Đề tài: Thiết kế CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN TỬ

Mục lụcLời mở đầuChương I: Tổng quan về công tắc tơ điện tử 3 pha.Tổng quan về công nghệ điều chỉnh điện áp xoay chiềuYêu cầu của công nghệ điều chỉnh điện áp xoay chiềuPhạm vi ứng dụngNguyên tắc điều chỉnhChương II: Tính chọn mạch công suất. Các phương án mạch động lựcMạch lực điều áp xoay chiều 3 pha dùng 6 Tiristor song song ngượcMạch lực điều áp xoay chiều 3 pha dùng TriacMạch lực điều áp xoay chiều 3 pha dùng Tiristor và Điôt Chọn mạch lực điều áp xoay chiều 3 pha dùng 6 Tiristor song song ngược Phân tích ưu, nhược điểm của các mạch công suất Tính chọn van bán dẫn công suất cho sơ đồ mạchDòng điện mỗi pha của phụ tảiChỉ tiêu về dòngChỉ tiêu về điện áp Tính chọn phần tử bảo vệMạch bảo vệ quá áp RCBảo vệ quá nhiệt cho van : sử dụng cánh tản nhiệtBảo vệ quá dòng cho van : sử dụng aptomat, cầu chìChương III: Thiết kế mạch điều khiển công tắc tơ điện tử 3 pha.Các yêu cầu cơ bản đối với bộ điều khiểnNguyên lý thiết kế và sơ đồ khốiLựa chọn sơ đồ các khâuTính toán các thông số mạch điều khiểnKết luận:Tài liệu tham khảo:Giáo viên hướng dẫnSinh viên thực hiệnLỜI NÓI ĐẦUĐiện tử công suất là công nghệ biến đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác trong đó các phần tử bán dẫn công suất đóng vai trò trung tâm , được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại.Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến dổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn.Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những van khóa bán dẫn, còn gọi là van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì không cho dòng điện chạy qua. Khác với các phần tử có tiếp điểm, các van bán dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian.Tuy có thể đóng ngắt các dòng điện lớn nhưng các phần tử bán dẫn công suất lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ. Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào các sơ đồ của bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi. Như vậy quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổn thất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện tử, không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi.Không những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp cho phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều khiển trong một thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động.Nội dung bài tập lớn này tậ trung tìm hiểu về bộ công tắc tơ 3 pha điện từ sử dụng thyristor để điều khiển đóng cắt động cơ 3 pha. Đây là một đề tài có quy mô và ứng dụng thực tế cao. Trong quá trình hoàn thành bài tập lớn môn học, em đã nhận được sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy Vũ Ngọc Minh và các thầy cô trong trường. Mặc dù em đã cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi hết khuyết điểm. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy, cô để đồ án của em được hoàn chỉnh hơn. Em xin chân thành cám ơnCHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN TỬ 3 PHA Tổng quan về công nghệ điều chỉnh điện áp xoay chiều.1.1.1 Các bộ điều áp xoay chiều dùng để đóng ngắt hoặc thay đổi điện áp ra tải từ 1 nguồn xoay chiều cố định, trong đó tần số điện áp ra bằng điện áp nguồnTrong máy điện có thiết bị điện là biến áp tự ngẫu cho phép thực hiện yêu cầu này, tuy nhiên việc điều chỉnh phải tiến hành qua hệ cơ khí di chuyển chổi than trượt trên các vòng dây biến thế, vì vậy hệ này không bền, phản ứng chậm; nhưng có ưu điểm cơ bản là điện áp ra tải luôn đảm bảo hình sin trong toàn dải điều chỉnh.Điện tử công suất sử dụng các van bán dẫn để chế tạo các bộ phận điều áp xoay chiều có các đặc điểm sau đây: Điều áp xoay chiều dùng van bán dẫn có đầy đủ ưu điểm của những mạch công suất sử dụng kỹ thuật bán dẫn như: dễ điều chỉnh và tự động hóa, làm việc ổn định, phản ứng nhanh với các đột biến điều khiển, độ tin cậy và tuổi thọ cao, kích thước gọn, dễ thay thế, thích hợp với quá trình hiện đại hóa, tập trung hóa các công trình công nghệ….Nhược điểm chung và cơ bản nhất của điều áp xoay chiều là điện áp tải ra không Sin trong toàn dải điều chỉnh,(điện áp trên tải chỉ đạt hình Sin hoàn chỉnh khi đưa toàn bộ điện áp nguồn ra tải), điều chỉnh càng sâu càng giảm điện áp ra, thì độ méo càng lớn, tức là thành phần song hài bậc cao(là bội số của tần số vào) cũng càng lớn. Với những tải yêu cầu nghiêm ngặt về độ méo và thành phần song hài có thể không áp dụng được điều áp xoay chiều.1.1.2 Giới thiệu về mạch lực điều áp xoay chiều 3 phaĐiều áp xoay chiều ba pha cho phép ứng dụng cho phụ tải đến hàng trăm KW.Trường hợp tải đấu ba pha có dây trung tính, hoặc đấu tam giác mà mỗi cụm van đấu nối tiếp với từng pha của phụ tải, thì các pha hoạt động độc lập với nhau, do đó việc tính toán hoàn toàn tương tự như điều áp xoay chiều một pha. Hình 1.1. Điều áp xoay chiều ba pha, các pha hoạt động độc lậpa) Phụ tải đấu sao; b) Phụ tải đấu tam giácKhi tải không dùng dây trung tính, có thể sử dụng các sơ đồ ở hình 1.2, hình 1.7 và hình 1.9 với các tham số tính chọn van trong bảng 1.2.Theo bảng 1.2 ta thấy phạm vi góc điều khiển của các sơ đồ là khác nhau, góc điều khiển nhỏ nhất của các sơ đồ là như nhau, nhưng góc điều khiển lớn nhất không giống nhau, trong đó có 3 sơ đồ có góc điều khiển αmax = 210° lên cần chú ý thiết kế mạch điều khiển cho phù hợp (thể hiện ở khâu đồng pha và tạo điện áp răng cưa).Bảng 1. Các tham số tính toán cho điều áp xoay chiều ba phaSơ đồ hình →Tham số ↓ 1.1b 1.2a 1.2b 1.2c1.7a1.7b1.7c1.9a1.9bI_tbvanI_t 0,45 0 0,45 0,45 0,45 0,260,675 0,45 0,45U_vanmaxU_phamax 1,73 1,5 1,5 1,73 1,5 1,73 1,73 1,5 1,5α_max (độ điện) 180 150 150 210 150 180 210 210 180Một điểm cần lưu ý cho tất cả các bộ điều áp xoay chiều là khi điều chỉnh với góc điều khiển lớn hơn 0° thì dòng tải điện luôn ở chế độ gián đoạn, tức là luôn có những khoảng mà dòng tải bằng không, tải bị ngắt khỏi nguồn và không được cấp năng lượng.Sơ đồ hình 1.2a dùng van TRIAC là sơ đồ có ít van và cho phép điều chỉnh điện áp ra tải đối xứng các pha, đồng thời hai nửa chu kỳ của một pha cũng đối xứng.Sơ đồ hình 1.2b dùng cách đấu hai thyristor trong tương đương với một TRIAC, loại này rất thông dụng trong thực tế và có tên là sơ đồ sáu tiristo đấu song song ngược, có đặc điểm hoàn toàn tương tự sơ đồ 1.2a. Hình 1.2. Một số sơ đồ điều áp ba phaHai sơ đồ này đôi khi được sử dụng chỉ để đóngngắt nguồn ra tải, mà không điều chỉnh điện áp và được gọi là bộ công – tắc – tơ điện tử.Các sơ đồ hình 1.2a, b, c ứng dụng cho tải đấu sao hoặc tam giác đều được. Mạch điều khiển của các sơ đồ này đều đồng bộ theo điện áp pha của nguồn.Trên hình 1.3 cho dạng điện áp trên một pha của tải là chung cho các sơ đồ hình 1.2a; 1.2b và biên độ các sóng hài ở một góc điều khiển khác nhau, với tải thuần trở. Qua đồ thị sóng hài thấy xuất hiện các sóng hài có bậc lẻ, gần nhất là bậc 5 và bậc 7, mặt khác cũng cho thấy khi tăng góc điều khiển thì biên độ sóng hài bậc cao tăng nhanh đến xấp xỉ với sóng hài cơ bản ( bằng tần số nguồn điện, ở đây là 50Hz). Như vậy khi điều chỉnh điện áp ra sâu, tương ứng góc điều khiển càng lớn, thì điện áp ra sẽ càng méo nhiều hơn Hình 1.3. Điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song songngược,tải thuần trở đấu sao(dạng điện áp pha A tải và phổ sóng hài với góc điều khiển khác nhau)Khi tải có tính cảm kháng, hoạt động của sơ đồ bị ảnh hưởng mạch bởi góc φ của tải như đã xét ở mục 1.1, tức là cả phạm vi điều chỉnh và dạng điện áp ra đều không còn như trường hợp tải thuần trở. Hình 1.4 là đồ thị minh họa cho tải cảm kháng với α = 30°, ta có thể so sánh với đồ thị khi tải thuần trở có cùng góc điều khiển ở hình 1.3 để thấy sự khác biệt giữa chúng. Tuy nhiên tải RL dạng dòng điện sữ không bị đột biến theo điện áp như tải thuần trở, vì vậy biên độ sóng hài cũng sẽ giảm đi, tức là dạng dòng tải ít méo hơn dạng điện áp tải.Hình 1.4. Điều áp xoay chiều ba pha sáu tiristo đấu song song ngược tải RL (Dạng điện áp và dòng điện tải với góc điều khiển khác nhau)Sơ đồ hình 1.2c sử dụng van không đối xứng, mỗi nhánh gồm một thyristor đấu song song ngược với điôt. Do các điốt là các van không điều khiển nên chúng có thể dẫn tự động, làm cho phạm vi góc điều khiển cho thyristor tăng lên 120° mới có thể ngắt tải khỏi nguồn để cắt dòng tải. Đồ thị hình 1.5 cho thấy với điện áp trên tải vẫn còn và nhìn theo trục hoành ta thấy cần tăng góc điều khiển thêm 30° nữa mới ngắt được điện áp ra tải. Như vậy mạch điều khiển cần lưu ý điều này, vì mạch thông dụng thường chỉ có phạm vi điều chỉnh góc lớn nhất là 180°. Hình 1.5. Điều áp xoay chiều ba pha,sơ đồ thyristor và điện trởNguyên tắc điều chỉnh của điều áp xoay chiều tương tự như trong chỉnh lưu điều khiển, tức là điều chỉnh góc mở của van bán dẫn. Xét từ phía mạch van, bộ chỉnh lưu và điều áp xoay chiều có những điểm giống nhau: các van làm việc với điều áp xoay chiều nên được khóa tự nhiên bằng điện áp nguồn và cũng chịu ảnh hưởng của lưới điện đến van, kiểu điều khiển van cũng là dịch pha điểm phát xung so với pha nguồn xoay chiều, tức là sử dụng mạch điều khiển xungpha.CHƯƠNG II: TÍNH CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI BÀI TẬP MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ BÀI: Đề số 04 Đề tài: Thiết kế công tắc tơ điện tử pha Điện áp 380V, công su ất 20KW Yêu cầu công nghệ - Giới thiệu cơng nghệ - Tính tốn mạch cơng suất - Thiết kế mạch công suất Thông số thiết kế - Điện áp: 380V - Công suất: 20KW Hải Phòng, năm 2017 Mục lục Lời mở đầu Chương I: Tổng quan công tắc tơ điện tử pha 1.1 1.2 1.3 1.4 Tổng quan công nghệ điều chỉnh điện áp xoay chiều Yêu cầu công nghệ điều chỉnh điện áp xoay chiều Phạm vi ứng dụng Ngun tắc điều chỉnh Chương II: Tính chọn mạch cơng suất 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Các phương án mạch động lực 2.1.1 Mạch lực điều áp xoay chiều pha dùng Tiristor song song ngược 2.1.2 Mạch lực điều áp xoay chiều pha dùng Triac 2.1.3 Mạch lực điều áp xoay chiều pha dùng Tiristor Điôt Chọn mạch lực điều áp xoay chiều pha dùng Tiristor song song ngược Phân tích ưu, nhược điểm mạch cơng suất Tính chọn van bán dẫn cơng suất cho sơ đồ mạch 2.4.1 Dòng điện pha phụ tải 2.4.2 Chỉ tiêu dòng 2.4.3 Chỉ tiêu điện áp Tính chọn phần tử bảo vệ 2.5.1 Mạch bảo vệ áp RC 2.5.2 Bảo vệ nhiệt cho van : sử dụng cánh tản nhiệt 2.5.3 Bảo vệ dòng cho van : sử dụng aptomat, cầu chì Chương III: Thiết kế mạch điều khiển công tắc tơ điện tử pha 3.1 3.2 3.3 3.4 Các yêu cầu điều khiển Nguyên lý thiết kế sơ đồ khối Lựa chọn sơ đồ khâu Tính tốn thông số mạch điều khiển Kết luận: Tài liệu tham khảo: Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực LỜI NĨI ĐẦU Điện tử cơng suất cơng nghệ biến đổi điện từ dạng sang dạng khác phần tử bán dẫn cơng 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 cơng 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 van khóa bán dẫn, gọi van bán dẫn, mở dẫn dòng nối tải vào nguồn, khóa khơng cho dòng điện chạy qua Khác với phần tử có tiếp điểm, van bán dẫn thực đóng cắt dòng điện mà khơng gây nên tia lửa điện, khơng bị mài mòn theo thời gian.Tuy đóng ngắt dòng điện lớn phần tử bán dẫn công suất lại điều khiển tín hiệu điện cơng 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, khơng 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 cơng tắc tơ pha điện từ sử dụng thyristor để điều khiển đóng cắt động pha Đây đề tài có quy mơ ứng dụng thực tế cao Trong q trình hồn thành tập lớn mơn học, em nhận giúp đỡ, bảo tận tình thầy Vũ Ngọc Minh thầy trường Mặc dù em cố gắng chắn không tránh khỏi hết khuyết điểm Em mong nhận ý kiến đóng góp thầy, để đồ án em hồn chỉnh Em xin chân thành cám ơn! CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN TỬ PHA 1.1 Tổng quan công nghệ điều chỉnh điện áp xoay chiều 1.1.1 Các điều áp xoay chiều dùng để đóng ngắt thay đổi ện áp tải từ nguồn xoay chiều cố định, tần số điện áp điện áp nguồn Trong máy điện có thiết bị điện biến áp tự ngẫu cho phép th ực hi ện yêu cầu này, nhiên việc điều chỉnh phải tiến hành qua hệ c khí di chuyển chổi than trượt vòng dây biến thế, hệ khơng bền, phản ứng chậm; có ưu điểm điện áp tải ln đảm bảo hình sin tồn dải điều chỉnh Điện tử cơng suất sử dụng van bán dẫn để chế tạo ph ận điều áp xoay chiều có đặc điểm sau đây: Điều áp xoay chiều dùng van bán dẫn có đầy đủ ưu điểm c mạch công suất sử dụng kỹ thuật bán dẫn như: dễ điều chỉnh tự động hóa, làm việc ổn định, phản ứng nhanh với đột bi ến ều khiển, độ tin cậy tuổi thọ cao, kích thước gọn, dễ thay thế, thích h ợp với q trình đại hóa, tập trung hóa cơng trình cơng ngh ệ… Nhược điểm chung điều áp xoay chiều điện áp tải không Sin tồn dải điều chỉnh,(điện áp tải đạt hình Sin hoàn chỉnh đưa toàn điện áp nguồn tải), điều ch ỉnh sâu giảm điện áp ra, độ méo lớn, tức thành ph ần song hài bậc cao(là bội số tần số vào) lớn Với nh ững tải yêu cầu nghiêm ngặt độ méo thành phần song hài khơng áp dụng điều áp xoay chiều 1.1.2 Giới thiệu mạch lực điều áp xoay chiều pha Điều áp xoay chiều ba pha cho phép ứng dụng cho phụ tải đến hàng trăm KW Trường hợp tải đấu ba pha có dây trung tính, đấu tam giác mà cụm van đấu nối tiếp với pha phụ tải, pha hoạt động độc lập với nhau, việc tính tốn hồn tồn tương tự điều áp xoay chiều pha Hình 1.1 Điều áp xoay chiều ba pha, pha hoạt động độc lập a) Phụ tải đấu sao; b) Phụ tải đấu tam giác Khi tải khơng dùng dây trung tính, sử dụng sơ đồ hình 1.2, hình 1.7 hình 1.9 với tham số tính chọn van bảng 1.2 Theo bảng 1.2 ta thấy phạm vi góc điều khiển sơ đồ khác nhau, góc điều khiển nhỏ sơ đồ nhau, góc điều khiển lớn khơng giống nhau, có sơ đồ có góc điều khiển α max = 210 lên cần ý thiết kế mạch điều khiển cho phù hợp (thể khâu đồng pha tạo điện áp cưa) Bảng Các tham số tính tốn cho điều áp xoay chiều ba pha Sơ đồ hình Tham số 1.1b 1.2a 1.2b 1.2c 1.7a 1.7b 0,45 0,45 0,45 0,45 1,73 1,5 1,5 1,73 180 150 150 210 1.7c 1.9a 1.9b 0,45 0,45 1,5 0,26 0,67 1,73 1,73 1,5 1,5 150 180 210 180 210 Một điểm cần lưu ý cho tất điều áp xoay chiều điều chỉnh với góc điều khiển lớn 0° dòng tải điện chế độ gián đoạn, tức ln có khoảng mà dòng tải khơng, tải bị ngắt khỏi nguồn không cấp lượng Sơ đồ hình 1.2a dùng van TRIAC sơ đồ có van cho phép điều chỉnh điện áp tải đối xứng pha, đồng thời hai nửa chu kỳ pha đối xứng Sơ đồ hình 1.2b dùng cách đấu hai thyristor tương đương với TRIAC, loại thông dụng thực tế có tên sơ đồ sáu tiristo đấu song song ngược, có đặc điểm hồn tồn tương tự sơ đồ 1.2a b) c) Hình 1.2 Một số sơ đồ điều áp ba pha Hai sơ đồ sử dụng để đóng/ngắt nguồn tải, mà không điều chỉnh điện áp gọi công – tắc – tơ điện tử Các sơ đồ hình 1.2a, b, c ứng dụng cho tải đấu tam giác Mạch điều khiển sơ đồ đồng theo điện áp pha nguồn Trên hình 1.3 cho dạng điện áp pha tải chung cho sơ đồ hình 1.2a; 1.2b biên độ sóng hài góc điều khiển khác nhau, với tải trở Qua đồ thị sóng hài thấy xuất sóng hài có bậc lẻ, gần bậc bậc 7, mặt khác cho thấy tăng góc điều khiển biên độ sóng hài bậc cao tăng nhanh đến xấp xỉ với sóng hài ( tần số nguồn điện, 50Hz) Như điều chỉnh điện áp sâu, tương ứng góc điều khiển lớn, điện áp méo nhiều Hình 1.3 Điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song-ngược, tải trở đấu (dạng điện áp pha A tải phổ sóng hài với góc điều khiển khác nhau) Khi tải có tính cảm kháng, hoạt động sơ đồ bị ảnh hưởng mạch góc φ tải xét mục 1.1, tức phạm vi điều chỉnh dạng điện áp không trường hợp tải trở Hình 1.4 đồ thị minh họa cho tải cảm kháng với α = 30°, ta so sánh với đồ thị tải trở có góc điều khiển hình 1.3 để thấy khác biệt chúng Tuy nhiên tải RL dạng dòng điện sữ khơng bị đột biến theo điện áp tải trở, biên độ sóng hài giảm đi, tức dạng dòng tải méo dạng điện áp tải Hình 1.4 Điều áp xoay chiều ba pha sáu tiristo đấu song song ngược tải RL (Dạng điện áp dòng điện tải với góc điều khiển khác nhau) Sơ đồ hình 1.2c sử dụng van khơng đối xứng, nhánh gồm thyristor đấu song song ngược với điôt Do điốt van không điều khiển nên chúng dẫn tự động, làm cho phạm vi góc điều khiển cho thyristor tăng lên 120° ngắt tải khỏi nguồn để cắt dòng tải Đồ thị hình 1.5 cho thấy với điện áp tải nhìn theo trục hồnh ta thấy cần tăng góc điều khiển thêm 30° ngắt điện áp tải Như mạch điều khiển cần lưu ý điều này, mạch thơng dụng thường có phạm vi điều chỉnh góc lớn 180° Hình 1.5 Điều áp xoay chiều ba pha,sơ đồ thyristor điện trở (Dạng điện áp tải góc điều khiển 180°) Dạng điện áp pha tải đảm bảo đối xứng (giống lệch 120° điện), song điện áp pha khơng đối xứng hai nửa chu kỳ Điều thấy đồ thị hình 1.6, phổ sóng hài cho thấy nhiều hai sơ đồ trên, ngồi sóng hài lẻ bậc 7… có thêm sóng hài bậc chẵn 2, 4, 8… Hình 1.6 Điều áp xoay chiều ba pha, sơ đồ thyristor điôt song song, tải trở (Dạng đồ thị điện áp pha A tải phổ song hài với góc điều khiển khác nhau) Khi tải đấu mà lại đưa sáu đầu phụ tải ngồi ta đưa van xuống vị trí điểm trung tính hình 1.7a, lúc ta có ba thyristor đấu chung katốt nên có thuận lợi là: giảm số dây điều khiển đấu trực tiếp mạch điều khiển với mạch lực cho nhóm van này; có ba van dùng chung tản nhiệt nên việc gá lắp dễ dàng giảm kích thước thiết bị Đặc điểm điều chỉnh dạng điện áp giống sơ đồ 1.2b, mạch điều khiển đồng theo điện áp pha nguồn cung cấp a) b) c) Hình 1.7 Các sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha khác Sơ đồ hình 1.7b,c dùng van vị trí dây trung tính, van đấu khiểu tam giác Sơ đồ 1.7b dùng sáu van có đặc điểm tương tự sơ đồ 1.8b, cần ý mạch điều khiển phải đồng theo điện áp dây: • • • Cụm van đấu cực XY đồng theo điện áp dây UAB Cụm van đấu cực YZ đồng theo điện áp dây UBC Cụm van đấu cực ZX đồng theo điện áp dây UCA Sơ đồ 1.7c số van giảm nửa (chỉ cần ba van), dòng qua van lớn sơ đồ khác điện áp pha đối xứng, song điện áp hai nửa chu kỳ pha lại khơng đối xứng Phạm vi điều chỉnh góc điều khiển sơ đồ tăng tới 210, riêng mạch đồng đặc biệt sau: • Thyristor đấu cực XY đồng theo điện áp ngược pha với U B • (tức UB đảo) Thyristor đấu cực YZ đồng theo điện áp ngược pha với U C • (tức UC đảo) Thyristor đấu cực XY đồng theo điện áp ngược pha với U A (tức UA đảo) Trên hình 1.8 đồ thị điện áp với góc điều khiển 30 so sánh với điện áp đồng Đồ thị thứ hai thứ ba cho ta thấy: điểm phát xung điều khiển cho thyristor đấu cực XY tải trùng với điểm qua khơng 10 Có Tlv = 850C, chọn nhiệt độ môi trường: Tmt = 400C ⇒τ = 85 - 40= 45 0C Ktn: Hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt Chọn Ktn = 8.10-4 W/cm2 0C ⇒ Stn = 60,77 8.10 − 4.50 = 1688,5 cm2 Vậy ta chọn loại cánh tản nhiệt có cánh, Chọn a = 25cm, b= 20cm, h=10cm Diện tích đế : S1= a.b = 25.20=500cm2 Diện tích cánh : S2= 6.b.h = 6.20.10 =1200cm2 Tổng diện tích cánh tản nhiệt: S=S1 + S2 = 500+1200=1700 cm2 Vậy cánh tản nhiệt ta chọn đủ diện tích bề mặt để bảo vệ nhi ệt đ ộ cho van bán dẫn 2.5.4 Bảo vệ dòng 29 • Bảo vệ bằng cầu chi Cầu chì dùng để chống cố ngắn mạch, để bảo vệ van phải có độ tác động nhanh Cầu chì hay đặt trực tiếp cho van lực.Chọn cầu chì tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch van bán dẫn Dòng điện định mức dây chảy là: I1CC = 1,1.I2=1,1.37,98= 41,77A Chọn cầu chì SIEMENS chế tạo loại 3NA2 820 với thông số: Iđm = 50A Uđm = 500AC 30 • Bảo vệ bằng Aptomat Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ tải ngắn mạch van Chọn aptomat có tiếp điểm chính, đóng cắt tay nam châm điện Chọn aptomat bảo vệ: Iđm = k.I1 = 1,1 I = 1,1 37,98 = 72,36A Với I1 - dòng điện cho tải k - Hệ số an tồn Chọn Aptomat có mã ký hiệu: MCCB 3p 75A Có thơng số sau: Dòng định mức:75A, Uđm = 450 V 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 khơng tác dụng 31 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 tx= 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 anơt-catơt Thyristor cần mở Tín hiệu điện áp xoay chiều, thường lấy từ biến áp có sơ cấp nối song song với Thyristor cần mở 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: 32 Uc Udb Udk Udb Uc Udk Điện áp đồng sin, sau khỏi khâu ĐB tạo thành tín hiệu cos Л 2Л ωt Điện áp điều khiển áp chiều biến đổi 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 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 U đk=Urc phát xung điều khiển Thyristor mở từ thời điểm phát xung đến cuối bán kỳ (hoặc tới dòng qua Tiristor không) 33 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 tốn (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 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) 34 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 tốn OA1, thường chọn R1 cho dòng vào khuếch đại thuật tốn 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 cơng suất mắc theo sơ đồ darlington hình vẽ: +15V C R T Tr BAX Hình 3.3 mạch khuếch đại xung 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 cơng 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 35 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 hố có: ∆B = 0,3 (T), ∆H = 30 ( A/m ), khơng có khe hở khơng khí Tỷ số biến áp xung: thường m = 2÷3, chọn m= Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Udk =3 (V) Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = m.U2 = 3.3= 9(V) Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Idk = 0,1 (A) Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1=I2/m=0,1/3=0,033(A) Độ từ thẩm trung bình tương đối lõi sắt: 36 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 ∆B.Q = 154(vòng) Số vòng dây thứ cấp: W2 = w1 / m = 154/3 = 51,33 (vòng ) Lấy: W2 = 52 (vòng) Tiết diện dây quấn thứ cấp: 37 S1 = I1 /J1 = 33,3.10-3/6 = 5,5.10-3 (mm2 ) Chọn mật độ dòng điện J1 = (A/mm2 ) + Đường kính dây quấn sơ cấp: 4S1 π = 0,1189 (mm) 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 = 4S2 π = 0,2532 (mm) Chọn dây có đường kính d2 =0,27 (mm) + Kiểm tra hệ số lấp đầy: S1.W + S 2W (π d Kld = 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 thơng số Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn Si Điện áp Colecto Bazơ hở mạch Emito: UCBO =40(v) Điện áp Emito Bazơ hở mạch Colecto: UEBO =4(v) 38 Dòng điện lớn Colecto chịu đựng: Icmax = 500 (mA) Cơng 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: IB3 =Ic3 /β = 33,3/50 =0,66(A) Ta thấy với loại Tiristo chọn có cơng suất điều khiển bé U dk = 2,5 (V), Idk = 0,2 (A), Nên dòng colecto - Bazơ Tranzito I r3 bé, trường hợp ta khơng cần Tranzito I mà có đủ cơng 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 điơt mở thơng 3.3.5 Chọn cổng AND Tồn 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) 39 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 Tồn mạch điện phải dùng cổng NOT nên ta chọn CMOS Mỗi IC 74HC11 3.3.7 Sơ đồ mạch điều khiển 40 Mạch điều khiển pha sơ đồ có ta ghép khâu chọn Ngồi 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 Hình 3.6 Mạch điều khiển công tắc tơ điện tử pha 41 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 dòng điện chạy qua cặp van tuần với dòng điện xoay chiều điện áp 380v Khi ta muốn cơng tắc tơ đóng khơng 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 tốn thông sô mạch điều khiển Sơ đồ điều khiển công tắc tơ điện tử thiết lập theo sơ đồ hình 3.6 Để tính tốn 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 = (V) Dòng điện điều khiển Tiristo: Idk = 0,1 (A) Thời gian mở Tiristo: tm = 40 (µs) 42 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 43