Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều Chơng III : thiết kế bộ chỉnh lu đIều chỉnh tốc độ động cơ đIện một chiều Đ 3.1. Nguyên lý điều khiển Thyristor trong mạch điện xoay chiều. Để điều khiển Thyristor trong mạch điện xoay chiều ta có nhiều nguyên tăc khác nhau nhng trong thực tế ngời ta thòng dùng hai nguyên rắc điều khiển sau : - 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 U S ,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 U cm (điện áp một chiều, có thể điều chỉnh đợc biên độ). Thờng đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh . + Khi đó hiệu điện thế đầu vào khâu so sánh là : U d = U cm - U S . + Mỗi khi U cm = U S 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 . Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 30 Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 0 t U cm U S 2 U S m Hình3.1: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính U S U cm Nh vậy bằng cách thay đổi biên độ điện áp U cm , ta có thể điều chỉnh đợc thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh đợc góc mở đa vào cực điều khiển của Thyristor . Ta có quan hệ : Usm Ucm = Ngời ta lấy U cm max = U S 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 U S , vợt trớc U AK = U m sint, của Thyristor một góc bằng 2/ . U S = U m cost . - Điện áp điều khiển U cm , là điện áp một chiều , có thể điều chỉnh đợc biên độ theo hai chiều dơng và âm . - Nếu đặt U S vào cổng đảo và U cm vào cổng không đảo của khâu so sánh thì khi U S = U cm ,ta nhận đợc một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái . U m cost = U cm Do đó = arccos ( Um Ucm ) Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 31 Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều + Khi U cm = U m thì = 0. + Khi U cm = 0 thì = 2/ . + Khi U cm = - U m thì = . U s U AK U AK U s U cm 2 0 t Hình3.2: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccos Nh vậy khi điều chỉnh U cm từ trị số U cm = +U m đến U cm = - U m ,ta có thể điều chỉnh đợc góc từ 0 0 180 0 . Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccos đợc sử dụng trong các thiết bị chỉnh lu đòi hỏi chất lọng điều chỉnh cao . Đ 3.2. Thiết kế mạch lực cầu chỉnh lu điều khiển Thyristor . 3.2.1.Tính chọn Thyristor . Thông số của động cơ : P đm = 2,8 Kw. U đm = 220 V. I đm = 17A. Tính chọn Thyristor dựa vào các yếu tố cơ bản : dòng tải, điều kiện toả nhiệt , điện áp làm việc . Các thông số cơ bản của van đợc tính nh sau : + Điện áp ngợc lớn nhất mà Thyristor phải chịu . Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 32 Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều U ng max = k nv .U 2 = k nv Ku Ud Với : k nv = 2 k u = 22 U ng max = 2 . 22 220 U ng max = 345,4 (V) Điện áp ngợc của Thyristor cần chọn : U ng V = k dt U . U ng max Với : k dt U là hệ số dự trữ điện áp k dt U = 1,8 U ng max = 1,8.345,4 U ng max = 621,72 (V) U ng max = 622 (V) + Dòng điện làm việc của van đợc tính theo dòng hiệu dụng . I lv = I hd = k hd . I d Với : k hd = 2 1 I lv = 2 Id = 2 17 I lv = 8,5 (A) + 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 : I đmV = k i . I lv Với : k i là hệ số dự trữ dòng điện và chọn k i = 4 I đm V = 4. 8,5 = 34 (A) I đm V = 34 (A) Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 33 Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều Từ các thông số U nv , I đmv ta chọn đợc 4 Thyristor loại NO29RH10. Có các thông số sau : + Điện áp ngợc cực đại của van : U ng = 1000 (V) . + Dòng điện định mức của van : I đm = 50 (A) . + Dòng điện của xung điều khiển : I đk = 0,15 (A) . + Điện áp của xung điều khiển : U đk = 3 (V) + Dòng điện rò : I r = + 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) s V à . + Tốc độ biến thiên dòng điện : dt dI = ( 10 ữ 70) s A à . + Thời gian chuyển mạch : t cm = 100 s à . + Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : T max = 125 0 C . 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 T L đợc chọn theo kinh nghiệm : L = (50 ữ 100 ) à H . Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 34 Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều - 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 . T R C Chọn R,C có thể dựa vào công thức sau : + C = C * min . im U Q2 C * min là thông số chung gian phụ thuộc vào k . K là hệ số quá áp : k = im in Ub PU . . b là hệ số dự trữ về áp . U im là giá trị điện áp ngợc thực tế đặt vào van . Q là điện lợng tích tụ Q = f( dt dI ) tra trong sổ tay kĩ thuật . + R min . Q UL 2 min. R * R max . Q UL 2 min. 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 ) . Chọn: R = 10( )/3(w) . C = 0,1 ( à F)/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 : Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 35 Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều - 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 )% I đm . - 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 . Đ 3.3. Thiết kế mạch điều khiển . 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 điều khiển có biên độ xung từ (2 ữ 10 )V, độ rộng xung điều khiển t x = Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 36 Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều (20 ữ100) às (đối với thiết bị chỉnh lu) , t x < 100 às (đối với thiết bị biến đổi tần số cao) . - Sờn xung ngắn (t s = 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 . U x t 0 U t s t x 3.3.2.Yêu cầu đối với xung điều khiển : 0 U đk max U đk U đk U đk min 180 0 Giới hạn góc điều khiển min max - Xung điều khiển đến các van lực theo đúng pha và góc điều khiển cần thiết . Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 37 Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều - Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển min + max 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 . - Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt . Sơ đồ khối mạch điều khiển góc mở theo nguyên tắc thẳng đứng : ĐF SSRC FX TX KĐ và BAX ĐK T 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 theo nguyên tắc thẳng đứng cho bản đồ án này ta sử dụng mạch điều khiển góc mở 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 . Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 38 Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều BAĐP -12 Hình3.4: Sơ đồ nguyên lý khâu đồng pha R 3 6 R 4 R 7 R 5 C 7 D 3 D 4 GND 3 2 1 4 1 1 U1A GND GND -12 5 6 7 U1B +12 1 2 3 R GND 0 220V R0 GND 2.Đồ thị dạng điện áp ra . Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 39 [...]... mạch vòng tốc độ R nằm ngoài - Mạch vòng tốc độ để đảm bảo đáp ứng về tốc độ - Mạch vòng dòng điện đảm bảo đáp ứng về mômen M 1.Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động T-Đ Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 55 Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều U đặt UI đặt e R (-) U ei (-) Ri Uđk Mạch phát xung BBĐ Ud ĐC UI ph ph Đo dòng điện Đo tốc độ Sơ đồ điều khiển... : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 3.3.3.3.Khâu so sánh 1.Sơ đồ nguyên lý R9 4 Udk 13 12 U1D R11 14 5 6 D6 5 R10 GND Hình3.8: Sơ đồ nguyên lý khâu so sánh 2.Đồ thị dạng điện áp ra U4 Uđk 0 t U5 t 0 U6 t 0 Hình3.9: Đồ thị dạng điện áp ra khâu so sánh 3.Nguyên lý hoạt động Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 46 Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ. .. truyền của bộ điều chỉnh dòng điện Ri là khâu PI có dạng : Ri = K.p i + 1 P.TI i Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng điện thực hiện bằng mạch khuếch đại thuật toán nh sau : Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 58 Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều VR8 Uiđặt C12 R27 R36 Uiph U3C GND Trong đó : VR 8 Kpi = R 27 R27 = R36 TIi = R27.C12 3.Mạch vòng tốc độ Sau khi... III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều Khi điện áp ra U3 dơng đặt vào đầu của điốt D5 thì D5 bị khoá, tụ C8 đợc nạp ngợc 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. ..Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều U0 0 t U1 +U bh t -U bh U2 2Ubh 0 t T1 T -2Ubh U3 +U bh t 0 -Ubh Hình3.5: Đồ thị dạng điện áp ra khâu đồng pha 3.Nguyên lý hoạt động 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... III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 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... Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ei UI đặt Ri (-) Uđk 1 KCL 1+ pTđk Ud 1+ pTV0 UI ph Iư 1/ Rư 1+ pTư Ki 1+ pTi Trong đó : 1 1 + pTdK : Là hàm truyền của mạch phát xung có dạng khâu quán tính bậc một với Tđk = 0,01s là thời gian trễ của mạch phát xung điều khiển cầu một pha Ri : Là bộ điều chỉnh dòng điện K CL 1 + pTV 0 : Là hàm truyền của cầu chỉnh lu Thyristor... 3.3.3.2.Khâu tạo điện áp răng ca 1.Sơ đồ nguyên lý Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 42 Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều DZ1 +12 VR1 D5 R8 C8 VR2 9 10 3 GND U1C 8 4 Hình3.6: Sơ đồ nguyên lý khâu tạo điện áp răng cưa 2.Đồ thị dạng điện áp ra U3 t 0 U4 T1 T Hình3.7: Đồ thị dạng điện áp ra khâu tạo điện áp răng cưa 3.Nguyên lý hoạt động Sinh viên... hợp bộ điều khiển mạch vòng dòng điện ta có cấu trúc mạch vòng tốc độ nh sau : U đặt e R (-) U Uđk 1 Ki Iư 1 1+ p.2TSI+ p2.2T2SI K0 M 1 p.J ph K 1+ pT Trong đó TSI = Tđk + TV0 + Ti Ta có cấu trúc rút gọn của mạch vòng tốc độ : U đặt e (-) 1 R 1 K0 K Ki 1+ p.2TSI P.J 1+ pT U ph Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 59 Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. .. dòng điện và mạch vòng phản hồi tốc độ Ta phải xác định các bộ điều chỉnh dòng điện Ri và bộ điều chỉnh tốc độ R - Từ phơng trình đặc tính cơ ta có mô hình toán học của động cơ một chiều nh sau : 1/ Rư Uđ (-) Uư 1+ pTư Iư K0 M 1 pJ K0 - Phần ứng là :1/ R - Phần kích từ là : K0 - Phần mô men quán tính là : 1/ pJ 2.Mạch vòng dòng điện Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 56 Chơng III : Thiết . . Chọn khuếch đại thuật toán U1A loại LM324 có các thông số sau : U ng = (3 ữ 32) (V) . P 1 = 900 (mW) . . tắc thẳng đứng cho bản đồ án này ta sử dụng mạch điều khiển góc mở dùng IC(LM324) và IC(LM741) đợc trình bày nh sau : 3.3.3.Tính toán các khâu của mạch