Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Chơng III : thiết kế bộ chỉnh lu đIều chỉnh tốc độ động

- Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

- Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arcos”

Để thực hiện điều chỉnh vị trí xung điều khiển đặt nên cực điều khiển ,trong nửa chu kì dơng của điện áp đặt nên hai cực Anốt và Catốt của Thyristor 3.1.Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

Theo nguyên tắc này ngời ta dùng hai dạng điện áp

- Điện áp đồng bộ ,kí hiệu là US,đồng bộ với điện áp đặt trên Anốt-Catốt của Thyristor Thờng đặt vào đầu đảo của khâu so sánh

- Điện áp điều khiển, kí hiệu là Ucm (điện áp một chiều, có thể điều chỉnh đợcbiên độ) Thờng đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh

+ Khi đó hiệu điện thế đầu vào khâu so sánh là :

Ud = Ucm - US

+ Mỗi khi Ucm = US thì khâu so sánh lật trạng thái, ta nhận đợc “sờn xuống” của điện áp đầu ra của khâu so sánh “Sờn xuống “ này thông qua đa hài một trạng thái ổn định , tạo ra một xung điều khiển

Ta có quan hệ :

α = ΠUsm Ucm

Ngời ta lấy U cm max = US m

3.2.Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “Arccos“.

Theo nguyên tắc này ngời ta dùng hai dạng điện áp

- Điện áp đồng bộ US, vợt trớc UAK = Um sinωt, của Thyristor một góc bằng

2

/

Π

US = Um cosωt

- Điện áp điều khiển Ucm , là điện áp một chiều , có thể điều chỉnh đợc biên

độ theo hai chiều dơng và âm

- Nếu đặt US vào cổng đảo và Ucm vào cổng không đảo của khâu so sánh thì khi US = Ucm ,ta nhận đợc một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái

Um cosωt = Ucm

Do đó α = arccos (Ucm Um )

Hình3.2: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccos

Nh vậy khi điều chỉnh Ucm từ trị số Ucm= +Um đến Ucm = - Um ,ta có thể điều chỉnh đợc góc α từ 00→ 1800

Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “Arccos” đợc sử dụng trong các thiết bị chỉnh lu đòi hỏi chất lọng điều chỉnh cao

Ung max = 2 Π

2 2 220

+ Dòng điện định mức của van

Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt Không có quạt đối lu không khí, với điều kiện đó dòng định mức của van cần chọn :

IđmV = ki I lv

Với : ki là hệ số dự trữ dòng điện và chọn ki = 4

Iđm V = 4 8,5 = 34 (A)

Iđm V = 34 (A)

Từ các thông số Unv, Iđmv ta chọn đợc 4 Thyristor loại NO29RH10 Có các thông số sau :

+ Điện áp ngợc cực đại của van : Ung = 1000 (V)

+ Dòng điện định mức của van : Iđm = 50 (A)

+ Dòng điện của xung điều khiển : Iđk = 0,15 (A)

+ Điện áp của xung điều khiển : Uđk = 3 (V)

+ Dòng điện rò : Ir =

+ Sụt áp lớn nhất của Thyristor ở trạng thái dẫn là : ∆U = 0,85 (V)

+ Tốc độ biến thiên điện áp :

dt

dU

= (200 ữ 500) àV s + Tốc độ biến thiên dòng điện : dI dt = ( 10 ữ 70) àA s

+ Thời gian chuyển mạch : tcm = 100 às

+ Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : Tmax = 1250C

3.2.2.Tính toán các mạch bảo vệ Thyristor

Các Thyristor cần đợc baỏ vệ khỏi tốc độ tăng dòng điện và tăng điện áp quá

lớn

Khi đề cập đến cách bảo vệ các Thyristor chống lại các nguyên nhân gây h hỏng ta dựa vào các giá trị dòng điện và điện áp mà mỗi Thyristor phải chịu

- Bảo vệ tăng dòng điện quá lớn

- Bảo vệ quá dòng điện nhờ nối tiếp vào mạch một cuộn kháng bão hoà lõi thép Ferit với một vòng dây Cuộn kháng có tác dụng hạn chế tốc độ tăng tr-ởng dòng điện sự cố

L đợc chọn theo kinh nghiệm : L = (50 ữ 100 )àH

- Bảo vệ quá điện áp.

Để bảo vệ quá điện áp ta có thể dùng mạch RC mắc song song với Thyristor

để chống quá điện áp khi chuyển mạch nhiều

P U

.

b là hệ số dự trữ về áp

Uim là giá trị điện áp ngợc thực tế đặt vào van

Q là điện lợng tích tụ Q = f(dI dt ) tra trong sổ tay kĩ thuật

+ Rmin L.U2Qmin ≤ R* ≤ Rmax L.U2Qmin

Dựa vào các công thức trên, hình vẽ biểu diễn mối quan hệ C* và R* theo k Kinh nghiệm thực tế ta chọn đợc :

R = ( 10 ữ 1000 ) Ω

Chọn: R = 10(Ω)/3(w)

C = 0,1 (àF)/600(mV)

3.2.3.Vấn đề làm mát cho Thyristor khi làm việc

Khi Thyristor mở cho dòng chảy qua , công suât tổn thất bên trong Thyristor

bao gồm :

- Tổn hao khi Thyristor dẫn theo chiều thuận

- Tổn hao do chuyển mạch

- Tổn hao trong mạch điều khiển do năng lợng của xung điều khiển trên cực

điều khiển gây ra

Các tổn hao này sinh ra nhiệt làm phát nóng Thyristor , do đó ta phải lắp thêm cánh tản nhiệt ở ngoài vỏ Nhiệt lợng này sẽ đợc truyền ra vỏ qua lớp chuyển tiếp rồi đến cánh tản nhiệt Thyristor bán dẫn nếu không đợc làm mát thì khả năng chịu dòng chỉ còn khoảng ( 30 ữ 50 )% Iđm

- Làm mát tự nhiên: Có thể khai thác chỉ cỡ 35%giá trị dòng trung bình cho phép qua van

- Làm mát cỡng bức bằng qụat gió: có thể khai thác đến 50% giá trị dòng trung bình qua van

- Làm mát cỡng bức bằng nớc: khai thác đến 95% giá ttrị dòng trung bình qua van

Nh vậy để khai thác triệt dể dòng điện qua van ,ta có thể làm mát bằng cách cho nớc chảy trực tiếp qua cánh tản nhiệt

Ta đã biết Thyristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dơng đặt nên Anốt và có xung dơng đặt vào cực điều khiển Sau khi Thyristor mở thì xung điều khiển không còn tác dụng.Vì vậy việc Thyristor mở cho dòng điện chảy qua là do thông số mạch điều khiển quyết định

3.3.1.Mạch điều khiển có chức năng sau :

- Điều chỉnh đợc vị ttrí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ của điện

áp dơng đặt nên Anốt-Catốt của Thyristor

- Tạo ra đợc các xung điều khiển đủ điều kiện mở đợc Thyristor Xung điềukhiển có biên độ xung từ (2 ữ 10 )V, độ rộng xung điều khiển tx =

(20 ữ100) às (đối với thiết bị chỉnh lu) , tx < 100 às (đối với thiết bị biến đổi tần số cao)

- Sờn xung ngắn (ts = 0,5 ữ 1) às

- Đảm bảo tính đối xứngvới các kênh điều khiển

- Độ tác động nhanh của mạch điều khiển

- Đảm bảo cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển

- Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển αmin + αmax tơng ứng với phạm

vi thay đổi điện áp ra của tải

- Cho phép bộ chỉnh lu làm việc bình thờng với các chế độ khác nhau do tải yêu cầu

- Có độ đối xứng xung điều khiển tốt

- Xung điều khiển phát tới các van lực phù hợp để mở các van lực

Hình3.3: Sơ đồ khối mạch điều khiển

- Khâu ĐF: tạo ra điện áp đồng pha với điện áp nguồn

- Khâu SS : tạo thời điểm phát ra xung điều khiển bằng cách so sánh điện áp

điều khiển với đIện áp tựa Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau sẽ xuất hiện một xung , lấy sờn dơng để chế thành xung điều khiển mở Thyristor

- Khâu KĐX và BAX: khuếch đại xung đảm bảo biên độ , độ rộng xung đủ

để mở Thyristor, và cách ly mạch điều khiển với mạch lực

Để điều khiển góc mở α theo nguyên tắc thẳng đứng cho bản đồ án này ta sửdụng mạch điều khiển góc mở α dùng IC(LM324) và IC(LM741) đợc trình bày nh sau :

3.3.3.Tính toán các khâu của mạch điều khiển :

3.3.3.1 Khâu đồng pha

1.Sơ đồ nguyên lý

5

6

7U1B

+12

1

2

3R

Điện áp U0 (tại điểm 0) là điện áp ra của thứ cấp biến áp đồng pha nên là

điện áp xoay chiều hình sin đợc đa vào cổng không đảo của khuếch đại thuật toán U1A thông qua điện trở R3 Sau khâu khuếch đại thuật toán U1A ta đợc

điện áp ra tại điểm (1) là U1 có dạng chuỗi xung hình chữ nhật dơng âm kế tiếp ,có biên độ U1 = Ubh .

Chuỗi xung hình chữ nhật này đợc đa sang khâu vi phân gồm có tụ C7 và

điện trở R6

- Khi U1 = - Ubh thì tụ C7 đợc nạp từ đất nên U2 = UGND = 0

- Xét tại thời điểm t = t1, khi điện áp U1 tăng đột ngột từ –Ubh nên +Ubh , do

đó điện áp U1 = Ubh Khi đó điện tích trên 2 bản cực của tụ C7 không kịp thay

đổi do đó U2 = 2Ubh Sau đó U1 = +Ubh thì tụ C7 sẽ phóng điện qua điện trở R6

về đất đến khi U2 = 0 Thời gian tụ C7 phóng điện về đất là T1

- Xét tại thời điểm t = t2, khi điện áp U1 giảm đột ngột từ U1 = +Ubh xuống U1

= -Ubh, đo đó U1 = 2Ubh Khi đó điện tích trên hai bản cực tụ C7 cũng cha kịp thay đổi do đó U2 = -2Ubh Sau thời điểm đó thì U1 = -Ubh và tụ C7 sẽ phóng

điện qua điện trở R6 về đất đến khi U2 = 0 Thời gian phóng điện của tụ C7cũng là T1

Nh vậy ta có điện áp ra sau khâu vi phân là U2 có dạng chuỗi xung kim tam giác dơng âm kế tiếp

Chuỗi xung kim U2 đợc đa tới khâu khuếch đại thuật toán U1B thông qua hai điốt D3 và D4 mắc song song ngợc

- ở nửa chu kỳ đầu khi U2 > 0 thì điốt D3 sẽ thông Điện áp đợc đa vào cửa

đảo của U1B bằng tổng U2 + điện áp phân áp trên R4 và R5

Qua U1B điện áp bị đảo dấu Điện áp ra tại điểm (3) là U3 là điện áp âm Khi U2 = 0 thì cả D3 và D4 đều khoá, điện áp vào cửa đảo của U1B lấy trên phân áp R4 và R5 là điện áp âm nên điện áp ra U3 là điện áp dơng

Khi U2 < 0 thì điốt D4 sẽ thông điện áp âm đặt nên cửa không đảo của U1B nên điện áp ra U3 là điện áp âm

4.Tính toán khâu đồng pha

a)Tính khâu vi phân

+ Khi U1 = -Ubh thì U2 = UGND = 0

+ Khi U1 tăng đột ngột từ -Ubh→+Ubh có nghĩa U1 biến thiên một khoảng2Ubh thì điện tích trên hai bản cực của tụ C7 cha kịp thay đổi nên U2 = 2Ubh Sau đó U1 = +Ubh thì tụ C7 sẽ phóng điện qua điện trở R6 về đất

- Hằng số thời gian phóng của tụ C7 là T1

10 5 , 0

−

−

= 1,06.103 (Ω) Chọn R6 = 1,5 (kΩ)

Chọn khuếch đại thuật toán U1B loại LM324

3.3.3.2.Khâu tạo điện áp răng ca

1.Sơ đồ nguyên lý

Khi điện áp ra U3 dơng đặt vào đầu của điốt D5 thì D5 bị khoá, tụ C8 đợc nạpngợc theo chiều từ U4 qua tụ C8 qua VR2, đến khi điện áp trên tụ C8 bằng 10V

Khi điện áp ra U3 âm đặt vào đầu của điốt D5 thì D5 sẽ thông cho dòng điện chảy qua lúc này tụ C8 sẽ phóng điện tích theo chiều từ +12V qua biến trở

VR1và điện trở R8 đến khi điện áp trên tụ bằng 0V

4.Tính toán khâu tạo điện áp răng ca

Ubh = 10(V)

→ VR2 = 1 10 3

10

− = 10.103 (Ω) Chọn VR2 = 10(kΩ)

→ C8 = ( .)

8

C U

t

I nap

= 1.10−3.100,5.10−3 = 0,05.10-6

10

−

C

10 5 , 9

10 47 10

3.3.3.3.Khâu so sánh

1.Sơ đồ nguyên lý

R11

D6GND

Udk4

Muốn xác định đợc thời điểm mở Thyristor ( góc mở α ) thì ta tiến hành so sánh hai tín hiệu Uđk và Urc Điện áp răng ca U4 đợc đa vào cửa đảo của khâu khuếch đại thuật toán U1D để so sánh với điện áp điều khiển đợc đa vào cửa không đảo Điện áp điều khiển đợc đa vào cửa không đảo của khuếch đại thuật

toán U1B qua R7

- Nếu Urc < Uđk thì tín hiệu ra là dơng →U4 > 0

- Nếu Urc > Uđk thì tín hiệu ra là âm → U4 < 0

- Nếu Urc = Uđk thì đó là thời điểm phát xung để mở Thyristor

Vậy ở đầu ra của U1D là một chuỗi xung âm dơng liên tiếp Muốn thay đổi góc mở α của Thyristor từ 00ữ 1800 thì ta thay đổi giá trị độ lớn của điện áp điều khiển Uđk - Điốt D6 dùng để loại bỏ phần xung âm Vì vậy điện áp ra ở điểm (6) chỉ còn phần xung dơng 4.Tính toán khâu so sánh Chọn điện trở R9 = R10 = 10 (kΩ)

R11 = 5 (kΩ)

Chọn khuếch đại thuật toán U1D loại LM324

Điốt D6 dùng để loại bỏ phần xung âm chọn loại 1N4148

3.3.3.4.Khâu phát xung chùm 1.Sơ đồ nguyên lý

Hình3.10: Sơ đồ nguyên lý khâu phát xung chùm

Ur = K U6 .

với K =

13 12

12

R R

R

+

Khi cấp nguồn cho khuếch đại thuật toán U3A sau thời gian quá độ thì thì sựphóng nạp của tụ C9 tạo ra chuỗi xung hình chữ nhật

Giả sử đầu ra của khâu khuếch đại thuật toán U3A là điện áp dơng qua phân

áp điện trở R12 và R13 có điện áp ngỡng là U ngỡng =Ur , điện áp này đặt vào cổng không đảo của U3A Đồng thời tụ C9 đợc nạp từ đầu ra của U3A qua

điện trở R14 đặt vào cửa đảo của U3A Tụ C9 nạp điện áp lớn dần lên, khi nào

điện áp đó lớn hơn cửa không đảo thì đầu ra của U3A đổi dấu Quá trình đó cứ lặp lại nh trên kết quả ta thu đơc xung chùm âm dong kế tiếp

2 C T

4

10 02 , 0 2 , 2

10

−

−

= 2272,7 (Ω) Chọn R14 = 3,3 (kΩ)

R12 = R13 = R15 = 10 (kΩ)

D7 loại 1N4148

Để cho khi điện áp ra ở khâu khuếch đại thuật toán có giá trị âm mà điốt D7không bị đánh thủng chọn điện trở R15

3

U2A

96

8

2.Đồ thị dạng điện áp ra

t0

t0

Đối với một số mạch do chất lợng của biến áp xung không tốt ( do biến áp xung có thể đợc quấn bằng tay) và để giảm công suất cho tầng khuếch đại , tăng chất lợng xung kích mở cho Thyristor ( nhằm đảm bảo cho Thyristor mở một cách chắc chắn ) ngời ta thờng dùng phơng pháp phát xung chùm cho các Thyristor Trớc khi vào tầng khuếch đại ta cho xung ra từ sau khâu so sánh cộng với xung tạo ra từ khâu phát xung chùm rồi cho qua khâu trộn xung thực chất là qua phần tử AND Sau khâu so sánh ta thu đợc xung có tần số thấp (100Hz) còn từ khâu phát xung chùm ta thu đợc xung có tần số cao (10 kHz)

Ta đem cộng hai xung này lại kết quả là đầu ra của khâu trộn xung ta thu đợc xung có tần số cao để điều khiển mở Thyristor chắc chắn

D109

Tín hiệu tại điểm (9) là một chùm xung dơng qua transistor T1 đợc khuếch

đại lên β1 lần đợc đa tới cực bazơ của Transistor công suất T2 làm cho T2 mở, dòng qua cuộn sơ cấp của biến áp xung qua T2 về đất.Bên thứ cấp của biến áp suất hiện một xung để kích mở Thyristor

Điôt D10 hạn chế quá áp trên các cực colector và emitor của T2 khi T2 khoá

Điôt D11,D12,D13,D14 có tác dụng làm giảm điện áp ngợc đặt lên giữa catốt và cực điều khiển G của Thyristor khi khoá

4.Tính toán khâu khuếch đại xung và biến áp xung

a) Tính toán BAX

- Biến áp xung là thiết bị dùng để truyền tín hiệu điều khiển có các đặc điểmsau :

+ Tạo xung điều khiển có biên độ yêu cầu

+ Truyền xung ở tần số cao

+ Dễ phân phối xung đi các kênh điều khiển

+ C¸ch ly vÒ ®iÖn gi÷a m¹ch lùc vµ m¹ch ®iÒu kkhiÓn

- Theo phÇn tÝnh tãan ë m¹ch lùc chän Thyristor cã c¸c th«ng sè sau :

- Tû sè biÕn ¸p xung m thêng chän tõ (1 ÷ 5), chän m = 2

- §iÖn ¸p trªn cuén s¬ cÊp biÕn ¸p xung lµ U1

S1 = 0,0756 = 0,0125 (mm2)

+ Đờng kính dây quấn sơ cấp BAX là d1 :

d1 =

Π 1

4S = 4.03,,012514 = 0,13 (mm) Chọn d1 = 0,2 (mm)

+ Số vòng dây cuộn thứ cấp BAX là W2 :

S2 =

4

15 , 0

= 0,0375 (mm2) + Đờng kính dây quấn thứ cấp BAX là d2:

d2 =

Π 2

4S = 4.03,,037514 = 0,22 (mm) Chọn d2= 0,3(mm)

b) Tính khâu KĐX

Xung điều khiển đợc lấy ra từ khâu trộn xung, nhng chúng có dòng điện và

điện áp nhỏ Để đảm bảo đợc dòng và áp yêu cầu đặt vào cuộn sơ cấp củaBAX ta dùng mạch KĐX gồm hai tranxistor mắc theo kiểu DARLINGTON

- Điện áp ở cực Colectơr của Tranzitor T2 là :

UC2 = UE2 = U1 = 7,2 (V)

- Dòng đIện ở cực Colector của Tranzitor T2 là :

IC2 = IE2 = I1 = 0,075 (A)

Căn cứ vào điện áp và dòng điện ta chọn Tranzitor T2 là loại D613 có cácthông số sau :

I I

- Điốt D10 để ngăn quá điện áp đặt nên cuộn sơ cấp biến áp xung

- Điốt D11, D13 ngăn xung âm đặt vào cực G của thyristor, D12 và D14 bảo vệlớp tiếp giáp K và G cho thyristor khi nó khoá

Các điốt D10,D11, D12, D13, D14 chọn loại 1N4007

3.3.3.7.Xây dựng cấu trúc mạch điều khiển

Hệ truyền động chỉnh lu điều khiển Thyristor - Động cơ điện một chiều

(T-Đ) thờng có hai mạch vòng : Mạch vòng dòng điện Ri nằm trong và mạch vòng tốc độ Rω nằm ngoài

- Mạch vòng tốc độ để đảm bảo đáp ứng về tốc độ ω

- Mạch vòng dòng điện đảm bảo đáp ứng về mômen M

1.Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động T-Đ