2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phần ứng
Khi điều chỉnh mạch phần ứng thì điện áp U = Uđm và từ thông hay dòng kích từ Ikt = Iktđm được giữ không đổi và ta chỉ điều chỉnh Rf trong mạch phần ứng. Khi điều chỉnh điện trở phần ứng thì tốc độ không tải lý tưởng là không đổi = const , độ cứng đặc tính cơ thay đổi . Khi tăng điện trở Rf thì độ cứng của đặc tính cơ càng giảm (dốc), khi Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên. Như vậy khi thay đổi điện trở Rf ta thu được một họ đặc tính cơ như hình 2.3
Hình 2.3 Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi điện trở phần ứng
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phần ứng có một số đặc điểm sau:
-Điện trở mạch phần ứng càng tăng độ dốc đặc tính càng lớn và tốc độ càng giảm, phương pháp này chỉ điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ định mức do chỉ có thể tăng điện trở phần ứng.
-Tổn hao công suất của hệ lớn do nhiệt phát sinh trên điện trở khi điều chỉnh
-Dải điều chỉnh phụ thuộc vào trị số mô men tải, tải càng lớn thì dải điều chỉnh càng lớn.
-Điều chỉnh theo phương pháp này thường chỉ điều chỉnh theo cấp bằng cách đóng cắt các cấp điện trở phụ dùng tiếp điểm congtactor.
2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
Để điều chỉnh từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ trong mạch phần cảm It , giữ nguyên điện áp cấp cho mạch phần ứng U = Uđm = const và điện trở phần ứng Rư = const. Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy khi thay đổi từ thông thì tốc độ không tải và độ cứng đều thay đổi.
= var ; = var
Khi giảm từ thông thì tốc độ không tải tăng nhưng độ cứng lại giảm và ta được họ đặc tính cơ thể hiện trên hình 2.4.
Hình 2.4 Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi từ thông mạch kích từ
Nhưng do cấu trúc của máy một chiều mà ta chỉ có thể điểu chỉnh giảm từ thông, tuy nhiên khi từ thông giảm nhỏ quá thì tốc độ động cơ tăng quá lớn và vượt quá giới hạn cho phép hoặc làm điều kiện chuyển mạch xấu đi do dòng phần ứng tăng cao. Để chuyển mạch xảy ra bình thường thì cần giảm dòng phần ứng và như vậy sẽ làm cho mômen cho phép trên trục động cơ giảm đi rất nhanh, dẫn đến động cơ bị quá tải. Khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông sẽ có họ đặc tính và một số đặc điểm sau:
-Phương pháp này chỉ điều chỉnh chỉ có thể giảm từ thông, chỉ có thể tăng tốc độ động cơ với dải điều chỉnh trơn trong khoảng D = 3:1
-Độ cứng của đặc tính cơ giảm khi từ thông giảm, các đặc tính cơ cắt nhau nên thực tế phương pháp này chỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so vởi định mức.
-Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh thực hiện ở mạch kích từ nhỏ nên tổn thất công suất khi điều chỉnh bé.
-Nhược điểm chỉnh của việc điều chỉnh từ thông là hằng số thời gian của cuộn kích từ Tk lớn, đặc tính từ hóa phi tuyến mạnh và phạm vi điều chỉnh tốc độ hẹp.
-Chịu tác động nhiều của nhiễu phụ tải, ngoài ra từ dư của động cơ có ảnh hưởng xấu đến các hệ truyền động có đảo chiều bằng kích từ.
2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
Để thực hiện việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng đặt lên động cơ ta phải giữ nguyên và điện trở phần ứng Rư = const.
Hình 2.5. Sơ đồ điều khiển tốc độ bằng cách điều chỉnh điện áp phần ứng
Khi điện áp thay đổi thì tốc độ không tải lý tưởng thay đổi và độ cứng không đổi, do đó ta được họ đặc tính cơ song song với nhau như hình vẽ
Hình 2.6 Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi điện áp
Đặc điểm của phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là :
-Điện áp U càng giảm thì tốc độ càng nhỏ và chỉ có thể điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ định mức.
-Độ sụt tốc trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như nhau. Độ sụt tốc lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh, do vậy sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) không vượt quá sai số cho phép thì hệ làm việc ổn định trong toàn dải điều chỉnh.
-Dải điều chỉnh tốc độ phương pháp này tương đối lớn D 10/ 1
-Nhược điểm của việc điều khiển điện áp là dùng bộ biến đổi khá phức tạp.
*Tiểu kết: Qua 3 phương pháp điều khiển tốc độ trên ta thấy rằng việc điều khiển tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng Uư có chất lượng điều chỉnh tốt nhất, trước hết nó có khả năng điều chỉnh triệt để trong bất kỳ vùng tải nào. Đặc tính cơ của nó mềm hơn đặc tính cơ tự nhiên và cứng hơn đặc tính cơ biến trở. Vì vậy, phương pháp này đảm bảo sai số tốc độ nhỏ, khả năng quá tải lớn, dải điều chỉnh rộng và tổn thất năng lượng không cao. Mặt khác, vì phần tử điểu chỉnh đặt trong mạch điều khiển nên độ tinh điều chỉnh cao, thao tác nhẹ nhàng và có khả năng cải thiện thành hệ tự động vòng kín để tăng chất lượng điều khiển.
3 . Giới thiệu bộ biến đổi cho động cơ
Để thay đổi điện áp phần ứng động cơ thì mạch lực phải cần một bộ biến đổi, bộ biến đổi (BĐ) có nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều của lưới thành điện áp một chiều và có thể điều chỉnh suất điện động Eb theo yêu cầu để cấp cho phần ứng động cơ. Sơ đồ cấu trúc hệ chỉnh lưu điều khiển điện áp như hình 2.7
Hình 2.7 Cấu trúc của hệ điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều
Để thay đổi điện áp đặt lên động cơ ta điều chỉnh Uđk, phương trình đặc tính cơ của hệ thống:
*Trong đó :
Eb : là sức điện động bộ biến đổi
Rb : là điện trở trong của bộ biến đổi
Ứng với một mômen tải nào đó, khi thay đổi điện áp phần ứng ta sẽ được những giá trị tốc độ khác nhau. Để xác định dải điều chỉnh của hệ ta xác định giá trị tốc độ lớn nhất và nhỏ nhất tại trị số mômen tải định mức.
;
Hình 2.8 Dải đặc tính điều chỉnh tốc độ
Dải điều chỉnh tốc độ bằng điện áp:
Với Km là hệ số quá tải về mômen
Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp thì từ thông kích từ được giữ không đổi do đó mômen tải cho phép của hệ được giữ không đổi nên đảm bảo được yêu cầu trong quá trình gia công: Mccp = KΦđm.Iđm = Mđm
Để điều chỉnh điện áp phần ứng có nhiều hệ biến đổi như hệ khuếch đại từ, hệ máy phát - động cơ (F-Đ), hệ điều chỉnh xung áp, hệ chỉnh lưu - động cơ (T-Đ) nhưng hệ chỉnh lưu một chiều nên chọn hệ truyền động tiristor-động cơ một chiều(T-Đ)
*.Hệ truyền động triristor - động cơ một chiều (T - Đ)
Hệ điều chỉnh T - Đ là hệ điều chỉnh điện áp gồm một bộ chỉnh lưu có điều khiển, đó lài chỉnh lưu tiristor. Bộ chỉnh lưu biến đổi điện áp xoay chiều lấy từ lưới thành điện áp một chiều cấp cho động cơ và để điều chỉnh điện áp phần ứng nó sử dụng một bộ điểu khiển để điều khiển góc mở cho tiristors.
Sơ đồ nguyên lý hệ T - Đ được chỉ trên hình 2.9
Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý hệ điều chỉnh T-Đ
Hệ T-Đ có một số đặc điểm là: độ tác động nhanh, tin cậy; phạm vi điều chỉnh rộng; không gây ồn và dễ tự động, do các van có hệ số khuếch đại cao nên có thể thiết lập hệ tự động vòng kín để mở rộng dải điều chỉnh nâng cao chất lượng điều chỉnh; hệ T-Đ kinh tế hơn hệ F-Đ rất nhiều. Tuy nhiên, hệ T-Đ cũng có những nhược điểm là: các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lưu có biên độ đập mạch cao gây tổn thất phụ trong máy điện và ở các hệ có công suất lớn còn làm ảnh hưởng đến dạng điện áp lưới xoay chiều; ngoài ra khả năng linh hoạt chuyển đổi trạng thái làm việc không cao, hệ đảo chiều phức tạp, hệ số quá tải về dòng và áp của các van kém. Do có những ưu điểm nỗi trội nên hệ T-Đ hiện nay được sử dụng khá rộng rãi.
4.Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu
Tùy theo yêu cầu cụ thể của tải, yêu cầu chất lượng, tính kinh tế mà ta cần lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu cho phù hợp. Một số chỉnh lưu thông dụng hiện nay là: chỉnh lưu cầu 1 pha, chỉnh lưu tia 3 pha, chỉnh lưu cầu không đối xứng, chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng, chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng.
Với máy bào giường có thông số như trên thì lực kéo Fk là khá lớn nên công suất động cơ một chiều phải lớn, vì vậy mà ta không thể chọn chỉnh lưu cầu một pha được.
4.1. Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển
Sơ đồ nguyên lí :
Đồ thị dạng sóng :
Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị dạng sóng của mạch chỉnh lưu tia
ba pha có điều khiển
-Giá trị trung bình của điện áp tải :
-Giá trị điện áp điện áp ngược đặt lên Tiristor :
-Trị dòng điện trung bình chạy qua tải :
-Giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp :
-Giá trị dòng điện trung bình của từng van :
-Công suất máy biến áp :
Nhận xét :
Chỉnh lưu tia ba pha có chất lượng điện áp tốt hơn so với tất cả các loại chỉnh lưu một pha.
Dòng điện chạy qua các van bán dẫn nhỏ hơn so với các loại chỉnh lưu một pha.
Trong các loại chỉnh lưu ba pha, thì chỉnh lưu tia ba pha có số van bán dẫn ít nhất.
Trong cuộn dây phía thứ cấp máy biến áp có tồn tại dòng điện một chiều, vì vậy làm cho lõi thép máy biến áp chóng bị bão hòa gây phát nóng lõi thép.
Cuộn dây thứ cấp máy biến áp phải đấu sao, với bốn đầu dây nối ra ngoài và dây trung tính phải lớn gấp đôi dây pha
4.2 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng.
Sơ đồ nguyên lí :
Đồ thị dạng sóng :
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị dạng sóng của mạch chỉnh lưu cầu
ba pha điều khiển đối xứng
-Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu :
-Giá trị trung bình của dòng điện qua Tiristor :
-Giá trị dòng điện hiệu dụng qua Tiristor :
-Giá trị điện áp ngược lớn nhất của Tirisror :
-Công suất máy biến áp :
Nhận xét :
Hiệu suất sử dụng máy biến áp của chỉnh lưu này cao.
Điện áp chỉnh lưu có số lần đập mạch trong một chu kì gấp đôi số lần đập mạch của chỉnh lưu tia ba pha. Cụ thể, có n = 6 lần đập mạch trong một chu kì. Dòng điện trong các Tiristor có dạng chữ nhật nhưng dòng điện qua thứ cấp máy biến áp hoàn toàn đối xứng và không có thành phần một chiều nên ít làm lõi thép bị phát nóng.
5. Lựa chọn phương án đảo chiều động cơ
Để đáp ứng yêu cầu đảo chiều quay của bàn máy thì hệ Chỉnh lưu - động cơ cần phải có yêu cầu về đảo chiều. Muốn đảo chiều động cơ một chiều có 3 phương pháp là: đảo chiều dòng điện kích từ It , đảo chiều dòng phần ứng Iư bằng tiếp điểm và đảo chiều dòng phần ứng bằng bộ chỉnh lưu kép đấu song song ngược
Đảo chiều dòng kích từ tuy đơn giản về mặt thiết bị, giá thành hạ nhưng do quán tính điện từ của mạch kích từ lớn (có nhiều vòng dây), thời gian đảo chiều lớn nên không đáp ứng được máy yêu cầu đảo chiều nhanh, mặt khác sự biến thiên dòng kích từ làm xuất hiện sức điện động cảm ứng trong cuộn dây kích từ rất lớn và có thể cháy cuộn kích từ. nên không dùng vào hệ truyền động chính máy bào dường
5.1 Phương án sử dụng các công tắc tơ đảo chiều.
Hình2.12. Sơ đồ sử dụng các công tắc tơ đảo chiều
Khi dùng cầu tiếp điểm thì kém bền vì hệ thống của ta khi làm việc thường xuyên đảo chiều, mỗi lần đảo chiều dòng hồ quang một chiều sẽ làm mòn tiếp điểm. Mặt khác, khi đó vùng hãm tái sinh nhỏ, vùng hãm ngược lớn, gây giật và quá trình hãm ngược còn làm dòng phần ứng lớn.
5.2 Phương án dùng hai BBD đấu song song ngược
Để đảo chiều có hai phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu kép là: phương pháp điều khiển chung và phương pháp điều khiển riêng.
5.2.1.Phương pháp điều khiển chung
Cả 2 bộ phát xung cùng phát xung đến các BBĐ, trong đó một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lưu, bộ còn lại làm việc ở chế độ nghịch lưu chờ. Khi sử dụng phương pháp này, sẽ có dòng điện không cân bằng chạy trong các BBĐ. Để hạn chế dòng này người ta sử dụng các cuộn kháng cân bằng.
a.Nguyên tắc :
Tại cùng một thời điểm cả hai bộ biến đổi đều nhận được xung điều khiển, nhưng chỉ có một bộ biến đổi làm việc cấp dòng cho tải còn bộ biến đổi kia làm việc ở chế độ đợi. Như vậy lúc nào hai bộ cũng đồng thời chạy do đó mà nó không còn thời gian chết trong quá trình đảo chiều dòng điện, vì vậy độ tác động là nhanh nhất. Tuy nhiên do hai bộ đều chạy nên sẽ có khẳ năng có dòng điện xuyên qua hai bộ gây ngắn mạch nguồn cho nên ta phải đưa thêm các cuộn kháng cân bằng để chống dòng ngắn mạch này.
b.Luật điều khiển
-Bộ biến đổi I(BĐI) làm việc ở
đường đặc tính (1) có
UdI = Ud0cosI
-Bộ biến đổi II(BĐII) làm việc ở
đường đặc tính (2) có
U dII = Ud0cosII
Ta có:
UdI = UdII
Suy ra :
Ud0cosI = - Ud0cosII
cosI + cosII = 0
I + II = 180 (Luật phối hợp điều khiển )
Từ luật phối hợp điều khiển ta thấy rằng khi I < 90 II = 180 - I > 90 do đó bộ biến đổi I(BBĐI) làm việc ở chế độ chỉnh lưu còn bộ biến đổi II(BBĐII) sẽ làm việc ở chế độ nghịch lưu.
Vậy khi bộ I chạy ở chế độ chỉnh lưu thì bộ II bao giờ cũng chạy ở chế độ nghịch lưu nhưng không có dòng chảy, bộ nghịch lưu không chạy nên quá trình nghịch lưu chỉ chạy khi bắt đầu giảm dòng, giảm tốc độ, đảo chiều với tải sức điện động Ed như động cơ điện một chiều
*Ưu điểm của phương pháp điều khiển chung:
-Tốc độ đảo chiều rất nhanh cho phép đảo chiều với tần số cao Đ
*Nhược điểm :
- Khó đảm bảo luật điều khiển vì vậy dễ xẩy ra sự cố
- Cần phải có hai cuộn kháng cân bằng làm tăng kích thước của thiết bị, nếu cuộn kháng thiết kế không chính xác thì cũng sẽ gây ra sự cố trong quá trình làm việc như cháy van, cháy cuộn kháng
5.2.2. Phương pháp điều khiển riêng
Đặc điểm của phương pháp này là các bộ chỉnh lưu làm việc không đồng thời. với mỗi chiều của điện áp ra chỉ có một bộ chỉnh lưu được phát xung và chạy ở chế độ chỉnh lưu, còn bộ kia nghỉ tức không được phát xung điều khiển. Như vậy giữa hai bộ biến đổi không thể xuất hiện dòng cân bằng nên không cần có cuộn kháng. Tuy nhiên, điều này dẫn đến khả năng có thể cả hai bộ có thể đồng thời hoạt động, vì vậy lâp tức sẽ xuất hiện dòng ngắn mạch gây sự cố cho thiết bị. Để đảo chiều xảy ra an toàn thì phải đảm bảo quy tắc phát xung chặt chẽ, cần có các cảm biến không dòng điện theo dõi dòng phần ứng và phải có một mạch logic khống chế thời điểm phát xung, vì vậy mà quá trình đảo chiều cần mất một khoảng thời gian chết để các van của bộ chỉnh lưu khóa chắc chắn để không còn dòng chảy trong động cơ id = 0.
Vậy ta thấy phương pháp điều khiển riêng có tốc độ đảo chiều thấp hơn phương pháp điều khiển chung, vì vậy khi không có yêu cầu về độ tác động nhanh hoặc tần suất đảo chiều thấp người ta thường dùng phương pháp điều khiển riêng.
*Kết luận: Chiều điều Ưu điểm nổi bật của hệ T - Đ là tốc độ tác động nhanh cao, không gây ồn và dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuyếch đại công suất rất cao, điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống.
Nhược điểm chủ yếu là do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lưu ra có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy điện, và ở các truyền động có công suất lớn còn làm xấu dạng điện áp của nguồn và lưới xoay chiều. Hệ số công suất của hệ nói chung là thấp. Ngoài ra trong hệ truyền động van đảo chiều điều khiển chung có ưu điểm là không có khoảng thời gian trễ và tốc độ đảo chiều nhanh, cho phép đảo chiều với tần số cao.
6. SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG
II. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC
*Các thông số cơ bản của động cơ bản của động cơ :
-Dòng điện định mức ở cuộn dây phần ứng động cơ :
(A)
-Điện trở mạch phần ứng động cơ được tính gần đúng như sau
()
-Điện cảm mạch phần ứng động cơ được xác định theo công thức Umanxki – Lindvit
(H) = 1,4 (mH)
*Trong đó :
Lấy = 0,25 là hệ số lấy cho động cơ điện một chiều có cuộn bù.
1. Tính chọn tiristor
Việc tính chọn Tiristor sẽ được dựa vào các yếu tố cơ bản như : dòng điện tải, điều kiện tỏa nhiệt, điện áp làm việc, các thông số cơ bản của van, và việc tính chọn Tiristor được tính như sau :
a. Điện áp ngược lớn nhất mà Tiristor phải chịu
(V)
*Trong đó :
là hệ số điện áp ngựơc của van, (bảng 8.1 [1]);
là hệ số điện áp chỉnh lưu, (bảng 8.1 [1]).
b. Điện áp ngựơc của van cần chọn
(V)
Lấy (V).
*Trong đó :
KdtU = 1,7 là hệ số dự trữ điện áp, với KdtU = (1,6 2).
c. Dòng điện làm việc của van
(A)
*Trong đó :
là hệ số dòng điện hiệu dụng của chỉnh lưu cầu ba pha.
Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt và có đủ diện tính tản nhiệt, không có quạt gió đối lưu không khí, ứng với điều kiện này thì dòng điện định mức của van cần chọn là :
(A)
Ta lấy Iđmv = 441,2 (A).
*Trong đó :
Ki - hệ số dự trữ dòng điện. Với điều kiện làm việc của van ta đã chọn như trên thì
Ilv = (10 30 )%.Iđmv. Do vậy ta chọn Ilv = 25%.Iđmv, suy ra Ki = 4.
d. Chọn Tiristor
Từ các thông số Unv, Iđmv đã xác định ở trên, để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, nên ta chọn van có cánh tản nhiệt với đầy đủ diện tích tỏa nhiệt. Tra bảng phụ lục 2 [1], ta chọn 12 Tiristor loại DCR645PR44DS có các thông số như sau :
-Điện áp ngược cực đại của van : Unv max = 400 (V).
-Dòng điện định mức của van : Iđmv =450(A).
-Dòng điện đỉnh cực đại : Ipik max = 7800 (A).
-Dòng điện xung điều khiển : Ig max = 150 (mA).
-Điện áp xung điều khiển : Ug max = 3 (V).
-Dòng điện duy trì : Ih max = 500 (mA).
-Dòng điện rò : Ir max = 35 (mA).
-Sụt áp lớn nhất trên Tiristor ở trạng thái dẫn : Umax = 2 (V).
-Tốc độ biến thiên điện áp : ().
-Tốc độ biến thiên dòng điện :
-Thời gian chuyển mạch của Tiristor : tcm = 50 (s).
-Nhiệt độ làm việc cực đại : Tmax = 125 (0C).
2. Tính chọn máy biến áp
Chọn kiểu máy biến áp là máy biến áp khô 3 pha, 3 trụ có sơ đồ đấu dây ∆/Υ, là mát bằng không khí tự nhiên. Việc chọn sơ cấp đấu ∆ có tác dụng sẽ triệt tiêu được sóng điều hòa bậc 3 nên dạng sóng điện áp sẽ sine hơn. Dựa vào các thông số của tải và bộ chỉnh lưu ta tính được các thông số cơ bản của máy biến áp.
*Công suất biểu kiến của máy biến áp Sba
Sba = Ks.Pdmax (2.5)
Trong đó: - Ks là hệ số công suất của máy biến áp;với cầu 3 pha thì
Ks = 1,05
Pdmax = Uđm .Id =220. 191 = 42020 (W) là công suất cực đại của tải
Thay vào (2.5) ta được: Sba = 1,05. 42020 = 44121 (W) = 44,121 (KVA)
Vậy ta chọn công suất thiết kế của máy: Sba = 45 (KVA)
*Điện áp pha sơ cấp U1f
U1f = Ulưới = 380 (V) ; do sơ cấp được đấu ∆
*Điện áp pha thứ cấp U2f
Với Udo = ; U2f = Uđm + 2∆Uv + ∆Uba + ∆Udn
Trong đó:
∆Uv = 2 V – là sụt áp trên mỗi tiristor
∆Uba – là sụt áp trên máy biến áp, chọn
∆Uba = 6%Uđm = 0,06. 220 = 13,2V
∆Udn – là điện trở dây nối và có thể bỏ qua, ∆Udn 0
Suy ra:
U2f = 220 + 2.2 + 13,2+ 0 = 237,2 (V)
Với α = αmin = 100 – là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện lưới
Suy ra:
Ud0 = = 223 (V)
*Dòng hiệu dụng thứ cấp I2
I2 = k2.Id =.191 = 156,62 (A)
k2 – là hệ số dòng hiệu dụng thứ cấp; với cầu 3 pha k2 =
*Dòng điện hiệu dụng sơ cấp I1
I1 = Kba.I2 = .I2 = .156,62 = 97,8 (A)
*Tiết diện sơ bộ của trụ
QFe = KQ. (2.6)
KQ – là hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát, với máy biến áp khô thì
KQ = 56 , vậy chọn KQ = 6 ; m = 3 – là số trụ ; f = 50 Hz là tần số điện lưới.
Thay vào (2.6) ta được: QFe = 6. =104 (cm2)
*Đường kính trụ d
d = = 11,5 (cm)
Lấy theo đường kính tiêu chuẩn dtc = 12 (cm)
*Chọn loại thép cho mạch từ
Chọn loại tôn cán lạnh do Nga sản suất mã hiệu 3405. Loại tôn này có mật độ từ cảm cao có thể lên tớn 1,7 Tesla, dễ mua và có các loại 0,27 ; 0,3 ; 0,34 mm. Do máy biến áp là loại máy biến áp khô nên ta chọn tôn có bề dày δ = 0,35 mm và mật độ tự cảm trong trụ là BT = 1,3 T. Sở dĩ ta chọn BT bé là do trong thứ cấp máy biến áp có thành phần một chiều của chỉnh lưu nên mạch từ dễ bị bão hòa.
*Chiều cao cửa sổ mạch từ h
Hệ số hình dáng m = h/d tối ưu trong khoảng từ 23; chọn m = 3
Vậy chiều cao cửa sổ mạch từ là: h = m.d = 3. 12 = 36(cm)
*Số vòng dây một pha sơ cấp W1
W1 = (2-7)
= = 127 (vòng)
*Số vòng dây một pha thứ cấp W2
W2 = . W1 = = 79 (vòng)
*Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp
Với dây dẫn bằng đồng trong máy biến áp khô thì mât độ dòng điện cho phép nằm trong khoảng (2 2,75) A/mm2 ;
chọn J = J1 = J2 = 2,75 (A/mm2).
*Tiết diện dây quấn sơ cấp S1
S1 = = 35,5 (mm2)
d = 6,7(mm)
Mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp là:
J1 = = = 2,78 A/mm2
*Tiết diện dây quấn thứ cấp S2
S2 = = 57 (mm2)
*đường kính dây quấn :d =
Mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp là:
J2 = = = 2,75 A/mm2
*Kết cấu dây dẫn sơ cấp
Thực hiện dây quấn kiểu quấn đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục
-Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp w1
w11 = .10 23(vòng)
Trong đó:
kc= 0,95 là hệ số ép chặt
h = 36 cm là chiều cao trụ
hg là khoảng cách từ gông đến cuộn sơ cấp; chọn sơ bộ hg = 1,5 cm
-Tính số lớp dây của cuộn sơ cấp và bố trí lại số vòng dây
n1 = = 6 (lớp)
Như vậy số lớp là n1 = 6 lớp. Do có 127 vòng ta chia thành 6 lớp mỗi lớp 25 vòng, hay w11 = 21 vòng
-Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày δ01= 0,1 cm
-Chọn khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp: a01 = 1 cm
-Đường kính trong của cuộn sơ cấp Dt1
Dt1 = dFe + 2.a01 = 12 + 2. 1 = 14 (cm)
-Chọn bề dày cách điện giữa hai lớp cuộn sơ cấp là δ21 = 0,1 mm
-Bề dày cuộn sơ cấp Bd1
Bd1 = (2.d1 + δ21).n1 = (2.0,67 + 0,1).6 = 8,64 (cm)
-Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp Dn1
Dn1 = Dt1 + 2.Bd1 = 14 + 2. 8,64 = 31,28 (cm)
-Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp
Dtb1 = (Dt1 + Dn1) / 2 = (14 + 31,28) / 2 = 22,64 (cm)
-Chiều dài dây quấn sơ cấp l1
L1 = W1.π.Dtb1 = 127.π.22,64.10-2 90,28 m
*Kết cấu dây quấn thứ cấp
-Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp
h2 = h1 = 36 (cm)
-Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp
w22 = = 20(vòn)
Hình2. 14: Các kích thước của cuộn dây và khoảng cách cánh điện
-Số lớp dây quấn của cuộn thứ cấp
n2 = (lớp)
Chọn n2 = 4 lớp. Với 79 vòng ta phân 3 lớp trong 20 vòng vậy
w22 = 16 vòng.
-Đường kính trong của cuộn thứ cấp
Dt2 = Dn1 + 2.a12 = 12 + 2. 1 = 14 (cm)
-Chọn bề dày cách điện giữa hai lớp dây của cuộn thứ cấp
δ22 = 0,1 mm
-Bề dày cuộn thứ cấp
Bd2 = (a2 + δ22).n2 = (2.0.85 + 0,1).4 = 7,2 (cm)
-Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp
Dn2 = Dt2 + 2. Bd2 = 14 + 2. 7,2 = 28,4 (cm)
-Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp
Dtb2 = (Dt2 + Dn2) / 2 = (28,4 + 14) / 2 = 21,2 (cm)
-Chiều dài dây quấn thứ cấp
l2 = W2.π.Dtb2 =79.π.21,2.10-2 = 52,59 (m)
*Điện trở của cuộn sơ cấp ở 750
ρ75 = 0,02133 (Ω.mm2/m) là điện trở suất của đồng ở 750
*Điện trở của cuộn thứ cấp ở 750
*Điện trở của máy biến áp quy đổi về thứ cấp
= 0,03(Ω)
*Sụt áp trên điện trở máy biến áp
∆Ur = Rba.Id = 0,03.191 = 4,2 (V)
*Điện kháng máy biến áp quy đổi về thứ cấp
r = 14 (cm) là bán kính trong của cuộn thứ cấp;
Suy ra: Xba =
= 0,07 (Ω)
*Điện cảm máy biến áp quy đổi về thứ cấp
Lba = Xba / ω = 0,07 / 100π = 0,22.10-3 (H) = 0,22 (mH)
*Sụt áp trên điện kháng máy biến áp
(V)
*Sụt áp trên máy biến áp
(V)
∆Uba% = 4,7 / 220 = 2,1 %
*Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp
(Ω)
*Kiểm tra máy biến áp thiết kế có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến thiên của dòng chuyển mạch
Giả sử quá trình chuyển mạch từ T1 sang T3 ta có phương trình chuyển mạch:
Vậy biến áp đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến thiên của dòng khi van chuyển mạch.
3. Tính toán cuộn kháng lọc
Với các bộ nguồn một chiều thì độ nhấp nhô của điện áp là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng. Đối với bộ nguồn một chiều dùng chỉnh lưu có điều khiển thì điện áp ra có tính chu kì. Điện áp này có thể phân tích thành tổng của điện áp không
đổi và các điện áp điều hòa tần số cao. Chính vì vậy, sẽ xuất hiện thành phần xoay chiều chạy trong mạch gây ảnh hưởng không tốt cho thiết bị điện một chiều. Để hạn chế ảnh hưởng của thành phần xoay chiều thì ta phải đưa vào mạch tải những bộ lọc thành phần xoay chiều, thông thường là dùng cuộn điện kháng để lọc thành phần xoay chiều.
*Xác định góc mở cực tiểu và góc mở cực đại
Chọn góc mở cực tiểu min =100. Với góc mở min là góc mở dự trữ có thể bù được sự suy giảm điện áp lưới.
-Khi góc mở nhỏ nhất = min thì điện áp trên tải là lớn nhất :
Udmax = Udo.cosmin = Udđm ;
và Udmax tương ứng với tốc độ động cơ là lớn nhất : n = nmax = nđm .
-Khi góc mở lớn nhất = max thì điện áp trên tải là nhỏ nhất :Udmin = Udo.cosmax ;
và Ud min tương ứng với tốc độ động cơ nhỏ nhất : n = nmin .
Vậy ta có được :
-Tính Ud min :
+ Tốc độ góc định mức :
(rads)
+ Tốc độ góc nhỏ nhất :
+Trong đó:
Mn min = Mc max = KM.Mđm
Giả sử cho động cơ làm việc với mômen cản lớn nhất và bằng 2 lần mômen định mức. Ta chon hệ số quá tải KM = 2.
-Ta có :
(Wb)
-Mômen định mức :
Mđm = (K.đm).Iđm =1,84.191 = 351,44(N.m)
- Độ cứng đặc tính cơ của động cơ:
Vậy tốc độ góc nhỏ nhất của động cơ là :
(rads)
+ Dải điều chỉnh của động cơ là : D = 10/1
+ Mặt khác ta có :
Suy ra :
= 84 (V)
Mà theo trên ta có :
0
Vậy :
Góc mở nhỏ nhất là : min = 10 0.
Góc mở lớn nhất là : max = 80,40.
*Xác định các thành phần sóng hài
Theo lí thuyết chuỗi Furier thì điện áp chu kì có thể khai triển thành tổng của điện áp một chiều và các thành phần điện áp điều hòa có tần số khác nhau, công thức khai triển như sau :
Trong đó :
ao – điện áp của thành phần một chiều;
ak, bk – biên dộ điện áp của sóng điều hòa bậc k;
Để thuận tiện trong việc khai triển chuỗi Furier, ta chuyển tọa độ sang điểm O’() (tại góc thông tự nhiên), khi đó điện áp tức thời trên tải khi Tiristor T1 và T4 dẫn:
; với .
Điện áp tức thời trên tải Ud là không hình sin và tuần hoàn với chu kì :
Trong đó : p = 6 là số xung đập mạch trong một chu kì điện áp lưới của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng.
Vậy ta có :
Suy ra biên độ của điện áp điều hòa là :
Trong đó :
Ta có :
Vậy :
Nhận xét :
Vậy biên độ của các thành phần sóng điều hòa có giá trị thay đổi theo góc điều khiển , góc điều khiển càng lớn thì sóng hài càng tăng.
a. Xác định điện cảm của cuộn kháng lọc
Từ những phân tích ở trên, ta nhận thấy rằng khi góc mở càng tăng thì biên độ của sóng hài càng lớn, nghĩa là độ đập mạch của điện áp và dòng điện sẽ tăng lên. Chính sự đập mạch đó sẽ làm xấu đi chế độ chuyển mạch của vành góp, đồng thời gây ra tổn hao phụ dưới dạng nhiệt trong động cơ. Để hạn chế sự đập mạch này thì ta phải mắc nối tiếp với phần ứng của động cơ điện một cuộn kháng lọc đủ lớn để có IK 0,1.Iưđm.
Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao, thì cuộn kháng còn có tác dụng hạn chế vùng làm việc gián đoạn.
Ta cần xác định giá trị điện kháng lọc ứng với khi = max, vì lúc này trên tải có sóng hài bậc cao lớn nhất.
Ta có phương trình cân bằng điện áp :
(2-8)
Cân bằng hai vế của phương trình ta được :
Vì nên ta có thể bỏ qua
Vậy ta có: (2 -9)
Trong các thành phần xoay chiều thì thành phần sóng bậc k = 1 có mức độ lớn nhất, gần đúng ta có :
Từ biểu thức (1 - 3) ta có :
; với và .
Suy ra :
Vậy :
Trong đó :
(V)
Vậy : (H)
Ta chọn L = 0,007 (H) = 7 (mH).
*Điện cảm của cuộn kháng lọc :
(mH)
Ta chọn : LK = 2,36 (mH).
Trong đó :Lư – điện cảm mạch phần ứng động cơ được tính theo công thức Umaxki Lindvil đã xác định ở phần tính toán các thông số cơ bản của động cơ, ta có được :
Lư = 1,4(mH).
LBA – điện cảm của máy biến áp.
b. Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc
Các thông số ban đầu :
Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc : LK = 2,36 (mH);
Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng : Im = Iưđm = 191 (A);
Biên độ dòng điện xoay chiều bậc 1:
I1m = 10%.Iđm = 0,1.191 = 19,1 (A).
*Xác định tổng trở của cuộn kháng
Do điện cảm của cuộn kháng lọc lớn và điện trở của cuộn kháng lọc lại bé, nên ta có thể coi tổng trở của cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng.
().
*Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc
(V)
*Công suất của cuộn kháng lọc
(VA)
4. Tính chọn thiết bị mạch bảo vệ mạch động lực
4.1. Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn
Khi làm việc với dòng điện chạy qua van thì trên van có sụt áp, do vậy sẽ có tổn hao công suất trên van P, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác vì van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp, nếu quá nhiệt độ cho phép thì van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt thì ta phải tính chọn và thiết kế hệ thống cánh tản nhiệt để làm mát van bán dẫn.
*Tổn thất công suất trên một Tiristor :
(W)
*Diện tích bề mặt tỏa nhiệt :
(m2)
Trong đó :
P – tổn hao công suất trên van, (W);
KM – hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ, chọn KM = 8 (Wm2.0C);
- độ chênh nhiệt độ so với môi trường. Chọn nhiệt độ môi trường
Tmt = 40 0C. Nhiệt độ làm việc cho phép của Tiristor là Tcp = 125 0C. Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv = 80 0C.
(0C)
*Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước của mỗi cánh là :ah1
Chọn : a = b =10 (cm) = 100 (mm);
h0 = 1 (cm) = 10 (mm);
h1 = 8,5 (cm) = 85 (mm);
h = 95 (mm);
c = 3 (mm);
z = 5,8 (mm).
(Chọn theo trang tài liệu [2] )
Vậy tổng diện tích tản nhiệt của cánh là :
(cm2) = 0,204 (m2)
4.2 Bảo vệ quá điện áp cho van
Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Tiristor được thực hiện bằng cách mắc R, C song song với Tiristor. Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tích tụ trong lớp bán dẫn sẽ phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn. Chính sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược sẽ gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn
trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa Anốt và Katốt của Tiristor. Khi có mạch R, C mắc song song với Tiristor tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Tiristor không bị quá điện áp.
Theo kinh nghiệm, thường chọn :
R2 = ( 5 30 ) ()
C2 = ( 0,25 4 ) (F)
*Ta chọn :
R2 = 5 ()
C2 vệ xung = 0,25 (F)
Bảo điện áp từ lưới điện, ta mạch R – C như hình vẽ sau :
Hình 2.16 sơ đồ nguyên lý thiết bị bảo vệ mạch lực
Nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung điện áp gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Trị số R1, C1 được chọn theo kinh nghiệm :
R1 = ( 5 20 ) ( C1 = 4 (F) Ta chọn : R1 = 10 () C1 = 4 (F)
PHẦN III : THIẾT KẾ MẠCH PHÁT XUNG ĐIỀU KHIỂN
I.THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
*Đặt vấn đề:
Để các van bộ chỉnh lưu có thể mở tại một thời điểm nào đó thì khi đó van phải thỏa mãn hai điều kiện.
- Phải có điện áp thuận đặt lên hai cực katốt (K) và anốt (A) của van
- Trên cực điều khiển (G) và katốt (K) của van phải có điện áp điều khiển, thường gọi là tín hiệu điều khiển.
Để có hệ thống các tín hiệu điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu, người ta sử dụng một mạch điều khiển để tạo ra các tín hiệu đó. Mạch tạo ra các tín hiệu điều khiển gọi là mạch điều khiển. Do đặc điểm của các Tiristor là khi van (Tiristor) đã mở thì việc còn hay mất tín hiệu điều khiển đều không ảnh hưởng đến dòng qua van. Vì vậy để hạn chế công suất của mạch tín hiệu điều khiển và giảm tổn thất trên vùng điện cực điều khiển thì người ta thường tạo ra các tín hiệu điều khiển dạng xung, do đó mạch điều khiển còn được gọi là mạch phát xung điều khiển.
* Chức năng điều khiển của mạch điều khiển:
Tạo ra các xung đủ điều kiện: Công suất, biên độ, thời gian tồn tại để mở các Tiristor (thông thường độ dài xung nằm trong giới hạn từ 200(s) đến 600(s). - Điều chỉnh được thời điểm phát xung điều khiển.
- Phân phối các xung cho các kênh điều khiển theo đúng quy luật yêu cầu.
- Các hệ thống phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu hiện nay đang sử dụng được phân làm hai nhóm chính:
+ Nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ: Các xung điều khiển xuất hiện trên cực điều khiển của các Tiristor đúng thời điểm cần mở van và lặp đi lặp lại mang tính chất chu kỳ với chu kỳ bằng chu kỳ nguồn điện xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu.
+ Nhóm các hệ thống điều khiển không đồng bộ: Hệ thống điều khiển này phát ra chuối xung với tần số cao hơn rất nhiều so với tần số nguồn điện xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, và trong quá trình làm việc thì tần số xung được tự động để đảm bảo cho một đại lượng đầu ra nào đó. Nhóm các hệ thống điều khiển không đồng bộ này
rất phức tạp nên nó ít được sử dụng, mà hiện nay người ta hay sử dụng các hệ thống điều khiển đồng bộ.
Các hệ thống điều khiển đồng bộ thường sử dụng hiện nay bao gồm có ba phương pháp để thiết kế mạch điều khiển.
- Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha đứng.
- Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha ngang.
- Hệ thống điều khiển chỉnh lưu dùng điốt hai cực gốc.
Trong bản thiết kế này ta thiết kế mạch điều khiển theo nguyên tắc khống chế pha đứng (thuộc nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ). Khi nghiên cứu các mạch phát xung theo nguyên tắc pha đứng, người ta chia các mạch điện hệ thống ra làm ba khối có chức năng khác nhau và được biểu diễn như sơ đồ sau.
Hình 3.1 sơ đồ khối mạch điều khiển
Khối 1: Khối đồng bộ hóa và phát điện áp răng cưa (ĐBH - FXRC).
Khối 2: Khối so sánh (SS).
Khối 3: Khối tạo xung (TX).
* Các đại lượng sử dụng điện áp gồm:
- U1: Điện áp lưới (nguồn) xoay chiều, đồng pha với điện áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu.
- Ur: Điện áp tựa, thường có dạng hình răng cưa.
- Uđk: Điện áp điều khiển, đây là điện áp một chiều có thể thay đổi được biên độ và được lấy từ mạch khuếch đại trung gian đưa tới dùng để điều khiển giá trị góc .
- UđkT: Điện áp điều khiển Tiristor, nó là chuối các xung điều khiển, lấy từ đầu ra của mạch điều khiển truyền tới điện cực điều khiển (G) và katốt (K) của các Tiristor.
Nội dung của phương pháp khống chế là: Điện áp lưới (Ur) và điện áp điều khiển (Uđk) cùng được đưa đến đầu vào khối so sánh (SS). Khi tổng đại sốUr+Uđk= 0 là thời điểm bắt đầu xuất hiện xung ở đầu ra của khâu so sánh cũng là lúc bắt đầu có xung điều khiển để mở Tiristor.
Bằng cách điều chỉnh biên độ điện áp điều khiển (Uđk) có thể điều khiển được thời điểm phát xung điều khiển mở Tiristor (tức là điều chỉnh được góc mở )
Theo mạch động lực, sử dụng hai bộ biến đổi mắc theo sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha, hai bộ biến đổi này mắc song song ngược khống chế theo nguyên tắc độc lập, sử dụng nguồn điện xoay chiều ba pha (Ua, Ub, Uc) cung cấp cho các bộ chỉnh lưu. Như vậy, mạch điều khiển được thiết kế gồm có ba kênh (tín hiệu vào mỗi kênh là điện áp đồng pha với mỗi pha tương ứng của nguồn xoay chiều cung cấp cho các bộ chỉnh lưu). Mỗi kênh điều khiển phát ra hai xung tương ứng với hai nửa chu kỳ của điện áp đồng pha. Để tạo ra các xung tới các bộ biến đổi bằng hệ mạch logic.
Với ba kênh điều khiển như trên sẽ tạo ra được 3 x 2 = 6 xung điều khiển. Do tính chất tương đương của các pha trong nguồn điện xoay chiều ba pha nên 6 xung (do 3 kênh điều khiển phát ra) là hoàn toàn giống nhau, song giữa các xung kề nhau xuất hiện lệch nhau những góc 600 điện. Vậy với 6 xung như trên sẽ đảm bảo để điều khiển 6 Tiristor trong sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha theo đúng theo đúng quy luật yêu cầu. Vì các kênh phát xung điều khiển là hoàn toàn giống nhau và làm việc với nguyên lý như nhau. Nên ta chỉ cần phân tích cho 1 kênh là đủ 2 kênh còn lại được suy ra hoàn toàn tương tự.
1. Khối đồng bộ hóa và phát xung răng cưa (ĐBH- FXRC):
Mạch phát xung răng cưa đảm nhận chức năng tạo ra điện áp tựa có dạng hình răng cưa biến đổi một cách sao cho chu kỳ trùng với chu kỳ của các xung ở đầu ra của mạch phát xung. Điện áp răng cưa để điều khiển mạch phát xung sao cho mạch phát ra một hệ thống các xung điều khiển xuất hiện lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu. Kỹ thuật điện tử đã chỉ ra rằng để tạo ra điện áp răng cưa phù hợp tần số và góc pha của nguồn xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu, thì tốt nhất là sử dụng sơ đồ được điều khiển bởi điện áp biến thiên cùng tần số, dạng của
nó có thể là bất kỳ. Mạch đồng bộ hóa (ĐBH) sẽ đảm bảo điều kiện chức năng tạo ra điện áp điều khiển nói trên.
I.1. Mạch đồng bộ hóa:
Mạch đồng bộ hóa (mạch điều khiển ở trên sử dụng Mạch đồng bộ hóa dùng cho máy biến áp đồng bộ (BAĐ) để tạo ra 3 điện áp đồng bộ pha với 3 pha
nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu)
Với việc sử dụng biến áp đồng bộ (BAĐ) có tổ nối dây Y/Y như trên mà máy biến áp động lực (BA) có tổ nối dây Y/Y nên điện áp đồng bộ (uđb) lấy ra ở phía thứ cấp của BAĐ hoàn toàn trùng pha với các pha điện áp của nguồn điện xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu. Điện áp đồng bộ (uđb) được dịch chậm pha đi một góc 300 điện bởi mạch tụ điện và điện trở R - C gọi là mạch dịch pha.
Hình 3.2 Mạch đồng bộ hoá và giản đồ điện áp
Mục đích của việc dịch pha tín hiệu đồng bộ chậm đi một góc /6 (300 điện) là nhằm thống nhất trị số điều khiển của Tiristor ứng với điện áp nguồn trên mạch động lực và góc điều khiển ở mạch phát xung và như vậy có thể điều khiển các Tiristor với trị số góc điều khiển nhỏ. Ta biết rằng góc mở tự nhiên của các Tiristor được tính lại vị trí giao nhau của hai điện áp pha kề nhau và góc điều khiển được tính từ thời điểm đó trở đi. Giao điểm nói trên (điểm ứng với góc mở tự nhiên ở vị trí chậm sau điểm bắt đầu của các nửa chu kỳ điện áp pha 300 điện). Mặt khác góc điều khiển ở mạch phát xung được tính từ điểm bắt đầu của điện áp tựa răng cưa (cũng là điểm bắt đầu của các nửa chu kỳ điện áp đồng bộ hóa) đến vị trí mà Ur + Uđk = 0. Do đó việc dịch điện áp đồng bộ (uđb) chậm đi góc 300 điện sẽ làm thỏa mãn khi góc điều khiển = 0 cũng tương ứng với góc mở của Tiristor.
I.2. Mạch tạo xung răng cưa:
Hình 3.3 Mạch tạo xung răng cưa
Mạch tạo xung răng cưa được sử dụng đó là mạch gồm: Vi mạch KĐTT IC1 mắc kết hợp với các phần tử chức năng (tụ điện, điện trở) theo sơ đồ của mạch tích phân. Mạch tích phân có sử dụng khóa khống chế là Tranzitor. Nghiên cứu cho thấy với một mạch tích phân như trên nếu tín hiệu đầu vào là các xung hình chữ nhật thì tín hiệu đầu ra nhận được các xung có dạng hình răng cưa với các sườn rất tuyến tính. Để tạo ra các xung hình chữ nhật. Mạch phát xung có sử dụng các Tranzitor Tr1 Tr4 mắc với nhau thành một mạch liên hợp, kết hợp với các phần tử logic (hoặc - đảo) hay NOR để biến điện áp đồng bộ dạng sóng hình sin thành các xung hình chữ nhật. Sơ đồ nguyên lý của mạch tạo xung hình chữ nhật và phát xung răng cưa như hình 3.2.
*) Nguyên lý hoạt động của mạch tạo xung chữ nhật:
Mạch tạo xung chữ nhật bao gồm các Trazitor Tr1 Tr4, phần tử logic "hoặc - đảo" G1 và các điện trở R3 R5 . Tín hiệu điện áp đồng bộ hóa
(đã dịch pha) uđbd được nối và cực gốc và cực phát của 2 Tranzitor Tr3 và Tr4 tạo thành mạch liên hợp như hình trên.
Hình 3.4 Mạch phát xung chữ nhật
Để phân tích nguyên lý hoạt động của mạch ta có khái niệm điện áp ngưỡng đó là trị số điện áp dáng trên nội trở của các linh kiện bán dẫn (kí hiệu ung). Đối với các Tranzitor thì ung = 0,4 0,7 (V). Khi điện áp điều khiển (ube) có trị sốube< ung thì Tranzitor khóa, còn khiube > ung thì Tranzitor mở nhanh chóng đến mức bão hòa. Căn cứ vào các khái niệm trên, nguyên lý làm việc của mạch tạo xung chữ nhật được phân tích như sau: Xét trong một chu kỳ của điện áp đồng bộ (uđbd).
+ Trong nửa chu kỳ dương (0 ):
Khi uđbd< ung thì Tr1 khóa, Tr2 cũng khoá do chịu điện áp điện áp ngược đặt vào mạch phát - gốc. Dưới tác dụng của Ucc qua điện trở định thiên R2 và Tr3 mở, dẫn dòng qua R3 làm Tr4 mở . Do Tr3 và Tr4 mở bão hoà làm thế tại điểm A và điểm B 0 . Hay nói tại A, B có mức lôgic “0” .
Khi uđbd> unv thì Tr1 mở (Tr2 vẫn khóa do chịu điện áp ngược). Tr1 mở dẫn dòng qua Tr4 về (–)Ucc làm Tr3 khoá (thế B-E của Tr3 0) nên điểm A có mức lôgíc “1” , Tr4 mở nên điểm B có mức lôgíc “0”.
ở cuối nửa chu kỳ khi uđbd giảm đếnuđbd< ung, Tr1 khoá nên điểm A lại có mức lôgíc “0” thì hiện tượng xảy ra tương tự ở đầu nửa chu kỳ này (uđbd< ung).
*Kết luận:Điểm A luôn có mức logic “1” khiuđbd> ung
Điểm A luôn có mức logic “0” khiuđbd< ung
Điểm B luôn có mức logic ‘0”.
+ Trong nửa chu kỳ âm: (t = 2)
ở nửa chu kỳ âm này Tr1 chịu điện áp ngược đặt vào mạch phát gốc nên Tr1 khóa dẫn đếnTr3 mở nhờ định thiên R2 nên điểm A luôn có mức lôgíc “0”. Đối với Tr2 cũng
xét tương tự như trường hợp trên. Đầu và cuối của nửa chu kỳ âm này (Uđbd< Ung) thì Tr2 khóa Tr3 mở bão hòa nên điểm B có mức logic “0”.
Khi uđbd> ung thì Tr2 mở, Tr3 khóa làm cho điểm B có mức logic 1.
*Kết luận: Điểm A luôn có mức logic “0”.
Điểm B có mức logic “0” khi Uđbd> Ung
Điểm B có mức logic “1” khi Uđbd< Ung
*Kết luận : Trong một chu kỳ quá trình tạo các xung chữ nhật (ứng với 2 mức lôgíc”0” và “1” ) lặp đi lặp lại theo chu kỳ của điện áp đồng bộ hoá.
Các tín hiệu lấy từ điểm A và B được đưa tới 2 đầu vào của phần tử lôgíc NOR (phần tử hoặc – không). Đầu ra của NOR (điểmC) nhận các mức lôgíc theo phương trình trạng thái của phần tử.
Căn cứ vào kết quả khảo sát trên xác định được mức lôgíc tại đầu ra C của phần tử
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
C
1
0
0
0
C = A + B
Thời gian tồn tại mức lôgíc “1” ở đầu ra rất ngắn (ở thời điểm đầu và cuối của các nửa chu kỳ điện áp đồng bộ khiUđb< Ung), giản đồ điện áp như:
hình vẽ 3.5
*Sơ đồ dùng IC khuếch đại thuật toán tạo xung răng cưa
Hình 3.5. Sơ đồ dùng IC khuếch đại thuật toán
Nguyên lý hoạt động:
Ở nữa chu kỳ dương Tr khoá, điện áp âm qua R3,R4 dẫn tới đầu vào đảo của IC khiến điện áp ra của IC có giá trị dương và tụ C được nạp bởi điện áp đầu ra này. Dòng nạp cho tụ được xác định là: ic = iv - iI nếu IC là lý tưởng thì iv = 0 nên ic = - iI
Nên ic = const và điện áp trên tụ tuyến tính ở nữa chu kỳ âm, D khoá. Tr mở nhờ cặp điện trở định thiên R1, R2 ; tụ C phóng điện qua Tr. Điện áp trên tụ giảm về 0V.
Giản đồ điện áp như hình vẽ:
*Nhận xét: Sơ đồ này có ưu điểm là dạng điện áp tựa rất chính xác, dung lượng của tụ C cần rất nhỏ nên không cần điện trở bảo vệ Tr. Mặt khác, do điện trở đầu ra của IC nhỏ nên dạng điện áp ra hầu như không phụ thuộc vào điện trở tải mắc ở đầu ra của IC. Điện áp ra có dạng gần lý tưởng.
Với việc sử dụng mạch phát sóng răng cưa như trên thì ở đầu ra của mạch nhận được các điện áp răng cưa gần với dạng lý tưởng, sườn trước tăng tuyến tính, sườn sau gần dốc đứng.
Hình3.6 Đồ thị phát xung răng cưa
2. Khâu so sánh:
Để tạo ra một hệ thống các xung xuất hiện một cách chu kỳ với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa (cũng là chu kỳ nguồn xoay chiều của mỗi xung, ta sử dụng các mạch so sánh. Có nhiều mạch khác nhau để thực hiện khâu so sánh phổ biến rất hiện nay là các sơ đồ so sánh dùng Tranzitor và dùng khuếch đại thuật toán bằng vi mạch điện tử. Trong các sơ đồ mạch so sánh thường có hai tín hiệu vào đó là điện áp tựa có dạng răng cưa (Ur), điện áp điều khiển (Uđk) là tín hiệu điện áp một chiều có thể thay đổi được biên độ. Hai điện áp Ur và Uđk được đưa vào mạch sao cho tác dụng của chúng đối với đầu vào khâu so sánh là ngược chiều nhau. Có hai mạch nối Ur và Uđk trên đầu vào mạch so sánh như sau:
Hình 3.7 Các sơ đồ mạch so sánh
- Hình 1 nối nối tiếp Ur và Uđk (tổng hợp nối tiếp)
- Hình 2 nối song song Ur và Uđk qua các điện trở tổng hợp (tổng hợp song song).
Dùng vi mạch cho phép xác định góc chính xác hơn do các vi mạch có hệ số khuyếch đại rất lớn và bão hoà rất nhanh. Trong bản đề tài này, mạch điều khiển dùng khâu so sánh với sơ đồ sau:
Điện áp răng cưa Urc lấy từ đầu ra của bộ phát sóng răng cưa.
Điện áp điều khiển Uđk được lấy từ đầu ra của bộ khuyếch đại trung gian đặt trên R8.
Điện áp chuyển dịch Uo được đặt trên R10 để chuyển dịch điện áp răng cưa sao cho khi Uđk = 0 thì xung điều khiển phát ra với gía trị góc điều khiển bằng 900 với Uo = 0,5 Urcmax.
Như vậy điện áp vào khối so sánh là Uv = Urc
*Nguyên lý làm việc của khâu so sánh:
Khâu so sánh gồm 3 điện áp đưa vào đầu vào. Điện áp điều khiển Uđk là tín hiệu ra của mạch khuếch đại trung gian (KĐTG), được sử dụng mạch phát sóng răng cưa làm điện áp tựa. Điện áp (-)Uo lấy trên R10 do nguồn chỉnh lưu bên ngoài cung cấp. Trị số (-)Uo thoả mãn điều kiện Uo +Urc = 0 tại thời điểm = / 2 tại (Uđk = 0). KĐTT (IC2) làm việc ở chế độ bão hoà nghĩa là nó có thể biến đổi tức thì giá trị điện áp trên đầu ra của nó từ mức bão hoà âm sang dương hay ngược lại khi tín hiệu vào đổi dấu. Khi đó tổng đại số Uo + Urc so sánh với Uđk sẽ có các trường hợp sau:
Urc +Uo +Uđk < 0 Ura =UE > 0 IC2 có mức bão hoà dương
Urc +Uo +Uđk = 0 Bắt đầu lật trạng thái
Urc +Uo +Uđk > 0 Có mức bão hoà âm
Như vậy: Điện áp của mạch so sánh là dạng xung có hai mức bão hòa dương và bão hòa âm. Các xung điện áp này được đưa tới đầu vào của khâu tạo xung.
3. Khâu tạo xung:
Để đảm bảo các yêu cầu về độ chính xác của thời điểm xuất hiện xung, sự đối xứng của các xung ở các kênh khác nhau. Nên thường thiết kế cho khâu so sánh làm việc với
công suất xảy ra nhỏ, do đó xung ra chưa đủ các thông số yêu cầu. Để khắc phục các vấn đề này thì mạch điều khiển cần phải sử dụng khâu tạo xung. Khâu tạo xung bao gồm các mạch sau.
-Mạch sửa xung
-Mạch khuếch đại xung
-Mạch truyền xung đến Tirstor (thiết bị đầu ra)
-Mạch phân chia xung.
3.1 Mạch sửa xung:
Xuất phát từ nguyên lý hoạt động của khâu so sánh, thấy rằng khi thay đổi trị số uđk để thay đổi góc điều khiển thì độ dài của các xung ra của khâu so sánh thay đổi. Như vậy là sẽ xuất hiện tình trạng có một số trường hợp độ dài xung quá ngắn không đủ để mở các Tiristor hoặc độ dài xung quá lớn, gây tổn thất lớn trong mạch phát xung. Mạch sửa xung được đưa vào nhằm để khắc phục các vấn đề trên. Mạch sửa xung được làm việc theo nguyên tắc khi có xung vào với các độ dài khác nhau nhưng mạch vẫn cho xung ra có độ dài bằng nhau theo yêu cầu và giữ nguyên thời điểm bắt đầu xuất hiện của mỗi xung.
Mạch sửa xung: được sử dụng sơ đồ hình 3.7:
Hình 3.8 Sơ đồ mạch sửa xung
Trong đó Uv là điện áp đầu vào của mạch, đó chính là điện áp (xung) ở đầu ra của khâu so sánh (điểm E) có hai mức bão hòa dương và âm trong mạch sửa xung này hai phần tử C2 và R11 sẽ quyết định độ dài của xung ra (Ura).
* Nguyên lý làm việc của mạch:
Khi điện áp vào (Uv) có mức bão hòa dương (tức là tín hiệu điện áp ra của khâu so sánh có mức bão hòa dương) cùng với sự có mặt của định thiên R12 làm cho Tranzitor
Tr6 mở bão hòa và tụ C2 nạp điện theo đường +Uv (điểm E) C2 R11 Tr6. Tr6
Hính 3.9 Đồ thị thể hiện thời gian tồn tại xung
mở bão hòa dẫn đến điểm F có mức logic “0” (Ura = 0). Mức logic “0” này của điểm F tồn tại suất trong quá trình Uv bão hòa dương.
Khi điện áp đầu vào ở mức bão hòa âm (Uv < 0) tức là theo (+C2) nguồn Ucc D1 R11 (- C3). Chính dòng phóng của tụ C2 sẽ đặt thế âm lên mạch phát gốc của Tranzitor Tr6 làm cho Tr6 khóa dẫn đến điểm F có mức logic 1 nghĩa là ở đầu ra nhận được xung ra. Do điện trở ngược của Tr6 rất lớn nên Ura Ucc. Khi tụ C2 phóng hết điện tích nó sẽ được nạp theo chiều ngược lại. Nhờ có R12 mà Tr6 lại được đặt điện áp thuận lên mạch phát gốc nên Ura = 0 (điểm F có mức logic “0”). Mặc dù có còn xung âm ở đầu vào nhưng tụ C2 đã phóng hết điện tích nên nó không còn tác dụng đến đầu vào điều khiển (mạch phát - gốc) của Tr6 nên Tr6 mở bão hòa nhờ định thiên R12. Như vậy thời gian tồn tại được xác định theo biểu thức.
tx = R11. C2 .ln2
Độ dài của xung ra chỉ phụ thuộc vào giá trị của R11 và C2 do đó các xung ra luôn có giá trị không đổi.
Giản đồ điện áp minh họa như hình3.8
3.2 Mạch chia xung :
Trong một chu kỳ điện áp đồng bộ, 1 kênh phát xung điều khiển sẽ tạo ra 2 xung ứng với 2 nửa chu kỳ của điện áp đồng bộ. Hai xung này lệch nhau 1800 độ điện. Mỗi xung được sử dụng để điều khiển riêng 1 Tiristor trong sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha. Như vậy ta cần phải tách riêng 2 xung trong cùng một kênh phát xung đó ra.
Hinh 3.10 Sơ đồ khâu chia xung
Để thực hiện mạch tách người ta có thể sử dụng nhiều lĩnh vực bán dẫn và vi mạch điện tử khác nhau. Đối với mạch phát xung điều khiển đã trình bày ở trên hình 14 ta sử dụng mạch chia xung gồm các phần tử logic "và" (AND). Tín hiệu đầu ra (Y) của phần tử AND nhận các mức tín hiệu logic theo phần tử trạng thái.
Y = X1. X2
Đầu vào của phần tử là các tín hiệu của mạch tạo xung điện áp chữ nhật (điểm A và điểm B ở sơ đồ trước, lấy ở cực góp của Tr3 và Tr4) có 2 mức lôgíc “0” và “1” trong nửa chu kỳ của điện áp đồng bộ hoá. Điểm F (trên cực góp Tr6) có mức lôgíc “0” và “1” cũng tương ứng với các nửa chu kỳ của điện áp đồng bộ hoá . Như vậy mỗi kênh phát xung sử dụng 2 phần tử AND để tách riêng 2 xung trong chu kỳ của điện áp đồng bộ hoá.
Sơ đồ biểu diễn như sau :
Xp1 = A.F, Xp2 = B.F
Trong nửa chu kỳ dương của điện áp đồng bộ hoá , sau một góc điều khiển
Thì F = “1” ; A = “1” ; B = “0” nên nhận được Xp1 = 1 còn Xp2 = 0
Trong nửa chu kỳ âm , sau góc điều khiển thì F = 1 ; A = 0 ; B = 1 nên ta
Nhận được Xp1 = 0 còn Xp2 = 1
Như vậy, với mỗi một kênh phát xung sử dụng mạch tách xung như trên đảm bảo tách riêng rẽ được các xung ra mà thời điểm xuất hiện của xung không thay đổi. Các xung sau khi tách ra được đưa đến các thiết bị đầu ra truyền xung đến các Tiristor tương ứng.
3.3 Thiết bị đầu ra và mạch khuếch đại xung:
* Thiết bị đầu ra: (mạch truyền xung ra đến Tiristor)
Thông thường có 2 cách truyền xung tử đầu ra hệ thông điều khiển mạch điện cực
G - K của Tiristor là truyền xung trực tiếp và truyền xung qua máy biến áp xung.
Bản thuyết minh này sử dụng phương pháp truyền xung qua máy biến áp xung. Đây là phương pháp truyền xung nhiều nhất hiện nay vì nó có thể khắc phục được các nhược điểm của phương pháp truyền xung trực tiếp, đó là:
+ Đảm bảo sự cách ly tốt về điện giữa mạch động lực và mạch điều khiển bộ chỉnh lưu.
+ Dễ dàng thực hiện việc truyền đồng thời các xung đến các Tiristor mắc nối tiếp nhau hoặc song song bằng cách dùng máy biến áp xung có nhiều cuộn thứ cấp.
+ Dễ dàng phối hợp giữa điện áp nguồn cung cấp cho tầng khuếch đại công suất xung và biên độ xung cần thiết trên điện cực điều khiển của Tiristor nhờ việc chọn tỷ số máy biến áp xung cho phù hợp.
- Máy biến áp xung (BAX) về cơ bản kết cấu giống như máy biến áp bình thường công suất nhỏ. Hoạt động của BAX tương tự như MBA làm việc với dòng điện áp không sin hoặc có thể xác định như là phi tuyến và sẽ bằng không khi từ trường lõi thép BAX đặt giá trị bão hòa. BAX có mạch từ rất chóng bão hòa, nó chỉ hoạt động trong những khoảng thời gian ngắn.
*Mạch khuếch đại xung:
Để khuếch đại công suất của xung điều khiển, hiện nay phổ biến nhất là các sơ đồ khuếch đại bằng Tiristor và Tranzitor. Bản thiết kế này sẽ sử dụng Tranzitor làm mạch KĐX là phổ biến và dễ dàng thực hiện.
Sơ đồ nguyên lý của mạch đại xung như hình vẽ sau:
Hình 3.11 Sơ đồ mạch khuyếch đại xung
Tín hiệu đầu vào (Uv) củamạch khuếch đại xung, là tín hiệu điện áp ở xung đầu ra mạch chia xung gửi tới. Thiết bị đầu ra được sử dụng là biến áp xung (BAX).
Sơ đồ mạch khuếch đại xung sử dụng 2 Tranzitor ghép kiều Darlingtơr (mắc nối tiếp hai Tranzitor).
Hai Tranzitor Tr7 và Tr8 mắc nối tiếp tương đương với một Tranzitor có hệ số khuếch đại dòng điện của 2 Tranzitor thành phần: = 1 + 2 . Trong đó 1 và 2 là hệ số khuếch đại dòng điện theo sơ đồ cực phát chung của Tr7 và Tr8.
*Chức năng của các phần tử trong sơ đồ như sau:
- D2 là điốt có tác dụng xuất giảm các dòng điện qua cuộn dây sơ cấp MBAX (w1), làm xuất hiện xung điện áp âm trên cuộn w1 điện áp âm này sẽ đặt cực thuận lên D2 làm D2 thông. Do vậy dòng sơ cấp máy biến áp xung lúc đó không giảm đột ngột mà vẫn được duy trì qua D2, nên xung điện áp xuất hiện trên các cuộn dây cũng có giá trị nhỏ.
- D3 là điốt cũng có tác dụng khép mạch xung âm như D2 (như ở phía thứ cấp máy BAX). Vì xung âm ở w1 sẽ cảm ứng sang w2 sức điện động và sinh ra xung âm đặt cực thuận lên D3.
- D4 là điốt có tác dụng ngăn xung âm có thể có tới cực điều khiển của Tiristor như các Tranzitor khác.
- R14, R15 là điện trở có tác dụng hạn chế xung áp đầu vào
- R16 là điện trở có tác dụng hạn chế dòng điện colector.
- R17 là điện trở và kết hợp với D3 có tác dụng để giải thoát và tiêu tán xung âm.
* Nguyên lý làm việc của sơ đồ:
Tín hiệu vào của mạch khuếch đại xung (Uv) là tín hiệu ra của mạch gửi xung đây là tín hiệu logic có 2 mức logic “0” và “1”. Để phân tích nguyên lý hoạt động của sơ đồ ta gọi.
- txv: Thời gian tồn tại của một xung điện áp vào.
- tbh: Thời gian tính từ lúc có dòng điện một chiều qua cuộn sơ cấp máy BAX (khi Tr7 và Tr8 mở bão hòa) đến lúc từ thông lõi thép của BAX đặt giá trị từ thông bão hòa.
- txr: Thời gian tồn tại 1 xung điện áp ra
+ Xét trường hợp tbh > txv.
Trong khoảng t = 0 t1 lúc này chưa có xung vào (Uv = 0) không có dòng chảy qua cuộn sơ cấp BAX không nhận xung (UđkT = 0).
Khi t = t1 bắt đầu xuất hiện xung vào (Uv >0) làm cho Tr7 và Tr8 mở bão hòa, nên cuộn w1 đột ngột chịu điện áp Ucc, suất hiện dòng qua cuộn w1 có giá trị tăng dần, do đó cảm ứng sang phía thứ cấp (W2) của BAX 1 xung điện áp. Với cực tính của hai cuộn dây như ở hình -18 thì xung xuất hiện bên W2 sẽ đặt cực thuận nên D4 và truyền qua D4 đến cực điều khiển (G) và katốt (K) của Tiristor.
Khi t = t1 + txv = t2 (lúc này mạch từ chưa bão hòa), mất xung vào (Uv = 0) làm cho hai Tranzitor Tr7 và Tr8 đồng thời khóa lại, thông qua w1 giảm về không. Do đó có sự giảm dần của dòng điện sẽ xuất hiện xung có cực tính ngược lại (xung âm) xung này cảm ứng sang W2 điện áp đặt cực ngược lại (xung âm này cảm ứng sang W2 điện áp đặt cực ngược vào D3 nên không có xung tới các cực của Tiristor tức là Uđk1 = 0).
Khi đó xung này khép vòng qua D3 và R17, năng lượng của nó sẽ tiêu tán trên R17. Nhờ có D2 và D3 mà không xuất hiện điện áp tự cảm rất lớn trên dây quấn sơ thứ của BAX.
+ Xét trường hợp tbh > txv.
Trong khoảng từ 0 t1: chưa có xung ở đầu vào (Uv = 0) nên Tr7 và Tr8 khóa do đó không có dòng điện qua W1 nên phía thứ cấp w2 không có xung cảm ứng sang, kết quả là không có xung điều khiển Tiristor (Uđkt = 0).
Khi t = t1 thì bắt đầu có xung áp vào (Uv > 0) làm cho Tr7 và Tr8 mở (hai Tranzitor mở bão hòa), Trên cuộn sơ cấp BAX (W1) đột ngột chia điện áp Ucc và có dòng tăng dần đi qua. Với các cực tính cuộn dây như hình 18 thì phía thứ cấp BAX (W2)có xung đặt cực thuận nên điốt D4 và truyền qua đến cực điều khiển (G) và Katốt (K) của Tiristor.
Khi t = t1 + tbh thì mạch từ BAX bị bão hòa, nên tử thông lõi thép không biến thiên dẫn đến xung cảm ứng trên các cuộn dây mất, do đó mất xung đến các cực Tirisitor
(Uđk1 = 0).
Khi t = t1+ txv = t2 mất xung áp vào (Uv = 0) dẫn đến Tr7 và Tr8 cũng khóa theo dòng qua W1 giảm dần về không. Sự giảm dần của dòng qua W1 làm từ thông trong lõi thép BAX biến thiên theo hướng ngược lại, do vậy xuất hiện xung điện áp âm trên cuộn W1 các xung điện áp âm này cũng bị khử dần nhờ D2 và D3 như đã trình bày ở trên.
*Kết luận: Thời gian làm việc của mạch từ máy BAX có ảnh hưởng rất lớn đến độ dài của xung ra điều khiển của Tiristor. Trong trường hợp tbh > txv thì độ dài của xung ra đúng bằng độ dài của xung vào (txt = txv). Còn trong trường hợp tbh < txv thì độ dài của xung ra đúng bằng thởi gian để cho mạch từ của máy BAX bão hòa (txt = tbh).
Vậy cần phải cho BAX có thời gian bão hòa của mạch từ đủ lớn
4. Khâu phản hồi âm dòng điện
Để tránh dòng điện trong động cơ tăng quá mức cho phép khi khởi động, hãm, đảo chiều hay gặp quá tải ta sử dụng mạch điện để hạn chế dòng điện phần ứng. ở đây ta sử dụng mạch phản hồi âm dòng điện. Sơ đồ mạch điện như hình vẽ:
Máy biến dòng TI cách ly giữa mạch động lực và mạch điều khiển. Điện áp ra của TI được chỉnh lưu nhờ cầu ba pha ( để đảm bào cho dòng điện trong cuộn sơ cấp của TI là xoay chiều ). Tín hiệu phản hồi dòng điện được lấy một phần trên biến trở R rồi được đưa vào lọc và khuếch đại bởi IC1; IC2. Điện áp âm trên điện trở R4 có tác dụng như một ngưỡng; điện áp đầu ra IC2 được tính như sau:
Ta chọn R5 = R6
là hệ số phân áp.
Hình 3.12. Khâu phản hồi âm dòng
Khi IU < Ing, điện áp đầu ra IC2 có dấu dương nên các điốt khoá, mạch phản hồi chưa có tác dụng.
Khi IU > Ing, điện áp ra có giá trị âm, lúc này mạch phản hồi dòng điện tham gia khống chế góc mở làm giảm dòng phần ứng.
5. Khâu phản hồi âm tốc độ
Đối với hệ truyền động ngoài yêu cầu về phạm vi điều chỉnh tốc độ thì ổn định tốc độ khi làm việc cũng rất quan trọng. Trong hệ truyền động này ta thiết kế mạch phản hồi âm tốc độ để năng cao độ đặc tính cơ.
Hình 3.13. Khâu phản hồi máy phát tốc
Tốc độ động cơ được truyền đến máy phát gốc. Máy phát gốc là một máy phát điện một chiều có điện áp ra tỉ lệ với tốc độ động cơ. Tín hiệu phản hồi lấy trên WR4 và đưa vào khâu tổng hợp tín hiệu (KĐTG) xử lý.
Ta thiết kế mạch phản hồi âm tốc độ để nâng cao độ đặc tính cơ. Phản hồi âm tốc độ vừa ổn định được tốc độ của hệ truyền động vừa tự động điều chỉnh gia tốc của hệ khi khởi động. Tốc độ động cơ được truyền đến máy phát tốc. Máy phát tốc là một máy phát điện một chiều có điện áp ra tỉ lệ tốc độ động cơ. Tín hiệu phản hồi âm tốc độ được lấy từ máy phát tốc FT nối cùng với động cơ. Tín hiệu này tỉ lệ tuyến tính với tốc độ động cơ.
Trong đó: OA3: khâu tổng hợp và khuyếch đại (K).
OA4: tổng hợp và khuyếch đại (KI).
OA5: dựng để lấy trạng thái theo yêu cầu.
Ucđ: điện áp chủ đạo.
* Nguyên lý hoạt động:
Tín hiệu đầu vào OA3 là tín hiệu chủ đạo và phản hồi âm tốc độ, các tín hiệu đó được tổng hợp và khuyếch đại lên (K) làn đồng thời được đảo dấu rồi đưa đến đầu vào OA4. Tín hiệu này được đảo dấu lần nữa và đưa tới đầu vào khối so sánh kênh điều khiển ngược nhờ OA5 .
Từ thiết kế từng khâu của mạch điều khiển ở trên ta ghép lại thành sơ đồ nguyên lý của hệ thống.
6. Mạch nguồn nuôi một chiều
Hình 3.14 Sơ đồ nguồi nuôi tạo điện áp một chiều
Nguồn nuôi tạo điện áp 12V để cấp nguồn nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Bộ chỉnh lưu CL1 và CL2 để tạo ra điện áp nguồn nuôi đối xứng cho IC. Điện áp đầu ra của ổn áp chọn 12V. Điện áp đầu vào của IC ổn áp chọn 20V. Điện áp thứ cấp cuộn dây a1, b1, c1 là : Chọn 14V. Vì mạch ổn áp 7812 và 7912 có các thông số chung:
- Điện áp đầu vào: UVào = 7 35V
- Điện áp đầu ra: IC 7812 có Ura = 12V; IC 7912 có Ura = - 12V
- Dòng điện đầu ra: Ira = 0 1A
Tụ C1, C2 dùng lọc thành phần sóng dài bậc cao
Chọn C1 = C2 = C3 = C4 = 470 F, U = 35V
II. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tần số khuếch đại ngược trở lên.
Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristor. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển:
Điện áp ngược van UnV = 400 (V)
Dòng điện định mức van Idmv = 450 (A)
Đỉnh xung dòng điện Iđx = 7800 (A)
Dòng điện xung điều khiển Iđk = 0,25 (A).
Điện áp xung điều khiển Uđk = 3 (V)
Dòng điện rò IR = 0,035 (A)
Sụt áp trên Tiristor ở trạng thái dẫn U=2 (V).
Tốc độ biến thiên điện áp du/dt = 300()
Thời gian chuyển mạch tcm = 50 ()
Tốc độ biến thiên dòng điện di/dt = 100().
Độ rộng xung điều khiển tx = 167 () – tương đương với 30 điện.
Tần số xung điều khiển fx = 3 (kHz).
Độ mất đối xứng cho phép
Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển U = (V).
Mức sụt biên độ xung sx = 0,15
1. Tính biến áp xung
Chọn vật liệu làm lõi sắt là Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có (T), (A/m) , không có khe hở không khí.
Tỷ số MBA xung thường là m = 2 – 3, ta chọn m =3.
Điện áp cuộn thứ cấp MBA xung: U2 = Uđk =3 (V).
Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp MBA xung:
U1 = m.U2 = 3.3 = 9 (V).
Dòng điện thứ cấp MBA xung:
I2 = Iđk = 0,25 (A).
Dòng điện sơ cấp MBA xung:
I1 = I2 /m = 0,25/3 = 0,083 (A).
2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng
Chọn transistor công suất loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số:
Transistor loại p-n-p vật liệu bán dẫn Si.
* Tính chọn khâu tổng hợp tín hiệu
Khâu tổng hợp tín hiệu chỉ có nhiệm vụ tổng hợp tín hiệu mà không yêu cầu có hệ số khuếch đại lớn. Sơ bộ chọn hệ số khuếch đại của khâu này bằng 2; KTH = 2
*Tính chọn khâu hạn chế góc mở của bộ biến đổi
Hình 3.15 Sơ đồ góc mở của bộ biến đổi
Từ hình vẽ ta thấy được quan hệ
Ở phần trước ta chọn do đó góc phải 150 . Tức là
(V).
Với uđkmax = 5 (V), uTGmax = 13 V
3. Tính khâu so sánh
Khuếch đại thuật toán A2 của khâu so sánh chọn IC loại TL084 có các thông số
Điện áp nguồn nuôi : Vccmax = 18 V. Chọn Vcc = 12 V
Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: 30 V
Nhiệt độ làm việc: T = - 25o C 85 oC
Công suất tiêu thụ: P = 680 mW = 0,68 W
Tổng trở đầu vào: Rin = 106 ( M )
Dòng điện đầu ra: Ira = 30 (pA)
Tốc độ biến thiên điện áp cho phép:
*Chọn :Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc = 12 V thì điện áp vào A2 là Uv 12V. Dòng điện vào được hạn chế để Iv < 1mA. Chọn R4 = R5 = 15K. Khi đó dòng vào A2 là:
4. Chọn cổng and cho khâu khâu chia xung
Toàn bộ mạch điều khiển phải dùng 12 cổng AND nên ta chọn hai IC loại 4081 họ CMOS. Mỗi IC có cổng AND có các thông số sau :
Nguồn nuôi IC Vcc = 318 V.
Chọn Vcc = 12 V .
Nhiệt độ làm việc: - 40o 80o .
Điện áp ứng với mức logic 1: 2 4,5 V
Dòng điện nhỏ hơn 1 mA .
Công suất tiêu thụ P = 2,5 (mW / 1 cổng )
5. Tính chọn các khâu phản hồi
Ổn định hóa tốc độ trong truyền động máy mài có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện các chỉ tiêu chất lượng hệ truyền động. Biện pháp để ổn điịnh tốc độ làm việc là tăng độ cứng đặc tính cơ bằng điều khiển theo mạch vòng kín.
Xét khâu tổng hợp mạch vòng âm tôc độ
Hình 3.16 Sơ đồ khâu tổng hợp mạch vòng âm tốc độ
Tín hiệu phản hồi âm tốc độ được cấp từ máy phát tốc (FT :máy phát điện một chiều có nam châm vĩnh cửu ) điện áp của nó luôn tỷ lệ tuyến tính với tốc độ cơ.
So sánh giá trị đặt đầu với mức phản hồi cho tín hiệu sai lệch để ổn định tốc độ đặt của động cơ
Trong đó :
A5 :Khâu tổng hợp và khuyếch đại.(KCO)
Tính hiệu phản hồi âm tốc được tổng hợp với tín hiệu chủ đạo thông qua khuếch đại thuật toán cho tín hiệu ra đư đến tổng hợp với khâu phản hồi âm dòng có ngắt Chọn máy phát tốc một chiều có các thông số sau:
Chọn máy phát tốc TM-100-1000 có:
Mã hiệu
Pđm(W)
Uđm(V)
Iđm(A)
nđm(v/ph)
Rư(Ω)
32/1YU
115
230
0,5
1000
7,34
Hệ số của máy phát tốc:
= 0,23
Do điện áp ra của khuếch đại thuật toán Ur Ecc= 12V nên ta điều chỉnh biến trở Rs1 sao cho U 12 V. vậy = ≤ = 0,012; vậy chọn = 0,01
6.Khâu phản hồi âm dòng có ngắt
Do khi sử dụng phẩn hồi âm tốc để ổn định tốc độ đối với chỉnh lưu tiristo thì vấn đề khi tốc độ động cơ biến thiên ngay lập tức gây nên sự tăng giảm quá mức của dòng điện phần ứng và của tiristor à không thể chấp nhận được. Do đó cần phản hạn chế dòng điện một cách tự động, ta dùng khâu phản hồi âm dòng có ngắt
Trong sơ đồ : A6 là các bộ khuyếch đại thuật toán. tín hiệu phản hồi dòng được lấy trên điện trở điều chỉnh R thông qua bộ biến dòng và bộ chỉnh lưu cầu 1 pha .Sau đó vào đầu vào A6 để so sánh với Udk bởi điot D10
Khâu ngắt có tác dụng khi có quá dòng phaanf uwngs tawng quá dòng ngắt khâu ngắt tác dụng để hạn chế dòng điện
Chọn loại biến dòng loại 150:5 , cấp chính xác 0,5
Hệ số của biến dòng: PI = = 0,03
Chọn nguồn tạo điện áp ngắt dòng:
Dòng điện cần hạn chế của động cơ được chọn theo yêu cầu khởi động với tải cụ thể. Vậy ta chọn dòng điện ngắt của đặc tính với động cơ một chiều là:
Ing = 1,5.Iđm = 1,5.191 = 286 (A)
Điện áp ngắt: Ung = 0,1.Ing = 0,03.286 = 8,6 (V).
Muốn giới hạn được dòng điện Igh = 1,5.Iđm ta cần chọn nguồn cấp -E sao cho ta khống chế Ung có điện áp là 9 V.
Điện áp phản hồi dòng điện đưa vào A3 là đầu ra A4 sau khi khuếch đại, trong quá trình khởi động thì đầu ra A4 rơi vào vùng bão hòa nên có điện áp xấp xỉ bằng điện áp nguồn cấp cho A4 là Ubh Ucc = 12V. vậy ta có:
= = 0,03
II. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG