Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)

THIẾT KẾ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP”.Nội dung đề tài bao gồm các chương:Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều và các phương pháp điều khiển tốc độ.Chương 2: Tổng quan về các bộ chỉnh lưu và chỉnh lưu cầu ba pha.Chương 3: Tính toán thiết kế mạch động lực và mạch bảo vệ.Chương 4: Tính toán và thiết kế mạch điều khiển.Do lần đầu tiên làm đồ án, kiến thức còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi những sai sót, mong thầy cô và các bạn có những góp ý để đồ án của em hoàn thiện hơn. ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word) ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word) ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)vvĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập (có file word)

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU LỜI NÓI ĐẦU Sự bùng nổ khoa học kỹ thuật lĩnh vực điện, điện tử, tin học năm gần ảnh hưởng sâu sắc lý thuyết thực tiễn, ứng dụng rộng rải có hiệu cao nhiều lĩnh vực khắc nhau, Đặc biệt lĩnh vực điều khiển tự động dây chuyền cơng nghiệp khép kín đời có lĩnh vực điều khiển động điện Điều khiển động điện chiều lĩnh vực không ứng dụng nhiều thực tế cơng nghiệp sản xuất, có nhiều phương pháp điều khiển Trong giới hạn đồ án môn học vận dụng linh kiện điện tử đơn giản phương pháp điều khiển học Em giao nhiệm vụ “ THIẾT KẾ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP” Nội dung đề tài bao gồm chương:  Chương 1: Tổng quan động điện chiều phương pháp điều khiển tốc độ  Chương 2: Tổng quan chỉnh lưu chỉnh lưu cầu ba pha  Chương 3: Tính tốn thiết kế mạch động lực mạch bảo vệ  Chương 4: Tính tốn thiết kế mạch điều khiển Do lần làm đồ án, kiến thức hạn chế nên đồ án khơng tránh khỏi sai sót, mong thầy bạn có góp ý để đồ án em hồn thiện Với giúp đỡ tận tình thầy cô giáo khoa đặc biệt thầy Trần Thái Anh Âu, giúp em hoàn thành nhiệm vụ Em xin chân thành cảm ơn! Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực Trần Thái Anh Âu Trương Quang Quốc SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Cấu tạo, phân loại động điện chiều 1.1.1 Cấu tạo động điện chiều Động điện chiều phân thành hai phần chính: phần tĩnh phần động - Phần tĩnh (hay stato): Hay gọi phần kích từ động cơ, phận sinh từ trường gồm có: + Mạch từ dây kích từ lồng ngồi mạch từ (nếu động kích từ nam châm điện), mạch từ làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc) Dây quấn kích thích hay gọi dây quấn kích từ làm dây điện từ, cuộn dây điện từ mắc nối tiếp với + Cực từ chính: Là phận sinh từ trường gồm có lõi sắt cực từ dây quấn kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại tán chặt Trong động điện nhỏ dùng thép khối Cực từ gắn chặt vào vỏ máy nhờ bulơng Dây quấn kích từ quấn dây đồng bọc cách điện cuộn dây bọc cách điện kỹ thành khối, tẩm sơn cách điện trước đặt cực từ Các cuộn dây kích từ đặt cực từ nối tiếp với + Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt cực từ Lõi thép cực từ phụ thường làm thép khối thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống dây quấn cực từ Cực từ phụ gắn vào vỏ máy nhờ bulông + Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong động điện nhỏ vừa thường dùng thép dày uốn hàn lại, máy điện lớn thường dùng thép đúc Có động điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy + Các phận khác Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi vật rơi vào làm hư hỏng dây quấn an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ vừa nắp máy có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp nắp máy thường làm gang SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ngồi Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt hộp chổi than nhờ lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than cố định giá chổi than cách điện với giá Giá chổi than quay để điều chỉnh vị trí chổi than cho chỗ, sau điều chỉnh xong dùng vít cố định lại - Phần động (hay rơto): Bao gồm phận sau + Phần sinh sức điện động gồm có Mạch từ: Được làm vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với Trên mạch từ có rãnh để lồng dây quấn phần ứng Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với theo qui luật định Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây đầu dây bối dây nối với phiến đồng gọi phiến góp, phiến góp ghép cách điện với cách điện với trục gọi cổ góp hay vành góp Tỳ cổ góp: Là cặp trổi than làm than graphit ghép sát vào thành cổ góp nhờ lò xo + Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng hai mặt ép chặt lại để giảm tổn hao dòng điện xốy gây nên Trên thép có dập hình dạng rãnh để sau ép lại đặt dây quấn vào Trong động trung bình trở lên người ta dập lỗ thơng gió để ép lại thành lõi sắt tạo lỗ thơng gió dọc trục Trong động điện lớn lõi sắt thường chia thành đoạn nhỏ, đoạn có để khe hở gọi khe hở thơng gió Khi máy làm việc gió thổi qua khe hở làm nguội dây quấn lõi sắt Trong động điện chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng ép trực tiếp vào trục Trong động điện lớn, trục lõi sắt có đặt giá rơto Dùng giá rơto tiết kiệm thép kỹ thuật điện giảm nhẹ trọng lượng rôto + Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng phần phát sinh suất điện động có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ có cơng suất vài KW thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật, dây quấn cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU Để tránh quay bị văng lực li tâm, miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt đai chặt dây quấn Nêm làm tre, gỗ hay bakelit + Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có mạ cách điện với lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm hợp thành hình trục tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp trụ tròn cách điện mica Đi vành góp có cao lên để hàn đầu dây phần tử dây quấn phiến góp dễ dàng 1.1.2 Phân loại, ưu nhược điểm động điện chiều - Phân loại động điện chiều Khi xem xét động điện chiều máy phát điện chiều người ta phân loại theo cách kích thích từ động Theo ta có loại động điện chiều thường sử dụng: + Động điện chiều kích từ độc lập: Phần ứng phần kích từ cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ + Động điện chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ mắc song song với phần ứng + Động điện chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tếp với phần ứng + Động điện chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có cuộn dây kích từ, cuộn mắc song song với phần ứng cuộn mắc nối tiếp với phần ứng - Ưu nhược điểm động điện chiều Do tính ưu việt hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải , máy phát động điện xoay chiều có cấu tạo đơn giản cơng suất lớn, dễ vận hành mà máy điện (động điện) xoay chiều ngày sử dụng rộng rãi phổ biến Tuy nhiên động điện chiều giữ vị trí định cơng nghiệp giao thơng vận tải, nói chung thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục phạm vi rộng (như máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ) Mặc dù so với động không đồng để chế tạo động điện chiều cỡ giá thành đắt sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp Nhưng ưu điểm mà máy điện chiều khơng thể thiếu sản xuất đại SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU + Ưu điểm động điện chiều dùng làm động điện hay máy phát điện điều kiện làm việc khác Song ưu điểm lớn động điện chiều điều chỉnh tốc độ khả tải Nếu thân động không đồng đáp ứng đáp ứng phí thiết bị biến đổi kèm (như biến tần ) đắt tiền động điện chiều khơng điều chỉnh rộng xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản đồng thời lại đạt chất lượng cao + Nhược điểm chủ yếu động điện chiều có hệ thống cổ góp - chổi than nên vận hành tin cậy khơng an tồn mơi trường rung chấn, dễ cháy nổ 1.2 Đặc tính động điện chiều 1.2.1 Nguyên lý làm việc động điện chiều Khi cho điện áp chiều vào, dây quấn phần ứng có điện Các dẫn có dòng điện nằm từ trường chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều lực xác định quy tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay nửa vòng, vị trí dẫn đổi chỗ cho Do có phiến góp chiều dòng điện ngun làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi Khi quay, dẫn cắt từ trường cảm ứng với suất điện động Eư chiều suất điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải, động chiều sđđ Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư gọi sức phản điện động Khi ta có phương trình: U = Eư + Rư.Iư 1.2.2 Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Khi nguồn chiều có cơng suất khơng đủ lớn mạch điện phần ứng mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập Lúc động gọi động điện chiều kích từ độc lập SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU Hình 1.1: Sơ đồ nối dây động điện chiều kích từ độc lập Ta có phương trình cân điện áp mạch phần ứng sau: 𝐔ư = 𝐄ư + (𝐑 + 𝐑 𝐟 )𝐈ư (1.1) Trong đó: Uư: Điện áp phần ứng, V Eư: Sức điện động phần ứng, V Rư: Điện trở mạch phần ứng, Iư: Dòng điện mạch phần ứng, Với: 𝐑 = 𝐫ư + 𝐫𝒄𝒇 + 𝐫𝒃 + 𝒓𝒄𝒕 rư: Điện trở cuộn dây phần ứng rcf: Điện trở cuộn dây cực từ phụ rct: Điện trở tiếp xúc cuộn bù Sức điện động Eư phần ứng động xác định theo biểu thức: 𝑃.𝑁 𝐸ư = 2𝜋𝑎  𝜔 = 𝐾  𝜔 (1.2) Trong đó: P: Số đơi cực từ N: Số dẫn tác dụng cuộn dây phần ứng SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU a: Số đôi mạch nhánh song song cuộn dây phần ứng  : Từ thơng kích từ cực từ ω: Tốc độ góc (rad/s) 𝑃.𝑁 𝐾 = 2𝜋𝑎: Hệ số cấu tạo động Từ (1.1) (1.2) ta có: ω = Ru  R f U  I K  K  (1.3) Biểu thức phương trình đặc tính điện động Mặt khác, mô men điện từ Mđt động xác định 𝑀đ𝑡 = 𝐾  𝐼ư Với 𝐼 = ω = (1.4) M đt : thay giá trị I vào (1.3) ta có K  Ru  R f U  M đt K  ( K  ) (1.5) Nếu bỏ qua tổn thất tổn thất thép mơmen trục động mô men điện từ, ta ký hiệu M Nghĩa là: 𝑀đ𝑡 = 𝑀đ𝑡 = 𝑀 ω = U u Ru  R f  M K  ( K  ) (1.6) Đây phương tình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập Giả thiết phần ứng bù đủ, từ thơng ϕ= const, phương trình đặc tính điện (1.3) phương trình đặc tính (1.6) tuyến tính Đồ thị chúng biểu diễn hình 1.2 đường thẳng SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Theo đồ thị, Iư = M = ta có: 𝐼 = GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU U  0 K   gọi tốc độ không tải lý tưởng động điện chiều kích từ độc lập Hình 1.2: Đặc tính điện đặc tính động điện chiều Khi ω = ta có: 𝐼 = 𝑈 𝑅𝑢 +𝑅𝑓 = 𝐼𝑛𝑚 𝑀 = 𝐾 𝜙 𝐼𝑛𝑚 = 𝑀𝑛𝑚 (1.7) (1.8) Inm Mnm gọi dòng điện ngắn mạch mơmen ngắn mạch Ngồi phương trình đặc tính (1.3) (1.6) viết dạng: ω = U R  I     K  K  (1.9) ω = U R  M     K  ( K  ) (1.10) Trong đó: 𝑅 = 𝑅ư + 𝑅𝑓 SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 0 =   GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU U K  R R I  M K  ( K  )  gọi độ sút tốc độ ứng với giá trị M Từ phương trình đặc tính ta thấy có tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từ thông động φ , điện áp phần ứng Uư, điện trở phần ứng động 1.3 Các phương pháp điều khiển tốc độ động điện chiều - - Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng - Phương pháp thay đổi từ thông Ф - Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng 1.3.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng - Đây phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động điện chiều + Nguyên lý điều khiển: Trong phương pháp người ta giữ U = Uđm, ϕ = ϕđm nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng Độ cứng đường đặc tính cơ: 𝛽= M (k )   Ru  R f (1.11) + Ta thấy điện trở lớn nhỏ nghĩa đặc tính dốc mềm SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU Hình 1.3: Đặc tính động thay đổi điện trở phụ Ứng với Rf = ta có độ cứng tự nhiên βTN có giá trị lớn nên đặc tính tự nhiên có độ cứng lớn tất đường đặc tính có điện trở phụ Như vậy, ta thay đổi Rf ta họ đặc tính thấp đặc tính tự nhiên - Đặc điểm phương pháp: + Điện trở mạch phần ứng tăng độ dốc đặc tính lớn, đặc tính mềm, độ ổn định tốc độ sai số tốc độ lớn + Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ vùng tốc độ định mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ phía giảm) + Chỉ áp dụng cho động điện có cơng suất nhỏ, tổn hao lượng điện trở phụ làm giảm hiệu suất động thực tế thường dùng động điện cần trục + Đánh giá tiêu: Phương pháp điều khiển liên tục mà phải điều khiển nhảy cấp Dải điều chỉnh phụ thuộc vào số mơmen tải, tải nhỏ dải điều chỉnh D = ωmax / ωmin nhỏ Phương pháp điều chỉnh dải D = : + Giá thành đầu tư ban đầu rẻ không kinh tế tổn hao điện trở phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển đơn giản 1.3.2 Phương pháp thay đổi từ thông Ф - Nguyên lý điều khiển: Giả thiết U= Uđm, Rư = const Muốn thay đổi từ thông động ta thay đổi dòng điện kích từ, thay đổi dòng điện mạch kích từ cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ Bình thường động làm việc chế độ định mức với kích thích tối đa ( ϕ = ϕmax) mà phương pháp cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên điều chỉnh theo hướng giảm từ thông ϕ tức điều chỉnh tốc độ vùng tốc độ định mức Nên giảm ϕ tốc độ không tải lý tưởng 𝜔0 = 𝑈đ𝑚 𝐾  tăng, độ cứng đặc tính 𝛽 = M (k )   Ru  R f giảm, ta thu họ đặc tính nằm đặc tính tự nhiên SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG 10 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU Hình 4.11 Giản đồ đường cong mạch điều khiển Hoạt động mạch điều khiển giải thích đơn giản sau: SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG 70 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU Điện áp vào điểm A (UA) có dạng hình sin, trùng pha với điện áp anod thyristo T,qua khuyếch đại thuật toán (KĐTT) A1 cho ta chuỗi xung chữ nhật đối xứng UB Phần áp dương điện áp chữ nhật UB qua diode D1 tới A2 tích phân thành điện áp tựa Urc Điện áp âm điện áp UB làm mở thông tranzitor Tr1, kết A2 bị ngắn mạch (với Urc = 0) vùng UB âm Trên đầu A2 ta có chuỗi điện áp cưa Urc gián đoạn Điện áp Urc so sánh với điện áp điều khiển Uđk đầu vào A3 Tổng đại số 𝑈𝑟𝑐 + 𝑈đ𝑘 định dấu điện áp đầu khuếch đại thuật toán A3 Trong khoảng ÷ 𝑡1 với 𝑈đ𝑘 > 𝑈𝑟𝑐 điện áp UD âm Trong khoảng 𝑡1 ÷ 𝑡2 , điện áp Uđk Urc đổi ngược lại, làm cho UD lật lên dương Các khoảng thời gian giải thích điện áp UD tương tự Mạch đa hài tạo chùm xung A4 cho ta chuỗi xung tần số cao, với điện áp UE hình Giao động da hài cần có tần số hàng chục kHz, mơ tả định tính Hai tín hiệu UD, UE đưa tới khâu “AND” hai cổng vào Khi đồng thời có hai tín hiệu dương UD, UE (trong khoảng 𝑡1 ÷ 𝑡2 , 𝑡4 ÷ 𝑡5 , ta có xung UF ) Các xung UF làm mở thông tranzitor, kết ta nhận xung nhon Xđk biến áp xung, để đưa tới mở tiristi T Điện áp Ud xuất tải từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên, thời điểm t2, t4 chuỗi xung điều khiển, chu kỳ điện áp nguồn cấp, cuối bán kỳ điện áp dương anod SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG 71 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU 4.3 Tính tốn thơng số mạch điều khiển Việc tính tốn mạch điều khiển thường tiến hành từ tầng khuếch đại trở ngược lên Mạch điều khiển tính xuất phát từ yêu cầu xung mở Tiristo Các thông số để tính mạch điều khiển Điện áp điều khiển Tiristo : Uđk = 3,0 V Dòng điện điều khiển Tiristo : Iđk = 0,1 A Thời gian mở Tiristo : tm = 80 μs Độ rộng xung điều khiển : tx =167 μs tương đương 3° điện Tần số xung điều khiển : fx = kHz Độ đối xứng cho phép : ∆𝛼 = 4° Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển : 𝑈 = ± 12 𝑉 Mức sụt biên độ xung sx = 0,15 : 4.3.1 Tính biến áp xung - Chọn vật liệu làm lõi sắt ferit HM Lõi có dạng hình xuyến, làm việc phần đặc tính từ hóa có : ∆𝐵 = 0,3𝑇 ; ∆𝐻 = 30𝐴/𝑚 , khơng có khe hở khơng khí - Tỷ số biến áp xung : thường 𝑚 = ÷ 3, chọn m = - Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung : 𝑈2 = 𝑈đ𝑘 = 3,0 𝑉 - Điện áp đặc lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung : 𝑈1 = 𝑚 𝑈2 = 3.3 = 𝑉 - Dòng điện thứ cấp máy biến áp thứ cấp xung : I2 = Iđk = 0,1 A - Dòng điện sơ cấp biến áp xung : 𝐼1 = - 𝐼2 0,1 = = 0,033 𝐴 𝑚 Độ từ thẩm trung bình tương đối lõi sắt : 𝜇𝑡𝑏 = ∆𝐵 0,3 = = 10−3 𝜇0 ∆𝐻 1,25 10−6 30 Trong μ0 = 1,25.10-6 H/m độ từ thẩm không khí - Thể tích lõi thép cần có : SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG 72 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU 𝑉 = 𝑄 𝑙 = 𝜇𝑡𝑏 𝜇0 𝑡𝑋 𝑠𝑋 𝑈1 𝐼1 ∆𝐵 Thay số : 𝑉= 10-3 1,25 10−6 167 10−6 0,15.9.0,0333 0,32 𝑉 = 0,834 10−6 𝑚3 = 0,834 𝑐𝑚3 Chọn mạch từ tích V = 1,4 cm3 Với thể tích ta có kích thước mạch từ sau [1]: a = 4,5mm ; b = 6mm ; Q = 0,27 cm2 = 27 mm2 ; d = 12 mm ; D = 21mm Chiều dài trung bình mạch từ : l = 5,2 cm Hình 4.12 Hình chiếu lõi máy biến áp xung - Số vòng dây quấn sơ cấp máy biến áp xung : Theo định luật cảm ứng điện từ : 𝑈1 = 𝑊1 𝑄 𝑑𝐵 ∆𝐵 = 𝑊1 𝑄 𝑑𝑡 𝑡𝑥 𝑈1 𝑡𝑥 176 10−6 𝑊1 = = = 186 𝑣ò𝑛𝑔 ∆𝐵 𝑄 0,3 27 10−6 - Số vòng dây thứ cấp : 𝑊2 = - 𝑤1 186 = = 62 𝑣ò𝑛𝑔 𝑚 Tiết diện dây quấn thứ cấp : SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG 73 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU 𝐼1 33,3 10−3 𝑆1 = = = 0,0056 𝑚𝑚2 𝐽1 Chọn mật độ dòng điện J1 = A/mm2 - Đường kính dây quấn sơ cấp : 𝑑1 = √ 𝑆1 0,0056 =√ = 0,084 𝑚𝑚 𝜋 𝜋 Chọn d = 0,1 mm - Tiết diện dây quấn thứ cấp : 𝑆2 = 𝐼2 0,1 = = 0,025 𝑚𝑚2 𝐽2 Chọn mật độ dòng điện J2 = A/mm2 - Đường kính dây quấn thứ cấp : 𝑑1 = √ 𝑆2 0,0025 =√ = 0,178 𝑚𝑚 𝜋 𝜋 Chọn dây có đường kính d2 = 0,18 mm - Kiểm tra hệ số lấp đầy : 𝑆1 𝑊1 + 𝑆2 𝑊2 𝑑12 𝑊1 + 𝑑22 𝑊2 0,12 186 + 0,182 62 𝐾𝑙đ = = = = 0,03 𝑑2 𝑑 122 (𝜋 + ) Như cửa sổ đủ diện tích ần thiết 4.3.2 Tính tầng khuếch đại cuối Chọn Tranzitor công suất loại Tr3 loại 2SC9111 làm việc chế độ xung có thơng số sau: Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn Si Điện áp Colecto Bazo hở mạch Emito SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC : 𝑈𝑐𝑏𝑜 = 40 (V) TRANG 74 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU Điện áp Emito Bazi hở mạch Colecto : 𝑈𝑒𝑏𝑜 = (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 = 175 °𝐶 Hệ số khuếch đại : 𝛽 = 50 Dòng làm việc Colecto : 𝐼𝑐3 = 𝐼1 = 33,3 (𝑚𝐴) Dòng làm việc Bazo : 𝐼𝐵3 = 𝐼𝐶3 𝛽 = 33,3 50 = 0,66 (𝑚𝐴) Ta thấy với loại Tiristo chọn có cơng suất điều khiển bé Uđk = 3V, Iđk = 0,1 A Nên dòng Colecto – Bazo tranzito Tr3 bé, trường hợp ta khơng cần Tranzito Tr2 mà đủ cơng suất điều khiển Tranzito Chọn nguồn cấp cho biến áp xung : E = +12 V Với nguồn E = 12 V ta cần mắt thêm điện trở R10 nối tiếp với cực Emito Tr3, R1 : 𝑅10 = 𝐸 − 𝑈1 12 − = ≈ 90 Ω 𝐼1 33,3 10−3 Tất Diode mạch điều khiển dùng loại 1N4009, có tham số : Dòng điện định mức : Iđm = 10 mA Điện áp ngược lớn : UN = 25 V Điện áp Diode mở thông : Um = V 4.3.3 Chọn cổng AND Toàn mạch điều khiển phải dùng cổng AND nên ta chọn IC 4081 loại CMOS Mỗi IC 4081 có cổng AND Các thông số : Nguồn nuôi IC : 𝑉𝑐𝑐 = ÷ 18 𝑉, 𝑡𝑎 𝑐ℎọ𝑛 𝑉𝑐𝑐 = 12 𝑉 Nhiệt độ làm việc : −40℃ ÷ 80℃ SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG 75 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU Điện áp ứng với mức logic ‘1’ :2 ÷ 4,5 ÷ 𝑉 Dòng điện : < 1mA Công suất tiêu thụ : P = 2,5 nW/1 cổng Hình 4.13 Sơ đồ chân IC 4081 4.3.4 Chọn tụ C3 R9 Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng đưa vào bazo Tranzito Tr3, chọn R9 thỏa điều kiện : 𝑅9 ≥ 𝑈 4,5 = = 6,757 𝑘Ω 𝐼𝑟3 0,666 10−3 Chọn R9 = 6,8 kΩ 𝑡 Chọn C3 R9 = tx = 167 μs Suy 𝐶3 = 𝑅𝑥 𝐶= 167 = 0,024 𝜇𝐹, 𝑐ℎọ𝑛 𝐶 = 0,022 𝜇𝐹 6,8 10−3 4.3.5 Tính chọn tạo xung chùm Mỗi kênh điều khiển phải dùng khuếch đại thuật toán, ta chọn IC loại TL084 hãng Texas Instruments chế tạo, IC có khuếch đại thuật tốn Các thơng số TL804 : Điện áp nguồn nuôi SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC : 𝑉𝑐𝑐 = ± 18 𝑉 𝑐ℎọ𝑛 𝑉𝑐𝑐 = ± 12 𝑉 TRANG 76 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU Hiệu điện hai đầu nối vào : ± 30 𝑉 Nhiệt độ làm việc : − 25 ÷ 80℃ Công suất tiêu thụ : P = 680 mW = 0,68 W Tổng trở đầu vào : RIN = 10-6 MΩ Dòng điện đầu : Ira = 30 pA Tốc độ biến thiên cho phép : 𝑑𝑢 𝑑𝑡 = 13 𝑉 𝜇𝑠 Hình 4.14 Sơ đồ chân IC TL084 Mạch tạo xung có tần số f = 1/2 fx = kHz hay chu kì xung chùm 𝑇= Ta có ∶ = 334 𝜇𝑠 𝑓 𝑇 = 2𝑅8 𝐶2 ln (1 + 𝑅6 ) 𝑅7 Chọn R6 = R7 = 33 kΩ T = 2,2 R8 C2 = 334 μs Vậy R8.C2 = 151,8 μs Chọn tụ C2 = 0,1 μs có điện áp U = 16 V → R8 = 1,518 Ω Để thuận tiện cho việc điều chỉnh lắp mạch ta chọn R8 biến trở kΩ 4.3.6 Tính chọn tầng so sánh SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG 77 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU Khuếch đại thuật toán chọn loại TL084 Chọn 𝑅4 = 𝑅5 > 𝑈𝑣 12 = = 12 𝑘Ω 𝐼𝑣 10−3 Trong nguồn ni Vcc =±12 𝑉 điện áp vào A3 Uv = 12 V Dòng điện vào hạn chế để Ilv < mA Do ta chọn R4 = R5 = 15 kΩ, dòng vào A3 : 𝐼𝑣𝑚𝑎𝑥 = 12 = 0,8 𝑚𝐴 15 103 4.3.7 Tính chọn khâu đồng pha Điện áp hình thành nạp tụ C1 Mặt khác để bảo đảm điện áp tựa có chu kỳ điện áp lưới tuyến tính số thời gian nộp tụ Tr = R3.C1 = 0,005s Chọn tụ C1 = 0,1 μF điện trở 𝑅3 = 𝑇𝑟 𝐶1 = 0,005 0,1.10−6 Vậy 𝑅3 = 50 10−3 Ω = 50 𝑘Ω Để thuận tiện cho việc điều chỉnh lắp ráp mạch, R3 thường chọn biến trở lớn 50 kΩ Chọn Tranzito Tr1 loại A564 có thông số sau : Tranzito loại PNP, làm Si Điện áp Colecto Bazo hở mạch Emito : UCBO = 25 (V) Điện áp Emito Bazi hở mạch Colecto : Uebo = (V) Dòng điện lớn Colecto chịu đựng : Icmax = 100 (mA) Nhiệt độ lớn mặt tiếp giáp : Tcp = 150 ℃ Hệ số khuếch đại : β = 250 Dòng cực đại bazo ∶ 𝐼𝐵3 = 𝐼𝐶 100 = = 0,4 𝐴 𝛽 250 Điện trở R2 để hạn chế dòng điện vào bazo Tranzito Tr1 chọn sau : SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG 78 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Chọn R2 cho GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU 𝑅2 ≥ 𝑈𝑁.𝑚𝑎𝑥 12 ≈ = 30 𝑘Ω 𝐼𝐵 0,4 10−3 Chọn điện áp xoay chiều đồng pha : UA = V Điện trở R1 để hạn chế dòng điện vao khuếch đại thuật toán A1, thường chọn R1 cho dòng vào khuếch đại thuật tốn Iv < mA Do đó: 𝑅1 ≥ 𝑈𝐴 = = 𝑘Ω 𝐼𝑣 10−3 Chọn R1 = 10 kΩ 4.3.8 Tạo nguồn nuôi Ta cần tạo nguồn điện áp ±12V để cấp cho máy biến áp xung nuôi IC, điều chỉnh dòng điện, tốc độ điện áp đặt tốc độ Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo nguồn nuôi ±12V Ta chọn mạch chỉnh lưu cầu ba pha dùng diode, điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi : 𝑈2 = 12 = 5,1 𝑉, 𝑡𝑎 𝑐ℎọ𝑛 𝑈2 = 𝑉 2,34 Để ổn định điện áp nguồn nuôi, ta dùng hai vi mạch ổn áp 7812 7912, thông số chung vi mạch sau : SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG 79 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU Điện áp đầu vào : Uv = ÷ 35 𝑉 Điện áp đầu : 𝑈𝑟𝑎 = 12 𝑉 𝑣ớ𝑖 𝐼𝐶 7812 ; 𝑈𝑟𝑎 = −12 𝑉 𝑣ớ𝑖 𝐼𝐶 7912 Dòng điện đầu : 𝐼𝑟𝑎 = ÷ 𝐴 Tụ điện C4, C5 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao Chọn 𝐶4 = 𝐶5 = 𝐶6 = 𝐶7 = 470𝜇𝐹; U = 35 V 4.3.9 Tính tốn máy biến áp nguồn nuôi đồng pha Ta thiết kế máy biến áp dùng cho việc tạo điện áp đồng pha tạo nguồn nuôi Chọn kiểu máy biến áp ba pha ba trụ, trụ có ba cuộn dây, cuộn dây sơ cấp cuộn dây thứ cấp Điện áp lấy thứ cấp máy biến áp làm điện áp đồng pha lấy thứ cấp làm nguồn nuôi: 𝑈2 = 𝑈2đ𝑝ℎ = 𝑈𝑁 = 𝑉 Dòng điện thứ cấo máy biến áp đồng pha : 𝐼2đ𝑝ℎ = 𝑚𝐴 Công suất nguồn nuôi cấp cho biến áp xung : 𝑃đ𝑝ℎ = 6𝑈2đ𝑝ℎ 𝐼2đ𝑝ℎ = 10−3 = 0,054 𝑊 Công suất tiêu thụ IC TL084 sử dụng làm khuếch thuật toán, ta chọn hai IC TL084 để tạo cổng AND : 𝑃8𝐼𝐶 = 8𝑃𝐼𝐶 = 0,68 = 5,12 𝑊 Công suất BAX cấp cho cực điều khiển Tiristo : 𝑃𝑥 = 6𝑈đ𝑘 𝐼đ𝑘 = 0,1 = 1,8 𝑊 Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi : 𝑃𝑁 = 𝑃𝑑𝑝ℎ + 𝑃8𝐼𝐶 + 𝑃𝑥 = 0,054 + 5,12 + 1,8 = 6,976 𝑊 Công suất máy biến áp kể đến 5% tổn hao máy : 𝑆 = 1,05 (𝑃𝑑𝑝ℎ + 𝑃𝑁 ) = 1,05 (0,054 + 6,976) = 7,38 𝑉𝐴 Dòng điện thứ cấp máy biến áp : SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG 80 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU 𝐼2 = 𝑆 7,38 = = 0,137 𝐴 𝑈2 10 Dòng điện sơ cấp máy biến áp : 𝑆 7,38 = = 0,0112 𝐴 𝑈1 220 𝐼1 = 11 Tiết diện trụ máy biến áp tính theo cơng thức kinh nghiệm : 𝑆 𝑄1 = 𝑘𝑄 √ = 1,33 𝑐𝑚2 𝑚 𝑓 Trong : k = – hệ số phụ thuộc phương thức làm mát m= – số trụ biến áp f = 50 – tần số điện áp lưới Chuẩn hóa tiết diện trụ Q1 = 1,63 cm2 Kích thước mạch từ thép dày σ = 0,5 mm Số lượng thép : 68 a= 12 mm b= 16 mm h= 30 mm hệ số ép chặc kc = 0,85 Hình 4.16 Kích thước mạch từ biến áp 12 Chọn mật độ từ cảm B = 1T trụ ta có số vòng dây sơ cấp : 𝑤1 = 𝑈1 = 6080 𝑣ò𝑛𝑔 4,44 𝑓 𝐵 𝑄1 13 Chọn mật độ dòng điện 𝐽1 = 𝐽2 = 2,75 𝐴/𝑚𝑚2 SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG 81 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU Tiết diện dây quấn sơ cấp : 𝑆1 = 𝑆 = 0,0043 𝑚𝑚2 𝑈1 𝐽1 Đường kính dây quấn sơ cấp : 𝑑1 = √ 4𝑆1 = 0,074 𝑚𝑚 𝜋 Chọn d1 =0,1 mm để đảm bảo độ bền Đường kính có kể cách điện d1cd = 0,12 mm 14 Số vòng dây quấn thứ cấp : 𝑊2 = 𝑊1 𝑈2 = 249 𝑣ò𝑛𝑔 𝑈1 15 Tiết diện dây quấn thứ câp : 𝑆2 = 𝑆 = 0,053 𝑚𝑚2 𝑈2 𝐽2 16 Đường kính dây quấn thứ cấp : 𝑑2 = √ 4𝑆2 = 0,26 𝑚𝑚 𝜋 Chuẩn hóa đường kính d2 = 0,26 mm Đường kính có kể đến cách điện d2cd = 0,31 mm 17 Hệ số lấp đầy : k1d = 0,7 Với: 𝑘1𝑑 𝜋 2 (𝑑1𝑐𝑑 𝑊1 + 𝑑2𝑐𝑑 𝑊2 ) = 𝑐 ℎ 18 Chiều rộng cửa sổ 𝜋 2 (𝑑1𝑐𝑑 𝑊1 + 𝑑2𝑐𝑑 𝑊2 ) 𝑐= = 8,3 𝑚𝑚 𝑘1𝑑 ℎ Chọn c = 12 mm 19 Chiều dài mạch từ : 𝐿 = 𝑐 + 𝑎 = 2.12 + 3.12 = 60 𝑚𝑚 20 Chiều cao mạch từ : SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG 82 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU 𝐻 = ℎ + 2𝑎 = 30 + 2.12 = 54 𝑚𝑚 4.3.10 Tính chọn diode cho chỉnh lưa nguồn ni  Dòng điện hiệu dụng qua diode : 𝐼𝐷𝐻𝐷 =  𝐼2 √2 = 0,137 √2 = 0,099 𝐴 Điện áp ngược lớn mà diode phải chịu : 𝑈𝑁𝑀𝐴𝑋 = √6 𝑈2 = √6 = 22 𝑉  Chọn diode có dòng định mức : 𝐼đ𝑚 > 𝑘𝑖 𝐼𝐷𝐻𝐷 = 10.0,1 = 1,1 𝐴 Chọn diode có điện áp ngược lớn : 𝑈𝑛 > 𝑘𝑢 𝑈𝑁𝑀𝐴𝑋 = 22 = 44 𝑉  Chọn diode loại KII208A có thơng số :  Dòng điện định mức : Iđm = 1,5 A  Điện áp ngược cực đại diode : UN = 100 SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG 83 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: GV.ThS TRẦN THÁI ANH ÂU TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Văn Doanh (chủ biên), Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT – Lý thuyết, thiết kế, ứng dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2009 Nguyễn Bính ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2000 SVTH: TRƯƠNG QUANG QUỐC TRANG 84