.3.2.3 Khâu tạo xung chùm Đối với một số mạch, để giảm công suất cho tầng khuếch đại và tăng số lượng xung kích mở, nhằm đảm bảo Thyristor mở một cách chắc chắn, người ta hay phát xung chùm dùng cho các Thyristor Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khuếch đại, ta đưa chèn thêm một cổng AND với với tín hiệu vào nhận từ tầng so sánh và từ bộ phát xung chùm Ngõ ra của cổng AND ở mức cao khi cả 2 tín hiệu đầu vào đều ở mức cao

Hình 2.6 Mạch so sánh dùng KĐTT

Ta sử dụng mạch tạo xung đa hài không trạng thái bền dùng khuếch đại thuật toán để tạo xung chùm

Mạch sử dụng hai hồi tiếp về hai ngõ đầu vào của opamp Cầu phân áp RC hồi tiếp về ngõ âm, cầu phân áp R1 – R2 hồi tiếp về ngõ dương

Giả sử ban đầu ngõ ra = + => = > tụ nạp từ qua R qua C xuống mass Tụ C nạp điện cho đến khi = > thì đầu ra đổi thành trạng thái

= − Khi đó, = − < => tụ C xả qua R Tụ C xả cho đến khi điện tích trên tụ nhỏ hơn thì đầu ra đổi trạng thái Quá trình này lặp đi lặp lại tạo được chuỗi xung vuông

Chu kỳ xung được tính theo công thức : = 2

Với nhiệm vụ tạo được xung phù hợp để mở Thyristor, tầng khuếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng transistor công suất Để tạo ra được dạng xung kim, ta dùng biến áp xung (BAX) Để khuếch đại ta dùng transistor (Tr), dùng điôt để bảo vệ Tr và cuộn dây sơ cấp biến áp xung khi Tr khóa đột ngột

Hình 2.8 Mạch tạo chùm xung

Trong thực tế xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé (khoảng 10 ÷ 200 μs), mà thời gian mở thông các transistor công suất dài làm cho công suất tỏa nhiệt dư của Tr quá lớn và kích thước dây quấn sơ cấp biến áp dư lớn Để giảm công suất tỏa nhiệt Tr và kích thước dây sơ cấp BAX, ta có thể thêm tụ nối tầng Theo sơ đồ hình dưới, Tr chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ, nên dòng điện hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần

Từ các phân tích của các khối của mạch điều khiển, ta có sơ đồ nguyên lý như sau :

Hình 2.9 Mạch khuếch đại và tạo xung

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển

Kết luận

Trong chương này, chúng em đã khảo sát cụ thể về chỉnh lưu hình tia 3 pha điều khiển hoàn toàn, các nguyên tắc điều khiển và cấu trúc của bộ điều khiển Trong chương

3, chúng em sẽ tiến thành thiết kế và tính toán các phần tử mạch động lực Và trong chương

4, chúng em sẽ tiến thành thiết kế và tính toán các phần tử mạch điều khiển dựa trên những lý thuyết đã khảo sát ở chương 2

Hình 2.11 Dạng xung của các khâu trong mạch điều khiển.

THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐỘNG LỰC, MẠCH BẢO VỆ

Tổng quan thiết kế

3.1.1 Quy trình tính toán, thiết kế

1 Tìm hiểu công nghệ của tải mà bộ nguồn điện phải cấp điện : khảo sát ở chương

1, tổng quan về động cơ điện một chiều

2 Chọn sơ đồ mạch động lực : khảo sát ở chương 2

3 Tính chọn các thiết bị cơ bản của mạch động lực, bao gồm :

 Tính chọn các thông số định mức cơ bản của các linh kiện bán dẫn công suất

 Tính toán máy biến áp nguồn, cuộn kháng, bộ lọc

 Tính chọn các thiết bị bảo vệ, đóng cắt

3.1.2 Các thông số ban đầu

 Nguồn điện lưới xoay chiều 3 pha : 220/380 V

 Tải là động cơ điện một chiều kích từ độc lập có : đ = 3 ; đ = 220 ; đ = 800 ò

 Hệ số dự trữ điện áp : = 1.5 ÷ 1.8

 Hệ số dự trữ dòng điện : = 1.1 ÷ 1.4.

Tính toán và thiết kế mạch động lực

3.2.1 Sơ đồ mạch động lực

Hình 3.1 Sơ đồ mạch động lực

 Điện áp ngược của van bằng biên độ điện áp dây :

Với = √ cos => √ thay vào biểu thức ở trên ta có,

3√6 cos = 460,77 Trong đó : , , – điện áp tải, điện áp nguồn xoay chiều, điện áp ngược của van Để có thể chọn van theo điện áp hợp lý, điện áp ngược của van cần phải chọn lớn hơn điện áp làm việc, qua hệ số dự trữ = 1,5 ÷ 1,8 ∶

 Dòng điện định mức của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập :

Dòng điện làm việc của van : Được chọn theo dòng điện hiệu dụng của sơ đồ đã chọn ( = ) Dòng điện hiệu dụng được tính bằng :

√3 = 9,26 Trong đó : , , − dòng điện thứ cấp của máy biến áp, dòng điện hiệu dụng qua van và dòng điện tải Để van làm việc an toàn, không bị đánh thủng về nhiệt, phải chọn và thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý Dòng điện định mức khi có cánh tản nhiệt với đủ diện tích bề mặt, không có quạt đối lưu không khí cho phép van làm việc tới 40% đ ( đ > 2,5 )

Vậy thông số van sau khi tính toán là : = 829,38 và đ = 12,96 Từ các số liệu trên ta chọn Thyristor loại TYN1025 với các thông số cơ bản sau :

Bảng 1 Các thông số cơ bản của Thyristor TYN1025

Ký hiệu Tham số Giá trị Đơn vị Điện áp ngược cực đại của van 1000 V

Dòng điện đỉnh cực đại 25 A đ Dòng điện trung bình làm việc của van cực đại, T = 95 o

Dòng điện xung điều khiển 40 mA Điện áp điều khiển 1.5 V

Dòng chốt của van 80 mA

Dòng duy trì của van 50 mA

/ ∆ Độ sụt điện áp lớn nhất khi van đang hoạt động

Thời gian chuyển mạch (mở và khóa) 180

Nhiệt độ làm việc cực đại 125 °

3.2.2.2 Thiết kế máy biến áp

Công suất tải = không đặc trưng cho công suất mà bộ chỉnh lưu lấy từ lưới điện xoay chiều vì bộ chỉnh lưu là loại phụ tải mang tính cảm kháng Do đó phải dùng công suất biểu kiến = để thực hiện, ở đây U và I là trị số hiệu dụng của điện áp lưới và dòng điện tiêu thụ từ lưới của bộ chỉnh lưu

Chọn máy biến áp 3 pha có sơ đồ nói dây ∆ / Y, làm mát tự nhiên bằng không khí

1 Điện áp pha sơ cấp máy biến áp

2 Điện áp pha các cuộn thứ cấp máy biến áp Điện áp một chiều tổng quát tưng ứng khi không tải : cos = + ∆ + ∆ + ∆ Trong đó : − điện áp chỉnh lưu

= 10° − góc dự trữ khi có sụt áp điện áp lưới

∆ = 1,6 − sụt áp trên Thyristor đã chọn – bảng 1

∆ = ∆ + ∆ − sụt áp của biến áp bằng sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp Sụt áp vào khoảng (5 ÷ 10)%

∆ − sụt áp trên dây nối (chọn bằng 0)

= + ∆ + ∆ + ∆ cos = 220 + 1,6 + 6% 220 + 0 cos 10° = 238,42 Điện áp pha thứ cấp máy biến áp :

3 Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp :

4 Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp :

5 Công suất biểu kiến máy biến áp :

Tính toán và thiết kế mạch bảo vệ

Khi các van chỉnh lưu làm việc thì trên các van có một sụt áp gây tổn thất công suất trên van làm nóng cấu trúc bán dẫn của van Để cho các van không bị phát nóng do quá nhiệt ta sử dụng biện pháp tản nhiệt như dùng các miếng tản nhiệt kết hợp với quạt gió hoặc bơm chất lỏng tùy thuộc vào dòng điện

3.3.2.1 Bảo vệ quá tải Để bảo vệ quá tải cho bộ chỉnh lưu ta sử dụng các rơ le nhiệt hoặc aptomat có cơ cấu cắt theo nhiệt

Bảo vệ ngắn mạch cho bộ chỉnh lưu ta sử dụng cầu chì tác động nhanh (cắt nhanh) hoặc aptomat có cơ cấu cắt nhanh (điện từ)

3.3.2.3 Bảo vệ quá tốc độ tăng của dòng qua van di/dt

Trong trường hợp xảy ra quá dòng qua van đối với van thì ta nối tiếp các van với các điện cảm có các giá trị nhỏ Thực tế các điện cảm này thường được mắc nối tiếp trong mạch nguồn xoay chiều Khi sơ đồ chỉnh lưu có sử dụng biến áp cung cấp thì chỉ cần chọn máy biến áp có điện ngắn mạch phần trăm (7 ÷ 10)% là đủ để bảo vệ quá dòng qua van

Mắc mạch R-C song song với van để bảo vệ khỏi hiện tượng quá áp trong Khi mạch R-C mắc song song với các Thyristor, thì sẽ tạo ra một mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Thyristor sẽ không bị quá áp trong

Dùng cầu chì để chống sự cố ngắn mạch, nhưng để bảo vệ được van thì phải có tốc độ nhanh Vì vậy cầu chì bảo vệ van là loại được chế tạo chuyên dụng, giá thành khá đắt và khó tìm Cầu chì hay được đặt trực tiếp vào van lực, tuy nhiên có thể đặt ở đầu vào mạch van hoặc đầu ra phá 1 chiều Chọn cầu chì cũng theo 2 chỉ tiêu thông dụng là dòng điện định mức qua cầu chì và điện áp định mức

 Dây chảy tác động nhanh (nhóm 1CC) là để bảo vệ ngắn mạch thứ cấp máy biến áp Dòng điện định mức chạy qua dây chảy nhóm 1CC là :

= 1,1 = 1,1.13,1 = 14,41 Chọn cầu chì loại GSA15, đ = 15

 Dây chảy tác động nhanh (nhóm 2CC) là để bảo vệ ngắn mạch các Thyristor Dòng điện địch mức chạy qua dây chảy nhóm 2CC là :

= 1,1 = 1,1.9,26 = 10,19 Chọn cầu chì loại GSA15, đ = 15

 Dây chảy tác động nhanh (nhóm 3CC) là để bảo vệ mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu Dòng điện định mức chạy qua dây chảy nhóm 3CC là :

Chọn cầu chì loại GSA20, đ = 20

3.3.4.2 Chọn mạch bảo vệ quá áp van

Khi có sự chuyển mạch van các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược lớn trong thời gian ngắn Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá áp giữa Anode và Cathode của Thyristor Tốc độ biến thiên đạt 10 dẫn đến quá áp theo biểu thức

Chọn các thông số R, C theo kinh nghiệm R = 10 Ω, C = 0.1

Hình 3.2 Sơ đồ mạch lực có gắn các thiết bị bảo vệ.

Tính toán và thiết kế mạch lọc

3.4.1 Sóng hài bậc cao của điện áp chỉnh lưu

Ta có : = sin cos = √ sin cos = cos

Trị hiệu dụng của điện áp chỉnh lưu : ( ) = ∫ = + Trong đó :

3.4.1.1 Khai triển Fourier của điện áp trên tải :

Biên độ của song hài bậc n :

Ta thấy biên độ sóng hài bậc n phụ thuộc vào bậc của sóng hài n, số xung đập mạch p và góc điều khiển Với bộ chỉnh lưu tia 3 pha ta có :

Tần số xoay chiều bậc 1 : ( ) =

3.4.1.2 Hệ số đập mạch và hệ số chỉnh lưu :

( ) − ị ℎ ệ ụ ủ ℎà ℎ ℎầ ℎ ề ậ 1 q càng tiến về 0 càng tốt

( ) càng lớn hơn 1 càng tốt

Với mạch lọc điện cảm thành phần không bị tác động Cuộn cảm mắc nối tiếp với tải Lọc điện cảm phù hợp với tải có công suất lớn vì dễ dàng thực hiện điều kiện lọc tốt khi ≫ ( − đ ệ ả , − đ ệ ở ả ) Ta có, giá trị điện cảm được xác định bằng công thức:

Với mạch lọc điện dung không cho dòng đi qua Tụ điện được mắc song song với tải Lọc điện dung rất khó thực hiện với tải công suất lớn, tải càng nhỏ càng khó thực hiện do giá trị tụ chọn phải lớn Giả sử dòng xoay chiều qua tụ, dòng một chiều qua tải, giá trị tụ lọc tính gần đúng bằng công thức:

Với mạch lọc LC kết hợp của hai mạch lọc trên Khi đó thành phần đưa toàn bộ ra tải, còn thành phần xoay chiều bị lọc lại toàn bộ ở khâu lọc Giá trị được xác định bằng công thức :

Với mạch lọc CLC tương đương với mạch lọc C và mạch lọc LC mắc nối tiếp nhau

Hệ số = , khi hệ số > 50 thì ta sử dụng mạch lọc CLC

Ta lựa chọn mạch lọc LC để làm mạch lọc cho đầu ra của bộ chỉnh lưu

Kết luận

Trong chương này, chúng em đã thiết kế mạch động lực, tính toán các phần tử bảo vệ cho bộ chỉnh lưu khỏi các hiện tượng như quá áp, quá dòng ,quá nhiệt độ, từ đó giúp cho bộ chỉnh lưu có thể hoạt động ổn định Chúng em còn tính toán và thiết kế bộ lọc làm phẳng điện áp ra của bộ chỉnh lưu làm cho đầu ra được phẳng hơn, tăng chất lượng của một chiều đầu ra Ở chương tiếp theo, chúng em sẽ tính toán và thiết kế mạch điều khiển cho các van động lực dựa trên kiến thức đã khảo sát ở chương 2.

THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Tính toán các thông số của sơ đồ mạch điều khiển

4.1.1 Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển

 Tần số xung điều khiển: = 1000

 Độ rộng xung điều khiển: = 500

 Điện áp nguồn nuôi mạch điều điển: = ±12

4.1.2 Tính toán biến áp xung

Chọn máy biến áp xung có lõi là sắt Ferit,

 Chọn tỉ số máy biến áp xung: = 3

 Điện áp thứ cấp máy biến áp xung: = đ = 1,5

 Điện áp sơ cấp máy biến áp xung: = = 3.1,5 = 4,5

 Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung: = đ = 40

 Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung: = = = 13,3

4.1.3 Tính toán tầng khuếch đại cuối cùng Đầu tiên, T2 ta chọn transistor C1815 có hệ số khuếch đại lớn, hoạt động tốt ở chế độ xung với tần số cao Một số thông số cơ bản của transistor C1815

Ta thấy rằng với loại Thyristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé: đ = 1,5 , đ = 40 Nên dòng Collector – base của transistor T2 khá bé, trong trường hợp này ta có thể không cần transistor T1 mà vẫn có đủ công suất điều khiển

Chọn nguồn cấp cho máy biến áp xung U = 12 V, khi đó ta mắc thêm điện trở

Các diode , , chọn loại 1N4007 có :

Chọn IC 74HC08 là loại IC logic họ CMOS có 4 cổng AND độc lập 2 đầu vào Nguồn cấp 2-6 V Dòng điện định mức nhỏ hơn 1mA Điện áp ngõ ra mức cao khoảng 5V Điện áp ứng với mức logic “1”: 2 ÷ 4,5

4.1.5 Tính chọn tụ C 3 và R 7 Điện trở dùng để hạn chế dòng điện đưa vào base của transistor T2, chọn thỏa điều kiện :

4.1.6 Tính toán mạch tạo xung chùm

Vì các khuếch đại thuật toán dùng để so sánh nên ta chọn TL084 IC này gồm 4 bộ so sánh độc lập Hoạt động với nguồn đươn trong dải điện áp rộng 3-6 V (cũng có thể sử dụng nguồn kép)

= 1032 s Để thuận tiện cho việc điều chỉnh tần số khi lắp mạch, ta có thể chọn là biến trở 10 Ω

4.1.7 Tính toán mạch so sánh

Sử dụng một phần tử khuếch đại thuật toán trong TL084

Trong đó nếu nguồn nuôi = +12 thì điện áp vào là ≈ 12 Dòng điện vào được hạn chế để < 1

Do đó ta chọn = = 15 Ω, khi đó dòng vào : = 0,8

4.1.8 Tính toán mạch đồng pha

4.1.8.1 Nguyên tắc điều khiển arccos

Khâu tạo điện áp tựa là một mạch tích phân, do đầu vào là dạng sin có chu kì 50Hz nên ta có chu kì 0,02s Khi đó hằng số thời gian: = = 0,01

4.1.8.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Điện áp tựa được hình hành do sự nạp của tụ Mặt khác để đảm bảo điện áp tựa có trong nửa chu kỳ điện áp điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được

Chọn transistor loại A564 có các thông số sau :

 Dòng điện lớn nhất collector có thể chịu : = 100

 Dòng điện cực đại của base : = = = 0,4 Điện trở để hạn chế dòng điện đi vào base của transistor được chọn như sau :

Chọn điện áp xoay chiều đồng pha: = 9 Điện trở để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật toán , thường chọn sao cho dòng vào khuếch đại thuật toán < 1 Do đó ≥ = 9 Ω

4.1.9 Tính toán mạch nguồn nuôi 12V

Ta cần thiết kế mạch tạo nguồn nuôi ±12 để cung cấp cho máy biến áp xung, các

Ta dùng mạch chỉnh lưu cầu 1 pha dùng diode Để ổn định điện áp ra của nguồn ta cùng các vi mạch ổn áp 7812 – 7912 (tạo nguồn đối xứng 12V), các thông số của mạch này có điện áp đầu vào khoảng 7-35V, dòng điện đầu ra khoảng 1A Ta dùng các tụ lọc sóng hài bậc cao, các tụ có giá trị càng lớn lọc càng tốt (chọn giá trị các tụ khoảng 470 F).

Tính toán khâu phản hồi

Trong quá trình hoạt động để ổn định được tốc độ động cơ, thì ta cần dòng điện không đổi Để ổn định được tốc độ còn liên quan đến dài điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải của hệ thống Để ổn định cao thì dải điều chỉnh càng rộng

4.2.1 Khâu phản hồi mạch vòng âm tốc độ Để phản hồi tốc độ của động cơ ta dùng một máy phát tốc để đo Máy phát tốc là một loại máy điện nhỏ có nam châm vĩnh cữu, làm việc ở chế độ máy phát, được gắn vào trục động cơ Khi động cơ quay thì rotor của máy phát tốc cũng quay, phía stator của máy phát tốc sẽ có điện áp tỷ lệ tuyến tính với tốc độ Ta sử dụng điện áp đó phản hồi về để điều khiển tốc độ của động cơ

Hình 4.1 Mạch tạo nguồn nuôi

Hình 4.2 Khâu phản hồi tốc độ

So sánh giá trị đặt đầu vào với mức phản hồi cho tín hiệu sai lệch để ổn định tốc độ đặt của động cơ Tín hiệu phản hồi âm tốc được tổng hợp với tín hiệu đặt thông qua Opamp tạo tín hiệu ra đưa đến bộ điều khiển PID

4.2.2 Tính toán bộ điều khiển PID Đầu vào của bộ PID là đầu ra của mạch phản hồi tốc độ

Ta đã khảo sát và chứng minh ở chương 1, biểu thức đầu ra của bộ PID dựa trên các bộ khuếch đại, tích phân và vi phân như sau:

Với = , Để có thể tùy chỉnh được các thông số , , ta có thể thay đổi thông số của các điện trở hoặc tụ điện Có thể thay thế các điện trở , , bằng các biến trở để tạo ra bộ điều chỉnh mong muốn

Tín hiệu ra khỏi bộ PID được đưa vào một mạch cộng đảo nhằm tạo ra đ chính thức đưa vào cấp cho Thyristor Có thể điều chỉnh giá trị điện áp điều khiển thông qua một biến trở.

Kết luận

Chúng em đã tiến hành tính toán các phần tử trong các khối của mạch điều khiển dựa trên lý thuyết đã khảo sát ở chương 2 Tính toán khâu phản hồi và PID dựa trên lý thuyết của chương 1

Tiếp theo, ở chương 5 chúng em sẽ tiến hành vẽ và mô phỏng mạch điều khiển bằng phần mềm Proteus, và mạch động lực bằng phần mềm Matlab (Simulink) Và vẽ sơ đồ mạch tổng thể của đề tài bằng phần mềm AutoCAD

Hình 4.3 Sơ đồ mạch PID dùng khuếch đại thuật toán.

MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN

Mô phỏng mạch tạo xung kích cho van chỉnh lưu bằng phần mềm Proteus

5.2.1 Theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

Hình 5.2 Sơ đồ tạo mạch xung kích theo bằng điều khiển thẳng đứng tuyến tính

Hình 5.3 Mô phỏng bằng Proteus

Với đường màu vàng là điện áp tựa dạng răng cưa, đường màu xanh lá cây là điện áp điều khiển Đường màu xanh dương là điện áp sau khi được so sánh Đường màu hồng là điện áp sau khi qua cổng AND

Hình 5.4 Kết quả mô phỏng

5.2.2 Theo nguyên tắc điều khiển arccos

Hình 5.5 Sơ đồ tạo mạch xung kích theo bằng điều khiển arccos

Hình 5.6 Mô phỏng bằng Proteus

5.2.2.2 Mô phỏng điện áp ra tại điểm B Điện áp lưới có dạng hình sin qua biến áp vẫn có dạng hình sin nhưng bị giảm biên độ Sau khi qua bộ tích phân tạo ra điện áp có dạng cosin có chu kì bằng chu kì điện áp lưới

5.2.2.3 Mô phỏng điện áp ra tại điểm C Điện dạng dạng cosin tại B được đưa vào mạch so sánh để so sánh với điện áp điều khiển

Hình 5.7 Điện áp ra tại điểm B

5.2.2.4 Mô phỏng điện áp ra tại điểm D

Khối tạo xung đa hài tạo ra chuỗi xung liên tục với tần số 1000Hz

5.2.2.5 Mô phỏng điện áp ra tại điểm F

Khi đem so sánh điện áp tại điểm C và điểm D bằng mạch AND thì ta được chuỗi xung chùm Chuỗi xung chùm khi đi qua bộ tạo xung và khuếch đại xung tạo ra chuỗi xung kim có độ rộng bằng độ rộng xung tạo bởi bộ đa hài

Hình 5.9 Điện áp ra tại điểm D

Hình 5.10 Điện áp ra tại điểm F

5.2.2.6 Mô phỏng chuỗi xung kim để kích mở van.

Mô phỏng mạch PID

Hình 5.12 Mô phỏng mạch PID bằng Proteus

Mô phỏng bộ chỉnh lưu bằng phần mềm Matlab

Hình 5.13 Thông số của Thyristor Hình 5.14 Thông số của khối phát xung

Hình 5.15 Sơ đồ mô phỏng trong Matlab (Simulink).

Kết luận

Sau hơn 15 tuần nghiên cứu và thực hiện đồ án, nhóm chúng em đã tìm hiểu về động cơ điện một chiều kích từ độc lập, cách điều khiển nó thông qua bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha điều khiển hoàn toàn Các nguyên lý điều khiển như là điều khiển thẳng đứng tuyến tính và điều khiển arccos Chúng em cũng mô phỏng mạch điều khiển bằng phần mềm Proteus, mạch động lực bằng phần mềm Matlab (Simulink) Tuy nhiên, do còn nhiều hạn chế vế kiến thức và kỹ năng nên vẫn còn một số phần chưa hoàn thành tốt như bộ điều khiển PID

Trong quá trình tìm hiều về đồ án, dưới sự hỗ trợ của thầy Giáp Quang Huy cùng sự nổ lực của cả nhóm chúng em đã hoàn thành đồ án Tuy nhiên, do chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế, nên sẽ không thể tránh khỏi những sai sót, vì vậy mong thầy góp ý thêm

Hình 5.16 Kết quả mô phỏng Matlab.