Đối t-ợng Biến đổi Tổng hợp Khuếch đại Khâu chấp hành +Sơ đồ khối + Sơ đồ nguyên lý Hình: 4.6 + Nguyên tắc hoạt động
- Khi nguồn hoạt động bình th−ờng (có cả ba pha theo đúng thứ tự A, B, C) Tín hiệu đ−ợc lấy trực tiếp từ các pha của nguồn xoay chiều ba pha có Ud= 380V; Up= 220V. Động cơ đ−ợc cấp điện từ nguồn ba pha qua một cầu dao ba pha đ−ợc điều khiển bởi mạch bảo vệ điện tử.
Trong sơ đồ này, các điôt D1, điện trở R1 và điện trở ổn áp Dz1 của pha A tạo thành mạch chỉnh l−u và ghim điện áp. Trên đầu vào 2 của phần tử NAND N1A (ứng với nửa chu kỳ d−ơng của điện áp pha A) sẽ có xung với biên độ 12V và độ rộng xung bằng nửa điện áp nguồn. Các phần tử t−ơng ứng của pha B và pha C cũng tạo nên các xung t−ơng tự pha A nh−ng lệch pha nhau 1/3 chu kỳ (t−ơng ứng với góc pha là 1200). Tổ hợp của các phần tử N1A, mạch tạo xung C1R4, phần tử NOT K1A và K4A tạo nên một tín hiệu ứng với s−ờn âm của xung bởi mạch chỉnh l−u, ghim pha A có biên độ bằng 12V và độ rộng xung chỉ phụ thuộc vào tham số của mạch tích phân đ−a vào đầu vào một của mạch AND V1A. Tín hiệu này đ−ợc tổ hợp với tín hiệu xung 12V độ rộng xung T/2 ứng với nửa chu kỳ d−ơng của pha B. Trên đầu ra của V1A sẽ có một tín hiệu giống nh− trên đầu vào 1của nó nếu nguồn đủ pha và các pha của nguồn đúng thứ tự định tr−ớc. Quá trình diễn ra t−ơng tự ở pha B và pha C nh−ng khoảng thời gian lần l−ợt chậm sau 1/3 chu kỳ tính từ pha A. Lần l−ợt các đầu ra của mạch AND N2A, N3A sẽ có xung ra ở mức cao, các xung lệch pha nhau về thời gian là 1/3T (về góc pha là 1200).
Điôt D4 đóng vai trò mạch cộng đ−a tín hiệu của ba xung qua tụ lọc C4. Tụ lọc C4 có tác dụng san bằng điện áp trung bình của ba xung này để đ−a vào cực bazơ của tranrito T. Tranrito T đ−ợc tính toán sau cho dòng điện vào IB thoả mãn điều kiện UBE ≥ UBEbh thì T làm việc ở chế độ mở bão hoà. Lúc này đầu ra X sẽ có xung, xung này đ−ợc đặt vào cực B của tranzito T1 làm cho T1 phân cực thuận. Đồng thời đầu ra X1 cũng có tín hiệu ở mức thấp, làm cho T2 phân cực ng−ợc. Tín hiệu tiếp tục qua N5A và đặt một điện áp thuận lên cực bazơ của các tranzito T8, T9, T10, tranzito thông làm cho các điôt của optotriac phát sáng sẽ tác động làm triac dẫn. Cấp xung điều khiển mở các triac TA4,
TA5, TA6. Cấp điện nguồn cho động cơ. Lúc này mạch hoạt động bình th−ờng.
- Khi nguồn mất một pha
Ta vẫn xét trong một chu kỳ T, giả sử mất pha C.
ở pha A, quá trình diễn ra nh− khi nguồn cấp điện bình th−ờng (có cả ba pha), tức là sau 1/3T thì đầu ra của mạch AND V1A có một xung ra ở mức cao.
ở pha B, do mất tín hiệu ở pha C nên không có tín hiệu đ−a vào chân của mạch AND V2A do đó ở đầu ra của V2A không có xung ra.
ở pha C, không có tín hiệu đ−a vào chân 1 của mạch AND V3A nên tại đầu ra của V3A không có xung ra.
Nh− vậy, mạch cộng D4 chỉ có một xung duy nhất ở pha A qua tụ lọc C4 đ−a vào cực bazơ của tranzito T, tín hiệu này không đủ để T mở, T bị khoá nên tín hiệu không đ−ợc đặt lên cực bazơ của tranzito T1 nên tranzito T1 phân cực ng−ợc không cho dòng đi qua. Đồng thời lúc này đầu ra của X1 có tín hiệu đặt lên cực B của T2, làm T2 phân cực thuận nh−ng do mất pha C nên tranzito T3 phân cực ng−ợc không cho dòng qua toàn bộ hệ thống phía sau không hoạt động. Động cơ đ−ợc ngắt ra khỏi nguồn ngừng hoạt động.
Với phân tích t−ơng tự nh− trên, nếu xảy ra mất các pha khác, động cơ sẽ không đ−ợc cấp điện nên ngừng hoạt động đảm bảo an toàn cho toàn bộ hệ thống vận hành.
- Khi thứ tự pha bị thay đổi
Giả sử thứ tự pha lúc này là ACB.
Pha A khi có tín hiệu đ−a vào đầu vào 1 của V1A, thì đầu vào 2 của V1A không có tín hiệu vì pha C đang ở nửa chu kì âm do đó đầu ra của V1A không có tín hiệu ra.
Tại pha B khi có tín hiệu đ−a vào đầu vào 1 của V2A thì do pha C đang ở nửa chu kì âm nên không có tín hiệu vào chân 2 của V2A, đầu ra của V2A không có tín hiệu ra.
Tại pha C khi có tín hiệu đ−a vào đầu 1 của V3A thì do pha A đang ở nửa chu kì âm nên nên không có tín hiệu vào chân 2 của V3A, đầu ra của V3A không có tín hiệu.
Nh− vậy khi thứ tự pha của nguồn bị thay đổi thì không có tín hiệu ra của các cổng AND V1A, V2A, V3A do đó tụ C4 không đ−ợc nạp điện nên T bị khoá, ở đầu X không có tín hiệu nên tranzito T1 phân cực ng−ợc và không cho dòng đi qua, lúc này các tranzito T2, T3, T4 phân cực thuận. tín hiệu qua cổng AND N4A đ−ợc đ−a tới cực bazơ của các tranzistor T5, T6, T7. Tranzito thông làm cho các điôt của optotriac phát sáng sẽ tác động làm triac dẫn. Cấp xung điều khiển mở các triac TA1, TA2, TA3. Đảo lại thứ tự pha của nguồn điện (đang bị đảo thứ tự pha) động cơ vẫn quay theo chiều cũ.
Trong sơ đồ điôt D5 có tác dụng loại trừ điện áp ng−ợc đặt lên tranzito T. Ta có dạng xung ra ở các mạch lôgic trong các tr−ờng hợp sau:
+ Tính toán các thông số của mạch bảo vệ
Chúng ta tính toán mạch bảo vệ cho động cơ không đồng bộ của Nga có: Pđm= 1,5 KW
cosϕ= 0,82
Δ/Υ= 220/380 V
I= 3,8 A
n= 1400 vòng/phút
Yêu cầu khi tính toán cho các linh kiện điện tử là dòng điện và điện áp đặt lên linh kiện điện tử phải nhỏ hơn các giá trị định mức của chúng. Ngoài ra chúng còn phải chịu đựng đ−ợc các yếu tố tự nhiên nh− nhiệt độ, độ ẩm....
Với điôt zerne thì tính toán sao cho điôt zerne không bị hỏng do nhiệt và điện áp phải nhỏ hơn điện áp làm việc của mạch NAND.
Chọn điôt chỉnh l−u D1ữ D6 là loại 1N4007
Chọn điôt zerne DZ1ữ DZ3 có thông số Uz= 12V và Iz= 13mA Tính chọn điện trở hạn chế Rhc (R1, R2, R3) Rhc= R1= R2= R3= z z U U I − = 220 12 13 − = 16,8 K
Chọn mạch NAND (N1A ữ N4A) Là loại 4011 có điện áp làm việc Ulv= 12V
Mạch tích phân gồm tụ điện C và điện trở R, ta chọn: Điện trở R= R4= R5 =R6= 6,8 K
Lúc này ta sẽ tính đ−ợc giá trị của tụ C.
Do xung đ−ợc tạo ra trong 1
2T nên về nguyên tắc tạo ra xung ổn định
thì độ rộng xung phải là tx≤ 1 2T.
Mà T= 1
f = 1
50= 0,02 s
U(t)= 0 khi t→ ∞ hay độ rộng xung tx→ ∞
Lấy giá trị gần đúng ta có: U(tx)= 0,05.E và coi U(tx= 0)= 0 Mà tx= 3τ (Theo tài liệu kỹ thuật xung - V−ơng Cộng) Nên 3τ≤ 1
2 T hay τ≤ 1
6 T = 0,02/6= 0,003333s Mà τ = RC nên C= τ.R-1= 0,0033.6,8-1= 485 nF Vậy chọn C1= C2= C3= 470 nF
Chọn NOT K1Aữ K8A loại 4049 có thông số: Ulv= 12 V Chọn AND V1A ữ V6A loại 4081 có thông số: Ulv= 12V Tụ lọc C4 chọn loại tụ có điện dung 10μF (C4= 10μF) Ta tính toán dòng IB đ−a vào cực bazơ của T
+ Tr−ờng hợp nguồn đúng thứ tự và đủ pha: Điện áp trung bình: Utb=3 0 1 T t Ue dt T α − ∫ Với U= 12V điện áp nguồn
α= 1 RC = 31 9 1 5 6,8.10 .470.10− =319,6.10− Thay số: Utb = 3U. 1( T) e T α α − − = 5 1 0,02 319,6.10 5 3.12 . 1 1 0,02. 319,6.10 e − − − ⎛ ⎞ − ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠= 5,74 V
Điện áp đặt vào cực bazơ của T:
UB= (Utb- UD4). 8 7 8 R R +R = (5,74- 0,7) 10 51 10+ ≈ 0,83 V Từ kết quả trên ta thấy T thông bão hoà sâu.
+ Tr−ờng hợp nguồn mất pha:
Điện áp của một xung: U1tb= 3
tb
U ≈ 1,91 V Điện áp đặt vào cực bazơ của T:
UB= (Utb- UD4). 8 7 8 R R +R = (1,91- 0,7) 10 51 10+ ≈ 0,2 V
Từ kết quả trên ta thấy T ngắt tin cậy Dựa vào cattano của động cơ ta có:
Công suất trên một pha: Pf= Pđm/3 = 1,5/3= 0,5 KW Dòng mở máy: Imm= (5ữ7)In = (5ữ7).3,8= (19ữ26,6) A
Với các thông số vừa tính đ−ợc ta chọn các triac TA1 ữ TA6 là loại 25AC65 của hãng NEC do Nhật Bản chế tạo có:
Ulv= 600 V; Ug = 7 V Ilv =25 A ; Ig= 50 mA Chọn Optotriac OT1 ữ OT6 có thông số sau Input điôt: Điện áp: Uv = 3V
Dòng điện: Iv = 10mA Otput Điện áp ra: Ur= 400V
Dòng điện đầu ra Ir= 100 mA Chọn các điện trở hạn dòng
R26= R27= R28= R29= R30= R31= 220/100= 2,2 K
Chọn các tranzito: T ữ T10 là loại AC110 có VCB= 12V; VCE= 10V VEB= 10V; IC= 50mA β= 100
⇒ IE= IC(1+1
β ) = 50,5 mA ⇒ IB= 50/100= 0,5 mA
Chọn điện trở hạn dòng cho các tranzito:
R14= R16= R18= R20= R22= R24= 12 CE C V I − = 12 10 50 − = 0,4 K Chọn điện trở: R15= R17= R19= R21= R23= R25=12 EB B V I − = 12 10 0,5 − = 40K
Các máy biến áp chọn loại có điện áp vào 220V, điện áp ra là 12 V. Với điều kiện này mạch hoạt động tốt.
+ Sơ đồ mạch in
Kết luận và đề nghị 1. Kết luận
Sau một thời gian nghiên cứu đề tài, mặc dù gặp nhiều khó khăn nh−ng với nỗ lực của bản thân cùng với sự h−ớng dẫn tận tình của thầy giáo ThS. Phạm Việt Sơn đến nay đề tài tốt nghiệp của tôi đã cơ bản hoàn thành. Từ kết quả nghiên cứu đ−ợc trong đề tài "Nhiên cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất". Chúng tôi đ−a ra một số kết luận và đề nghị sau:
Mặt tích cực
- Đề tài đã giới thiệu đ−ợc một cách tổng quan về kinh kiện bán dẫn. - Đề tài đã giới thiệu đ−ợc về động cơ ba pha và dòng điện ba pha. - Tìm hiểu một số ph−ơng pháp bảo vệ động cơ.
- Nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ khi gặp sự cố mất pha hoặc đảo pha dùng bán dẫn công suất.
- Xây dựng mô hình thực, cho hoạt động thử để kiểm nghiệm lại lý thuyết.
Mặt hạn chế
- Do còn rất nhiều hạn chế thời gian cũng nh− năng lực bản thân nên đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong sự đóng ghóp ý kiện của thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp để đề tài này hoàn thiện hơn.
Mặt nhận thức
- Qua quá trình nghiên cứu, tìm hiểu các tài liệu để thực hiện đề tài ngoài những hiểu biết vô cùng quan trọng về sự phát triển của công nghệ tự động hoá, việc ứng dụng của tự động hoá vào sản xuất... Đề tài còn giúp tôi tiếp cận với những kiến thức về truyền động điện, máy điện, điện tử...
- Hơn thế nữa đề tài còn giúp tôi có thêm kiến thức thực tế về áp dụng tự động hoá trong nông nghiệp một lĩnh vực vô cùng quan trọng và cũng là nhiệm vụ của một kỹ s− tự động hoá nông nghiệp.
2. Đề nghị
Nếu tiếp tục đ−ợc nghiên cứu đề tài này thì có thể phát triển thêm một số chức năng bảo vệ nữa nh− thấp áp hoặc quá áp hay ngắn mạch.
Tài liệu tham khảo
1. Máy Điện - Phan Văn Thắng- Tr−ờng ĐHNNI- Hà Nội 2. Cơ sở kỹ thuật điện tử số- ĐH Thanh Hoa Bắc Kinh Ng−ời dịch: Vũ Đức Thọ
3. Truyền Động Điện- Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiên
NXB Khoa học và kỹ thuật
4. Cơ sở kỹ thuật điện- Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật
5. Kĩ thuật điện tử- Đỗ Xuân Thụ Nhà xuất bản Giáo Dục 5. Điện tử công suất- Nguyễn Bính
Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật 6. Kỹ thuật xung- V−ơng Cộng
NXB Đại Học và Trung Học chuyên nghiệp- 1979 7. Linh kiện quang- điện tử- D−ơng Minh Trí
NXB Khoa học kỹ thuật
8.Trang bị điện- điện tử công nghiệp- Vũ Ngọc Hồi Nhà xuất bản Giáo Dục
Mục lục
Mở đầu... 1
Ch−ơng I: một số linh kiện bán dẫn và các mạch logic cơ bản... 3
1.1Điôt... 4
1.1.1 Điôt công suất ... 4
1.1.2 Điôt ổn áp ... 8
1.1.3 điôt phát quang (Đèn LED)... 9
1.2 Tranzito công suất ... 10
1.2.1 Cấu tạo... 10
1.2.1 Nguyên tắc hoạt động... 11
1.2.3 Cách thức điều khiển tranzito... 12
1.2.4 ứng dụng của tranzito công suất... 15
1.2.5 Các thông số kỹ thuật cơ bản của tranzito... 16
1.3 Thyristor ... 17
1.3.1 Cấu tạo... 17
1.3.2 Nguyên lý làm việc ... 18
1.3.3 ứng dụng của thyristor... 21
1.3.4 Các thông số chủ yếu của thyristor. ... 22
1.4 Triac... 23
1.4.1 Cấu tạo... 24
1.4.2 Nguyên lý làm việc ... 24
1.4.3. Đặc tính volt-ampe của triac ... 25
1.4.4 Mạch điều khiển... 26
1.4.5 ứng dụng của triac. ... 28
1.4.6 Các thông số của triac ... 28
1.5 Các phần tử logic cơ bản ... 29
1.5.1 Mạch AND dùng điôt bán dẫn ... 30
1.5.2 Mạch OR ... 31
1.5.4 Mạch điện cổng NAND (Mạch và đảo) ... 35
1.6 Mạch Tích phân... 36
1.7 Mạch Vi phân ... 37
1.8 Bộ ghép quang- opto- Couplers ... 38
1.8.1 Đại c−ơng ... 38 1.8.2 Cơ chế hoạt động... 38 1.8.3 Tính chất cách điện ... 39 1.8.4 Hiệu ứng tr−ờng... 39 1.8.5 Sự lão hoá ... 40 1.8.6 Hệ số truyền đạt ... 40
1.8.7 Bộ ghép quang với phototriac... 40
Ch−ơng 2: giới thiệu về mạch xoay chiều ba pha và động cơ ba pha ... 44
2.1 Mạch điện ba pha ... 44
2.1.1 Dòng điện sin ... 44
2.1.2 Mạch điện ba pha ... 44
2.2 Động cơ ba pha... 45
2.2.1 Khái quát về động cơ không đồng bộ ... 45
2.2.2 Khái quát về động cơ đồng bộ ... 51
Ch−ơng 3: ảnh h−ởng của nguồn điện đến sự làm việc của động cơ ba pha.. 54
3.1 ảnh h−ởng của nguồn đến quá trình khởi động của động cơ ba pha ... 55
3.1.1 ảnh h−ởng của điện áp... 55
3.1.2 ảnh h−ởng của tần số ... 55
3.1.3 ảnh h−ởng của mất pha... 56
3.1.4 ảnh h−ởng của mất thứ tự pha ... 56
3.1.5 ảnh h−ởng của nguồn không đối xứng ... 56
3.2 ảnh h−ởng của nguồn đến sự làm việc của động cơ ba pha ... 57
3.2.1 ảnh h−ởng của điện áp... 57
3.2.2 ảnh h−ởng của tần số ... 57
3.2.4 ảnh h−ởng của nguồn khi mất thứ tự pha và mất pha... 60
Ch−ơng 4: một số ph−ơng pháp bảo vệ động cơ ba pha... 61
4.1 bảo vệ ngắn mạch ... 61
4.2 bảo vệ bằng áp tô mát... 63
4.3 bảo vệ thấp áp, quá áp và mất đối xứng ... 65
4.3.1 Sơ đồ nguyên lý ... 65
4.3.2 Nguyên lý hoạt động ... 67
4.3 Nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất ... 71
4.3.1 Yêu cầu của mạch bảo vệ... 71
4.3.2 Nhiệm vụ của mạch bảo vệ ... 71
4.3.3 Mạch bảo vệ động cơ ... 71
Kết luận và đề nghị... 83
1. Kết luận... 83