tìm hiểu về bộ công tắc tơ 3 pha điện từ sử dụng thyristor để điều khiển đóng cắt động cơ 3 pha

LỜI NÓI ĐẦU Điện tử công suất công nghệ biến đổi điện từ dạng sang dạng khác phần tử bán dẫn công suất đóng vai trò trung tâm , ứng dụng rộng rãi hầu hết ngành công nghiệp đại.Trong năm gần công nghệ chế tạo phần tử bán dẫn công suất có tiến vượt bậc ngày trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo biến dổi ngày nhỏ gọn, nhiều tính sử dụng ngày dễ dàng Trong biến đổi phần tử bán dẫn công suất sử dụng khóa bán dẫn, gọi van bán dẫn, mở dẫn dòng nối tải vào nguồn, khóa không cho dòng điện chạy qua Khác với phần tử có tiếp điểm, van bán dẫn thực đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian.Tuy đóng ngắt dòng điện lớn phần tử bán dẫn công suất lại điều khiển tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo mạch điện tử công suất nhỏ Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ biến đổi phụ thuộc vào cách thức điều khiển van biến đổi Như trình biến đổi lượng thực với hiệu suất cao tổn thất biến đổi tổn thất khóa điện tử, không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi.Không đạt hiệu suất cao mà biến đổi có khả cung cấp cho phụ tải nguồn lượng với đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng trình điều chỉnh, điều khiển thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp hệ thống tự động Nội dung tập lớn tậ trung tìm hiểu công tắc tơ pha điện từ sử dụng thyristor để điều khiển đóng cắt động pha Đây đề tài có quy mô ứng dụng thực tế cao Trong trình hoàn thành tập lớn môn học, em nhận giúp đỡ, bảo tận tình thầy Đặng Hồng Hải thầy cô trường Mặc dù em cố gắng chắn không tránh khỏi hết khuyết điểm Em mong nhận ý kiến đóng góp thầy, cô để đồ án em hoàn chỉnh Em xin chân thành cám ơn! CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN TỬ 1.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN TỬ 1.1.1 Khái niệm Khí cụ điện thiết bị, cấu điện dùng để điều khiển trình sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối lượng điện dạng lượng khác Theo lĩnh vực sử d ụng, khí cụ điện chia thành nhóm, nhóm có nhiều chủng loại khác Công tắc tơ loại khí cụ điện dùng để thường xuyên đóng cắt mạch điện động lực từ xa tay tự động Công tắc tơ điện từ loại khí cụ điện sử dụng lực hút cuộn dây qua để di chuyển phận khí, kéo theo tiếp điểm cho tiếp xúc với để nối nguồn điện vào tải Khi phải đóng ngắt tải dòng điện lớn thường xảy tượng đánh lửa ăn mòn bề mặt tiếp xúc, giảm đáng kể thời gian sử dụng thiết bị, mặt khác có di chuyển học dẫn đến thời gian tác động châm, nên làm việc với tần suất đóng ngắt lớn Đây nhược điểm công tắc tơ điện từ Để khắc phục nhược điểm cần thay hệ tiếp điểm khí hệ thống tiếp điểm, tức phải sử dụng van điện từ, vừa loại bỏ tượng đánh nửa vừa tăng khả tốc độ tần suất đóng ngắt tuổi thọ thiết bị Ứng dụng dạng điều áp xoay chiều gọi công tắc tơ điện tử 1.2 PHÂN LOẠI CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN TỬ Công tắc tơ điện tử chia làm loại: Công tắc tơ điện tử pha ứng dụng cho hệ tự động chuyển đổi nguồn với công xuất không lớn công nghệ hàn tiếp xúc xoay chiều Công tắc tơ điện tử 3pha ứng dụng cho vùng công suất lớn cho phụ tải ba pha đóng ngắt đảo chiều động làm việc chế độ ngắn hạn lặp lại Do mục đích công tắc tơ điện tử dùng để đóng cắt tải yêu cầu chỉnh điện áp, nên van phát xung mở đầu chu kỳ điện áp nguồn Khi cấp nguồn, điện áp tải đầy đủ điện áp hình sin lưới, không vấn đề song hài điều chỉnh điện áp, công tắc tơ điện tử không bị giới hạn với điều áp xoay chiều thông thường Như công tắc tơ điện tử có hai nhiệm vụ là: Hoặc phát xung với góc αmin để cấp toàn điện áp nguồn cho tải Hoặc không phát xung ngắt xung điều van để tất van khóa lại làm tải hoàn toàn bị cắt khỏi nguồn điện 1.3 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA CÔNG TẮC TƠ Điện áp định mức Uđm: điện áp định mức mạch điện tương ứng mà mạch điện công tắc tơ phải đóng cắt Điện áp định mức có cấp: 110V, 220V, 380V, 500V xoay chiều Dòng điện định mức Iđm: dòng điện định mức qua van đóng cắt công tắc tơ chế độ làm việc gián đoạn lâu dài Dòng điện định mức công tắc tơ hạ áp thông dụng có cấp 10; 250; 300; 600; 800 A Nếu công tắc tơ đặt tủ điện dòng điện định mức phải lấy thấp 10% điều kiện làm mát Chế độ làm việc lâu dài công tắc tơ trạng thái đóng lâu dòng điện công tắc tơ lấy thấp khoảng 20% chế độ nhiệt độ tiếp điểm, tăng giá trị cho phép Tuổi thọ công tắc tơ: số lần đóng cắt mà sau số lần đóng cắt công tắc tơ hỏng không dùng Sự hỏng độ bền hay độ bền điện Tần số thao tác: số lần đóng cắt công tắc tơ cho phép Tính ổn định điện động: công tắc tơ cho dòng điện lớn qua mà lực điện động sinh không phá hủy mạch vòng dẫn điện Thường quy định dòng điện ổn định điện động 10Iđm Tính ổn định nhiệt: có dòng điện ngắn mạch chạy qua thời gian cho phép, tiếp điểm hay van điện từ không bị phá hủy 1.4 YÊU CẦU KĨ THUẬT CHUNG KHI THIẾT KẾ 1.4.1 Các yêu cầu kĩ thuật Độ bền nhiệt chi tiết phận công tắc tơ điện tử pha làm việc chế độ định mức chế độ cố Dẫn điện tốt Độ bền cách điện chi tiết cách điện khoảng cách cách điện làm việc với điện áp lớn để không xảy phóng điện, kéo dài điều kiện môi trường xung quanh mưa, ẩm, bụi, tuyết,…Cũng có điện áp nội điện áp khí gây Độ bền giới hạn số lần thao tác thiết kế, thời gian làm việc chế độ định mức chế độ cố Khả đóng cắt chế độ định mức chế độ cố Kết cấu đơn giản khối lượng kích thước nhỏ 1.4.2 Các yêu cầu vận hành Chịu ảnh hưởng môi trường xung quanh: độ ẩm, nhiệt độ cao … Có độ tin cậy cao Tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài Đơn giản dễ thao tác, dễ sửa chữa, thay Chi phí vận hành ít, tiêu tốn lượng 1.4.3 Các yêu cầu kinh tế, xã hội Giá thành thấp, có tính thẩm mĩ cao Vốn đầu tư thiết kế, chế tạo, lắp ráp, vận hành Tạo điều kiện dễ dàng, thuận tiện cho người vận hành An toàn lắp ráp vận hành 1.4.4 Các yêu cầu công nghệ chế tạo Tính công nghệ kết cấu: dùng chi tiết, cụm quy chuẩn Lưu ý khả chế tạo: mặt sản xuất, đặc điểm tổ chức sản xuất, khả thiết bị Khả phát triển chế tạo, lắp ghép vào tổ hợp khác 1.5 CẤU TẠO CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN TỬ BA PHA Cấu tạo công tắc tơ điện tử pha gồm phần sau đây: Hệ thống phát xung chùm điều khiển công tắc tơ (bao gồm mạch tạo xung sử dụng ic NE555, mạch tạo xung đơn, mạch khuếch đại xung, biến áp xung) Hệ thống đóng cắt tiếp điểm mạch lực công tắc tơ sử dụng van điện tử thyristor 1.6 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN TỬ BA PHA Khi chưa cấp nguồn vào mạch điều kiển van điện từ (thyristor trạng thái khoá) không cho dòng điện qua mạch lực Khi cấp nguồn vào mạch điều khiển phát xung dao động dạng chùm tác động vào van khoá điện từ lúc van khó chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở cho dòng điện qua van điện từ cấp nguồn cho động hoạt động Khi ta ngắt xung từ mạch phát xung cấp vào van van điện từ tự động khoá lại không cho dòng điện chay qua làm động dừng hoạt động Ưu điểm công tắc tơ điện tử đóng cắt nhanh, không làm suất hiện tượng hồ quang điện, tần số đóng cắt lớn, tuổi thọ thiết bị cao so với công tắc tơ điện từ có nhược điểm cấu tạo phức tạp khó sửa chữa xảy hỏng hóc CHƯƠNG THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ 2.1 GIỚI THIỆU VỀ THYRISTOR Cấu tạo Thyristor hay Tirixto phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn,ví dụ P-N-P-N, tạo ba lớp tiếp giáp P-N: J1,J2,J3 Thyristor có ba cực: anode (A), catode (K) cực điều khiển (G) biểu diễn hình vẽ Hình 2.1 Cấu tạo, ký hiệu thyristor Không có dòng điện vào cực điều khiển (Ig = 0) Khi dòng điện vào cực điều khiển thyristor 0, hay hở mạch cực điều khiển, thyristor cản trở dòng điện ứng với hai trường hợp phân cực điện áp anode catode Khi điện áp Uak < theo cấu tạo bán dẫn thyristor hai tiếp giáp J1, J3 phân cực ngược, lớp tiếp giáp J2 phân cực thuận, thyristor giống hai điốt mắc nối tiếp bị phân cực ngược Qua thyristor có dòng điện nhỏ chạy qua, gọi dòng rò Khi Uak tăng đạt đến giá trị điện áp lớn xảy tượng thyristor bị đánh thủng, dòng điện tăng lên lớn Giống đoạn đặc tính ngược điốt trình đánh thủng đảo ngược được, nghĩa thyristor bị hỏng Khi tăng điện áp anode-catode theo chiều thuận, Uak > 0, lúc đầu có dòng điện nhỏ chạy qua, gọi dòng rò Điện trở tương đương mạch anode-catode có giá trị lớn Khi tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược Cho đến Uak tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn xảy tượng điện trở tương đương mạch anode-catode đột ngột giảm, dòng điện chạy qua thyristor giá trị bị giới hạn điện trở tải mạch Nếu dòng qua thyristor có giá trị lớn mực dòng tối thiểu, gọi dòng trì, Idt, thyristor dẫn dòng đường đặc tính thuận, giống đường đặc tính thuận điốt Có dòng điện vào cực điều khiển (Ig > 0) Nếu có dòng điều khiển đưa vào cực điều khiển catode trình chuyển điểm làm việc đường đặc tính thuận xảy sớm hơn, trước điện áp thuận đạt giá trị lớn Nói chung dòng điều khiển lớn điểm chuyển đặc tính làm việc xảy với Uak nhỏ Mở thyristor Khi phân cực thuận, Uak>0, thyristor mở hai cách Thứ nhất, tăng điện áp anode-catode đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uthmax Điện trở tương đương mạch anode-catode giảm đột ngột dòng qua thyristor hoàn toàn mạch xác định Phương pháp thực tế không áp dụng nguyên nhân mở không mong muốn lúc tăng điện áp đến giá trị Uthmax Hơn xảy trường hợp thyristor tự mở tác dụng xung điện áp thời điểm ngẫu nhiên, không định trước Phương pháp thứ hai, áp dụng thực tế, đưa xung dòng điện có giá trị định vào cực điều khiển catode Xung dòng điện điều khiển chuyển trạng thái thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp mức điện áp anode-catode nhỏ Khi dòng qua anode-catode lớn giá trị định gọi dòng trì (Idt) thyristor tiếp tục trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến tồn xung dòng điều khiển Điều nghĩa điều khiển mở thyristor xung dòng có độ rộng xung định, công suất mạch điều khiển nhỏ, so với công suất mạch lực mà thyristor phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện Các thông số Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor Iv,tb Đây giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện nhiệt độ cấu trúc tinh thể bán dẫn thyristor không vượt giá trị nhiệt độ cho phép Trong thực tế, dòng điện cho phép chạy qua thyristor phụ thuộc vào điều kiện làm mát môi trường Có thể làm mát tự nhiên hiệu suất không cao, với yêu cầu cao người ta làm mát cưỡng thyristor quạt gió nước, nhiên điều khiến kích thước thiết bị tăng đáng kể, dùng cho thiết bị có công suất lớn Nói chung lựa chọn dòng điện theo điều kiện làm mát sau Làm mát tự nhiên: dòng sử dụng cho phép tới phần ba dòng cho phép Ivtb Làm mát cưỡng quạt gió: dòng sử dụng cho phép hai phần ba dòng cho phép Ivtb Làm mát cưỡng nước: sử dụng đến 100% dòng Ivtb Điện áp ngược cho phép lớn Ungmax Đây giá trị điện áp ngược lớn cho phép đặt lên thyristor Trong ứng dụng phải đảm bảo thời điểm điện áp anode catode Uak nhỏ Ungmax Ngoài phải đảm bảo độ dự trữ định điện áp, nghĩa Ungmax phải chọn 1,2 - 1,5 lần giá trị biên độ lớn điện áp sơ đồ Thời gian phục hồi tính chất khóa thyristor τ(μs) Đây thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên anode catode thyristor sau dòng anode-catode không trước lại có điện áp Uak dương mà thyristor khóa τ thông số quan trọng thyristor Thông thường phải đảm bảo thời gian dành cho trình khóa phải 1,5-2 lần τ Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt (V/μs) Thiristor phần tử bán dẫn có điều khiển, có nghĩa dù phân cực thuận (Uak>0) phải có tín hiệu điều khiển cho phép dòng chạy qua Khi thyristor phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi lớp tiếp giáp J2 hình vẽ Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ dày mở ra, tạo vùng không gian nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua Vùng không gian coi tụ diện có điện dung Cj2 Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện tụ có giá trị đáng kể, đóng vai trò dòng điều khiển Kết thyristor mở chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G Tốc độ tăng điện áp thông số phân biệt thyristor tần số thấp với thyristor tần số cao Ở thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng 50 đến 200 V/μs với thyristor tần số cao dU/dt lên tới 500 đến 2000 V/μs (tham khảo 2) Tốc độ tăng dòng cho phép dI/dt (A/μs) Khi thyristor bắt đầu mở điểm tiết diện tinh thể bán dẫn dẫn dòng đồng Dòng điện chạy qua bắt đầu vài điểm, gần với cực điều khiển nhất, sau lan tỏa dần sang điểm khác toàn tiết diện Nếu tốc độ tăng dòng điện lớn dẫn tới mật độ dòng điện điểm dẫn ban đầu lớn, phát nhiệt cục nhanh dẫn đến hỏng cục bộ, từ dẫn đến hỏng toàn tiết diện tinh thể bán dẫn Tốc độ tăng dòng cho phép thyristor tần số thấp vào khoảng 50÷100A/μs, với thyristor tần số cao dI/dt vào khoảng 500÷2000A/μs Trong biến đổi phải có biện pháp đảm bảo tốc độ tăng dòng giá trị cho phép Điều đạt nhờ mắc nối tiếp phần tử bán dẫn với điện kháng nhỏ, lõi không khí đơn giản xuyến ferit lồng lên Các xuyến ferit phổ biến cấu tạo đơn giản, dễ thay đổi điện cảm cách thay đổi số xuyến lồng lên dẫn Xuyến ferit có tính chất cuộn cảm bão hòa, dòng qua dẫn nhỏ điện kháng lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng Khi dòng lớn ferit bị bão hòa từ, điện cảm giảm gần không Vì cuộn kháng kiểu không gây sụt áp chế độ dòng định mức chạy qua dây dẫn 2.2 MẠCH LỰC Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý công tắc tơ điện tử pha 2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 2.4 TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ Thông số: Nguồn điện pha, điện áp 3pha U= 400V – 50Hz Công suất định mức 20Kw 2.4.1 Dòng điện Dòng điện pha phụ tải: It = = = 28,26 (A) 2.4.2 Chọn van: Các van mạch chỉnh lưu công suất thường phải làm việc với dòng điện lớn, điện áp cao,công suất phát nhiệt nó khá mạnh,vì vậy việc tính chọn van cần quan tâm trước tiên tới hai chỉ tiêu chính: Chỉ tiêu về dòng điện Chỉ tiêu về điện áp Chọn van theo chỉ tiêu dòng điện Theo sổ tay tra cứu chọn van theo nguyên tắc: = Trong đó: - :dòng trung bình của van được chọn - :hệ số dự trữ về dòng điện cho van Với tải ổn định dòng qua van 100A cần có = 1,2÷1,4 Với tải dòng điện lớn, phát nhiệt van mạnh, thường phải giảm dòng qua nên cần tăng hệ số dự trữ lên = 1,5÷2 Với van thường xuyên phải làm việc chế độ tải cần = 2÷4 Nếu làm việc nơi có môi trường khắc nhiệt, khó thay van phải chọn hệ số dự trữ từ đến Các van chịu dòng lớn làm việc chế độ ngắn hạn thi chọn từ 0,8 đến Với kiện để phù hợp với thông số đề nên ta chọn: = 1,2 Phải chọn thỷistor chịu dòng trung bình: Chọn tiêu dòng van dựa vào trị số trung bình theo bảng 2.2 Itbv = 0,45.It = 0,45.15.19 = 6,48 (A) Vậy cần chọn van thyristor với trị số dòng điện cỡ: Itbmax = 2Itbv = 2.6,84 = 14 (A) Chọn van theo tiêu điện áp Chỉ tiêu chọn áp theo bảng 2.2 ta có: 10 Cầu chì dùng để chống sự cố ngắn mạch, để bảo vệ được van phải có độ tác động nhanh Cầu chì hay được đặt trực tiếp cho từng van lực.Chọn cầu chì tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các van bán dẫn Dòng điện định mức dây chảy là: I1CC = 1,1.I2=1,1.28,86= 31,75A Chọn cầu chì loại GSB20 với thông số: Iđm = 20A Uđm = 600AC; 400DC Bảo vệ bằng Aptomat Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ quá tải và ngắn mạch van Chọn aptomat có tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện Chọn aptomat bảo vệ: Iđm = k.I1 = 1,1 .I = 1,1 .28,86 = 54A Với I1 - là dòng điện cho tải k - Hệ số an toàn Chọn Aptomat hãng LG Mã ký hiệu:BKN 32C.Có các thông số sau: Dòng định mức:32A Khả cắt: 6kA/400VAC Độ bền: 6000 lần vận hành Tiêu chuẩn: IEC 60898 2.5.2 Bảo vệ quá điện áp cho van Linh kiện bán dẫn nói chung và linh kiện bán dẫn công suất nói riêng, rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp Những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới van bán dẫn mà ta cần có phương pháp bảo vệ là: Điện áp đặt vào van lớn quá thông số của van Xung điện áp chuyển mạch van 12 Xung điện áp từ phía từ phía lưới điện xoay chiều, nguyên nhân thường gặp là cắt tải có điện cảm lớn đường dây Xung điện áp cắt đột ngột máy biến áp non tải Để bảo vệ cho van làm việc dài hạn không bị quá điện áp thì ta phải chọn đúng các van bán dẫn theo điện áp ngược Hình 1.6 Bảo vệ quá điện và bảo vệ xung điện áp cho van Để bảo vệ quá điện áp của xung điện áp quá trình đóng cắt các van bán dẫn được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với thyristor Khi có sự cố chuyển mạch, các điện tích các lớp bán dẫn phóng ngoài tạo dòng điện ngược khoảng thời gian ngắn Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây sức điện động cảm ứng rất lớn các điện cảm, làm cho quá điện áp giữa anot và catot của van.Khi có R-C mắc song song với van, tao mạch vòng phóng điện tích quá trình chuyển mạch nên van không bị quá điện áp Theo kinh nghiệm R1 = (5 ) Ω, C1 = ( Ta chọn: R1 = 10 ; C1 = 0,3 )µF; -Để bảo vệ cho xung điện áp từ lưới, ta mắc song song với tải ở đầu vào một mạch R – C nhằm lọc sung Khi xuất hiện xung điện áp đường dây, nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần nằm lại hoàn toàn điện trở đường dây Trị số R, C phụ thuộc nhiều vào tải Theo kinh nghiệm R2 = (5 30) Ω; C2 = µF; Ta chọn: R1 = 12,5 Ω ; C1 = 4µF; 13 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.1 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ĐIỂU KHIỂN TỔNG QUÁT 3.1.1 Nguyên lý thiết kế mạch điều khiển Thyristor mở có hai điều kiện: Điện áp (+) đặt vào đầu A Điện áp (-) đặt vào đầu K Xung điều khiển đặt vào đầu G Khi Tiristor đá mở xung điều khiển không tác dụng Điều khiển vị trí xung điều khiển phạm vi nửa chu kì dương điện áp đặt lên A-K Tiristor Tạo xung phải có đủ điều kiện mở,độ rộng xung t x= 20-100μs thiết bị chỉnh lưu cặp Tiristor đấu song song ngược, có biên độ từ đến 10V Độ rộng xung xác định theo biểu thức: tx = I dt di dt Trong đó: Idt: dòng trì Thyristor; di/dt: tốc độ tăng trưởng dòng tải 3.1.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển Cấu trúc mạch điều khiển Thyristor gồm khâu sau đây: Khâu đồng pha: tạo tín hiệu đồng với điện áp anôt-catôt Thyristor cần mở Tín hiệu điện áp xoay chiều, thường lấy từ biến áp có sơ cấp nối song song với Thyristor cần mở 14 Khâu khuếch đại xung (KĐ): tạo xung mở có đủ điều kiện để mở Thyristor Uđb ĐB SS-TX KĐ Uđk Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor 3.2 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN 3.2.2 Nguyên lý điều khiển thẳng đứng Ngyên tắc điều khiển thẳng đứng acrcoss Theo nguyên tắc này, khâu so sánh có hai điện áp đặt vào: Điện áp đồng sin, sau khỏi khâu ĐB tạo thành tín hiệu cos Điện áp điều khiển áp chiều biến đổi Uc Udb Udb Udk Uc Л Udk 2Л ωt α Điện áp uđb= Um sinωt thì: Uc = Um cosωt Giá trị α tính theo phương trình sau: Umcosα = Uđk Do đó: α = arccos (Udk/Um) Khi Udk = Um α=0 Khi Udk = α =Л/2 Khi Udk = -Um α=Л 15 Như vậy, điều chỉnh Udk từ trị -Um đến +Um, ta điều chỉnh góc α từ đến Л Ngyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào Anot thyristor, để điều khiển góc mở α Tiristor vùng điện áp dương Anot ta cần tạo điện áp tựa dạng tam giác gọi điện áp cưa Điện áp tựa cần có vùng điện áp dương Anot Để điều khiển góc mở α Thyristor ta dùng điện áp điều khiển Uđk so sánh với điện áp tựa Tại thời điểm Uđk=Urc phát xung điều khiển Thyristor mở từ thời điểm phát xung đến cuối bán kỳ (hoặc tới dòng qua Tiristor không) Nhận xét: Ta chọn nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính đơn giản phù hơp nhu cầu thiết kế 3.3 Tính toán khâu điều khiển 3.3.1 Khâu đồng pha Sơ đồ dùng khuếch đại thuật toán (OA) Hình 3.2 Sơ đồ khâu tạo đồng pha Nguyên lý: nửa chu kỳ dương điện áp đồng pha, điện áp OA1 có dạng xung dương hình chữ nhật, nửa chu kỳ âm điện áp đồng pha, điện áp sau OA1 âm không tạo xung dương hình chữ nhật cổng logic not đảo nên tạo xung dương hình chữ nhật cấp tín hiệu cho mạch điều khiển Ở chu kỳ sau tương tự ta có điện áp tựa hình cưa hình vẽ 16 Đặc điểm sơ đồ dùng OA gọn nhẹ, dạng xung cưa có chất lượng cao , đảm bảo đồng pha với điện áp nguồn, tạo điều kiện mở Tiristor cách xác, dễ đối xứng kênh điều khiển Sơ đồ ưu việt hẳn sơ đồ khác tiêu kỹ thuật Ta chọn sơ đồ làm khâu đồng pha cho mạch điều khiển Điện trở R2 để hạn chế dòng điện vào cổng logic chọn sau: Chọn R2 thoả mãn điều kiện: R2 ≥ UN Max/IB ≈ 12/0,4 10-3 = 30 (kΩ) Chọn R2 = 30 (kΩ) Chọn điện áp xoay chiều đồng pha: UA =9(v) Điện trở R1 để hạn chế dòng điện vào khuếch đại thuật toán OA 1, thường chọn R1 cho dòng vào khuếch đại thuật toán Iv < 1mA Do đó: R1 > UA/I v = 9/ 1.10-3 = (KΩ) Chọn R1 = 10 (kΩ) 3.3.2 Khâu khuếch đại xung Tầng khuếch đại cuối có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristor, thường thiết kế Transistor công suất mắc theo sơ đồ darlington hình vẽ: +15V C • R T Tr BAX • Hình 3.3 mạch khuếch đại xung 17 Để có dạng xung kim gửi tới Thyristor, ta dùng biến áp xung (BAX), để khuếch đại công suất ta dùng transistor mắc theo sơ đồ darlington Diode bảo vệ Transitor cuộn dây sơ cấp BAX Transistor khoá đột ngột đồng thời xả ngược cho tụ C Tụ C sơ đồ có tác dụng giảm dòng để giảm công suất toả nhiệt cho Transistor giảm kích thước dây BAX Transistor mở cho dòng điện chạy qua thời gian nạp tụ 3.3.3 Khâu tạo xung chum Để giảm công suất cho tầng khuếch đại tăng số lượng xung kích mở nhằm đảm bảo Tiristor mở chắn ta thêm phát xung chùm vào trước tầng khuyếch đại Tín hiệu từ tạo xung chùm tín hiệu từ khâu so sánh vào cổng AND chuyển sang tầng khuyếch đại Hình 3.4 Mạch tạo xung chum dùng IC 555 Có nhiều sơ đồ tạo xung chùm ta sử dụng mạch tạo xung dùng IC 555 có ưu điểm đơn giản cho chất lượng xung tốt Điện áp nguồn nuôi: Vcc = (V) 3.3.4 Khâu biến áp xung Chọn vật liệu làm lõi sắt Ferit HM Lõi có dạng hình xuyến, làm việc phần đặc tính từ hoá có: ∆B = 0,3 (T), ∆H = 30 ( A/m ), khe hở không khí Tỷ số biến áp xung: thường m = 2÷3, chọn m= Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Udk =2,5 (V) Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = m.U2 = 3.2,5 = 7,5 (V) 18 Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Idk = 0,2 (A) Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1 = I2 /m = 0,2/3=0,066(A) Độ từ thẩm trung bình tương đối lõi sắt: µ tb = ∆B = 8.10 ( H ) m ∆H µ Trong đó: µ0 = 1,25.10-6 (H/ m) độ từ thẩm không khí Thể tích lõi thép lõi thép cần có: V= Q.L = (µtb.µ0.tx.sx Ul.Il)/ ∆B2 Thay giá trị vào biểu thức tính thể tích lõi thép ta được: V= 1,39.10-6 (m3 ) = 1,39 ( cm3 ) Chọn mạch từ tích V= 1,4 (cm ) Với thể tích ta có kích thước mạch từ sau: a = 4,5 mm; b = mm; d = 12 mm; D = 21 mm; Q = 0,27 cm2 = 27 mm2; Chiều dài trung bình mạch từ: l = 5,2 (cm) Số vòng quấn dây sơ cấp biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ: U1 = w1 Q.dB/dt = w1.Q.∆B/tx Do đó: W1 = U 1t X = 154(vòng) ∆B.Q Số vòng dây thứ cấp: W2 = w1 / m = 154/3 = 51,33 (vòng ) 19 Lấy: W2 = 52 (vòng) Tiết diện dây quấn thứ cấp: S1 = I1 /J1 = 66,6.10-3/6 = 0,0111 (mm2 ) Chọn mật độ dòng điện J1 = (A/mm2 ) + Đường kính dây quấn sơ cấp: 4S1 = 0,1189 (mm) π d1 = Chọn d = 0,12 (mm) + Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = I2 / J2 = 0,1/4 = 0,05 (mm2 ) Chọn mật độ dòng điện J2 = (A/mm2) + Đường kính dây quấn thứ cấp: d1 = 4S = 0,2532 (mm) π Chọn dây có đường kính d2 =0,27 (mm) + Kiểm tra hệ số lấp đầy: S1.W + S 2W Kld = (π d = = d 112 ) W + d W d2 0,12 2.154 + 0,27 2.52 = 0,028 12 Như vậy, cửa sổ đủ diện tích cần thiết Tầng khuếch đại cuối Chọn Tranzitor công suất loại Tr3 loại 2SC9111 làm việc chế độ xung có thông số Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn Si Điện áp Colecto Bazơ hở mạch Emito: UCBO =40(v) 20 Điện áp Emito Bazơ hở mạch Colecto: UEBO =4(v) Dòng điện lớn Colecto chịu đựng: Icmax = 500 (mA) Công suất tiêu tán colecto: Pc = 1,7 (w) Nhiệt độ lớn mặt tiếp giáp: T1 = 1750 C Hệ số khuếch đại: β = 50 Dòng làm việc colecto: Ic3 = I1 =33,3 Dòng làm việc Bazơ: =0,66(A) IB3 =Ic3 /β = 33,3/50 Ta thấy với loại Tiristo chọn có công suất điều khiển bé U dk = 2,5 (V), Idk = 0,2 (A), Nên dòng colecto - Bazơ Tranzito I r3 bé, trường hợp ta không cần Tranzito I2 mà có đủ công suất điều khiển Tranzito Chọn nguồn cấp cho biến áp xung: E = + 12 (V) ta phải mắc thêm điện trở R10 nối tiếp với cực emitor Ir3, R1 R10 = (E-U1)/I1 = 68,18 (Ω) Chọn R10 = 70 (Ω) Tất điôt mạch điều khiển dùng loại 1N4009 có tham số: + Dòng điện định mức : Idm = 10 (A) + Điện áp ngược lớn : UN = 25 (v), + Điện áp điôt mở thông 3.3.5 Chọn cổng AND Toàn mạch điện phải dùng cổng AND nên ta chọn IC 74HC11 họ CMOS Mỗi IC 74HC11 có cổng ADN, thông số: Nguồn nuôi IC: Vcc = 3÷9 (V), ta chọn: Vcc = (V) 21 Nhiệt độ làm việc: - 40o C ÷ 80o C Điện áp ứng với mức logic “1”: 2÷4,5 (V) Dòng điện nhỏ 1mA Công suất tiêu thụ P=2,5 (nW/1 cổng) Hình3.5 IC 74HC11 3.3.6 Chọn cổng logc NOT Toàn mạch điện phải dùng cổng NOT nên ta chọn CMOS Mỗi IC 74HC11 3.3.7 Sơ đồ mạch điều khiển Mạch điều khiển pha sơ đồ có ta ghép khâu chọn Ngoài có số phần phải hiệu chỉnh thêm cho phù hợp với khả làm việc Tiristor phù hợp với điều kiện cấp xung đồng thời cho hai Tiristor Biến áp đồng pha biến áp có hai cuộn dây bên phía sơ cấp giống hệt để đảm bảo không gây đối xứng điều khiển hai Tiristor 22 Hình 3.6 Mạch điều khiển công tắc tơ điện tử pha Nguyên lý hoạt động Điện áp đồng pha với điện áp vào đưa vào cổng logic AND1, AND3, AND5 với điện áp dương Tín hiều phần dương điện áp UA, UB, Uc đươc kết hợp với phát xung chùm dùng IC 555 xung tín hiệu điều khiển qua khuếch đại qua BAX, BAX3, BAX5 cấp xung tín hiệu điều khiển cho thiristor T1, T3, T5 mở khóa cho dòng điện chiều chạy qua Việc kéo điện áp để đảm bảo điện áp điều khiển đồng biến với điện áp Điện áp đồng pha với điện áp vào đưa vào cổng logic AND2, AND4, AND6 với điện áp âm đảo ngược lại thành tín hiệu dương thông qua cổng logic đảo NOT1, NOT2, NOT3 Tín hiệu kết hợp với tín hiệu xung phát xung tín hiệu điều khiển cung cấp xung cho mạch khuếch đại xung qua BAX2, BAX4, BAX6 cấp tín hiệu xung cho thyristor T2, T4, T6 mở khóa cho dòng điện chạy qua Hai chu kì dòng điện lặp lặp lại làm cho 23 dòng điện chạy qua cặp van tuần với dòng điện xoay chiều điện áp 380v Khi ta muốn công tắc tơ đóng không cho dòng điện chạy qua ta cần ngắt tín hiệu xung điều khiển lúc cổng logic AND thiếu phần tử xung nên dừng hoạt động cấp xung cho van, lúc van quay trở trạng thái đóng Tính toán thông sô mạch điều khiển Sơ đồ điều khiển công tắc tơ điện tử thiết lập theo sơ đồ hình 3.6 Để tính toán mạch điều khiển ta tiến hành tính ngược từ tầng khuếch đại trở lên Mạch điều khiển tính xuất phát từ yêu cầu xung mở Thyristor Các thông số để tính mạch điều khiển Điện áp điều khiển Tiristo: Udk = 2,5 (V) Dòng điện điều khiển Tiristo: Idk = 0,2 (A) Thời gian mở Tiristo: tm = 40 (µs) Độ rộng xung điều khiển: tx = 167 (µs) tương đương 3ođiện Tần số xung điều khiển: fx = 1/tx.2 = (k Hz) Độ đối xứng cho phép: ∆α = 40 Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U= ±12 (v) Mức sụt biên độ xung: Sx = 0,15 24 3.8 MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB Hình 3.7 Hình mô công cụ Simulink Qua thời gian nghiên cứu làm đề tài xây dựng mạch công tắc tơ điện tử pha Em có thời gian để nghiên cứu tìm hiểu thực tế mạch chỉnh lưu có điều khiển thấy vấn đề khó khăn ứng dụng thiết kế mạch thực tế Trong đề tài em thực số điều sau: Tìm hiểu mạch chỉnh lưu có điều khiển Xây dựng mô hình mạch công tắc tơ điện tử ba pha Qua việc tìm hiểu xây dựng mạch em có thêm kiến thức việc xây dựng mạch lực, biết cách tính toán chọn lắp đặt van bán dẫn mạch thực tế Mô mạch công cụ Simulink phần mềm Matlab Tuy nhiên sai sót vấn đề chưa hoàn thành - Chưa xây dựng mạch điều khiển cho mạch công tắc tơ ba pha Thiết kế mạch thiếu tính thẩm mĩ cồng kềnh Các tính toán thiết kế thông số mạch chưa hoàn toàn khớp với thực tế Chưa thể cấp nguồn kiểm nghiệm mạch thực tế Tài liệu tham khảo 25 Điện tử công suất Tác giả: Nguyễn Bính, năm xuất bản: 1996 Nhà xuất bản: Khoa học kĩ thuật Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất Tác giả: Phạm Quốc Hải, năm xuất bản: 2009 Nhà xuất bản: Khoa học kĩ thuật 26 [...]... = 4µF; 13 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3. 1 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ĐIỂU KHIỂN TỔNG QUÁT 3. 1.1 Nguyên lý thiết kế mạch điều khiển Thyristor chỉ mở khi có hai điều kiện: Điện áp (+) đặt vào đầu A Điện áp (-) đặt vào đầu K Xung điều khiển đặt vào đầu G Khi Tiristor đá mở thì xung điều khiển không còn tác dụng nữa Điều khiển được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kì dương của điện áp đặt lên A-K... tạo tín hiệu đồng bộ với điện áp anôt-catôt của Thyristor cần mở Tín hiệu này là điện áp xoay chiều, thường lấy từ biến áp có sơ cấp nối song song với Thyristor cần mở 14 Khâu khuếch đại xung (KĐ): tạo ra xung mở có đủ điều kiện để mở Thyristor Uđb ĐB SS-TX KĐ Uđk Hình 3. 1 Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor 3. 2 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN 3. 2.2 Nguyên lý điều khiển thẳng đứng Ngyên tắc điều khiển thẳng đứng... xung điều khiển lúc này các cổng logic AND thiếu một phần tử xung nên sẽ dừng hoạt động cấp xung cho các van, lúc này các van sẽ quay trở về trạng thái đóng Tính toán các thông sô mạch điều khiển Sơ đồ điều khiển của công tắc tơ điện tử được thiết lập theo sơ đồ hình 3. 6 Để tính toán mạch điều khiển ta tiến hành tính ngược từ tầng khuếch đại trở lên Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung... mở Thyristor Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển Điện áp điều khiển Tiristo: Udk = 2,5 (V) Dòng điện điều khiển Tiristo: Idk = 0,2 (A) Thời gian mở Tiristo: tm = 40 (µs) Độ rộng xung điều khiển: tx = 167 (µs) tương đương 3ođiện Tần số xung điều khiển: fx = 1/tx.2 = 3 (k Hz) Độ mất đối xứng cho phép: ∆α = 40 Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U= ±12 (v) Mức sụt biên độ xung: Sx = 0,15 24 3. 8... hợp với điều kiện cấp xung đồng thời cho cả hai Tiristor Biến áp đồng pha là biến áp có hai cuộn dây bên phía sơ cấp giống hệt nhau để đảm bảo không gây mất đối xứng khi điều khiển hai Tiristor 22 Hình 3. 6 Mạch điều khiển công tắc tơ điện tử 3 pha Nguyên lý hoạt động Điện áp đồng pha với điện áp vào được đưa vào cổng logic AND1, AND3, AND5 với một điện áp dương Tín hiều ra được phần dương của điện áp... BẰNG MATLAB Hình 3. 7 Hình mô phỏng bằng công cụ Simulink Qua thời gian nghiên cứu và làm đề tài xây dựng mạch công tắc tơ điện tử 3 pha Em đã có thời gian để nghiên cứu và tìm hiểu thực tế về mạch chỉnh lưu có điều khiển thấy được các vấn đề khó khăn khi ứng dụng thiết kế mạch trên thực tế Trong đề tài này em đã thực hiện được một số điều sau: Tìm hiểu về các mạch chỉnh lưu có điều khiển Xây dựng được... vậy, khi điều chỉnh Udk từ trị -Um đến +Um, ta có thể điều chỉnh được góc α từ 0 đến Л Ngyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Khi điện áp xoay chiều hình sin được đặt vào Anot của thyristor, để có thể điều khiển được góc mở α của Tiristor trong vùng điện áp dương Anot ta cần tạo ra một điện áp tựa dạng tam giác gọi là điện áp răng cưa Điện áp tựa cần có trong vùng điện áp dương Anot Để điều khiển. .. UB, Uc đươc kết hợp với bộ phát xung chùm dùng IC 555 và xung tín hiệu điều khiển qua bộ khuếch đại qua BAX, BAX3, BAX5 cấp xung tín hiệu điều khiển cho thiristor T1, T3, T5 mở khóa cho dòng điện một chiều chạy qua Việc kéo điện áp này để đảm bảo điện áp điều khiển đồng biến với điện áp ra Điện áp đồng pha với điện áp vào được đưa vào các cổng logic AND2, AND4, AND6 với một điện áp âm nhưng đã được... góc mở α của Thyristor ta dùng một điện áp điều khiển Uđk so sánh với điện áp tựa Tại thời điểm Uđk=Urc thì phát xung điều khiển Thyristor được mở từ thời điểm phát xung đến cuối bán kỳ (hoặc tới khi dòng qua Tiristor bằng không) Nhận xét: Ta chọn nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính vì đơn giản nhưng vẫn phù hơp nhu cầu thiết kế 3. 3 Tính toán các khâu điều khiển 3. 3.1 Khâu đồng pha Sơ đồ dùng... NOT1, NOT2, NOT3 Tín hiệu được kết hợp với tín hiệu xung của bộ phát xung và tín hiệu điều khiển cung cấp xung cho mạch khuếch đại xung qua BAX2, BAX4, BAX6 cấp tín hiệu xung cho thyristor T2, T4, T6 mở khóa cho dòng điện chạy qua Hai chu kì dòng điện lặp đi lặp lại làm cho 23 dòng điện chạy qua các cặp van tuần với dòng điện xoay chiều điện áp 38 0v Khi ta muốn công tắc tơ đóng không cho dòng điện chạy