5. ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM
3.2. THIẾT KẾ GIAO DIỆN MODULE
Trải qua quỏ trỡnh nghiờn cứu và tỡm hiểu nhúm chỳng em đó tham khảo cỏc mụ hỡnh thớ nghiệm trong và ngoài nƣớc, đặc biệt là thiết bị của phũng TN – ĐTCS trƣờng ĐHSPKT Hƣng Yờn. Trờn nền ý tƣởng đú kết hợp với cỏc thiết bị sẵn cú trong nƣớc nhúm nghiờn cứu đó thiết kế giao diện cú dạng nhƣ hỡnh vẽ:
MODEL: TNCL2012-V1 D4 T4 D1 T1 D6 T6 D3 T3 D2 T2 D5 T5 1 W 1W 1 W 1W L1 L2 L3 INPUT ~3-48V-50HZ MODUL MẠCH CHỈNH LƯU CễNG SUẤT
0.1μF 100μF – 50V 4700μF – 50V 180μF – 400V MODEL: DKCL2012-V1 G1 A1 K1 G4 A4 K4 K2 A2 G2 K5 A5 G5 G3 A3 K3 G6 A6 K6 SW1 L1 L2 L3 N + - UPB: 0….10V INPUT ~3-48V-50HZ MODUL ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU - ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU
90 0 30 60 120 150 180 α X1 X4 X3 X5 X6 X2 GND UPB OFF SW2 ON OFF
Hỡnh 3.1: Sơ đồ giao diện module
3.3. Cỏc thụng số của động cơ.
- Cụng suất Pđm = 200W. - Điện ỏp Uđm = 220VDC.
- Dũng Iđm = 1A - Cụng suất Pđ = Uđm.Iđm = 220.1=220W. - Tốc độ định mức nđm = 2000 vũng/phỳt. - Hiệu suất ηđm = P Pđ=200 220 = 0,9 - Điện trở phần ứng 𝑅ư = 0,5. 1 − 𝜂 𝑈đ𝑚 𝐼đ𝑚 = 0,5. 1 − 0,9 .220 1 = 11𝛺 - Tốc độ động cơ: ωđm =Uđm−IđmRƣ KΦđm =nđm 9,55 =2000 9,55 = 209,42 rad/s (*) Từ phƣơng trỡnh (*), ta cú: KΦđm =Uđm − IđmRƣ ωđm = 220 − 1.11 209,42 = 1
Dựa vào đồ thị hỡnh 1.3a ta thấy dũng ngắn mạch xảy ra khi tốc độ ω = 0, từ phƣơng trỡnh (*) ta tớnh đƣợc dũng ngắn mạch ( Dũng khởi động): Inm =Uđm R = 220 11 = 20A Momen ngắn mạch: Mnm = K.Φ.Inm = 1.20 = 20 Nm Tốc độ khụng tải lý tƣởng ( khi I= 0): ω0 = Uđm KΦđm =220 1 = 220 rad/s 3.4. Thiết kế mạch động lực.
a) Tớnh chọn mạch động lực bộ biến đổi AC-DC.
Mạch động lực đƣợc thiết kế đảm bảo thực hiện điều khiển đƣợc phụ tải là động cơ đó cho. Ngoài ra nhúm đƣa thờm ý tƣởng là mạch cú thể thực hiện với cỏc bài thớ nghiệm một pha khụng và cú điều khiển, ba pha khụng và cú điều khiển với một số loại tải. Cỏc van cụng suất đƣợc bố trớ nhƣ trờn phần dao diện và đƣợc gắn sau mặt dao diện tại vị trớ ghi ký hiệu.
Tớnh chọn Thyristor và Điode dựa và cỏc yếu tố dũng tải, sơ đồ đó chọn, điều kiện tản nhiệt tự nhiờn, điện ỏp làm việc. Cỏc thụng số của van đƣợc tớnh nhƣ dƣới đõy:
Van động lực cần chọn cú thụng số:
Điện ỏp ngƣợc của van: Ulv = knv .U2 với U2 = Uđ/kU ; cho sơ đồ chỉnh lƣu cầu một pha điều khiển đối xứng:
knv = 2; kU =
2 2
thay vào ta cú: Ulv= Knvan.
2 2 d U = 2. 2 2 220 = 345,4 (V)
Dũng điện làm việc của van cần cú: Ilv= Ihd = Khd. Id=
2 1
.1 = 0,7 (A)
Trong đú: Ulv - điện ỏp cực đại khi làm việc [V];
Ilv, Ivhd - dũng điện làm việc và dũng điện hiệu dụng của van [A]; kU - hệ số điện ỏp của sơ đồ;
Khd=
2 1
- hệ số dũng điện hiệu dụng;
Thụng số cần cú của van động lực là:
Ungmax = kdtU . Ulv = 2 . 345,4 = 691,2 V (chọn hệ số dự trữ kdtU = 2)
Iđmv = ki . Ilv = 4 . 0,7= 5,92 A (chọn hệ số dự trữ dũng điện Ki= 4 )
( Với điều kiện làm mỏt đó chọn Ilv = (10 40)% Iđmv ở đõy chọn Ilv = 40% Iđmv vỡ kiểu dỏng dạng module khụng gian hẹp .
Từ phần tớnh toỏn trờn căn cứ thiết bị cú sẵn trờn thị trƣờng nhúm chỳng em chọn van diode N5408 và van thyritstor BT151. Cỏc thụng số chi tiết đƣợc cho trong datasheet.
Thyristor loại BT151 cú cỏc thụng số nhƣ sau:
- Điện ỏp ngƣợc cực đại của van: Ungmax= 800 V
- Dũng điện định mức của van: Iđmvan= 7,5 A
- Dũng điện của xung điều khiển: Iđk= 15 (mA)
- Điện ỏp của xung điều khiển: Uđk= 0,6 (V)
- Dũng điện rũ: Irũ= 0,1 mA
- Sụt ỏp lớn nhất của van ở trạng thỏi dẫn: Uvan= 1,6 V
- Tốc độ biến thiờn điện ỏp:
t u d d
= 500 V/às
- Tốc độ biến thiờn dũng điện:
t i
d d
= 180 V/às
3.5. Thiết kế mạch điều khiển.
Hệ thống điều khiển cỏc bộ chỉnh lƣu phải tạo ra cỏc xung điều khiển cấp cho tiristor trong mạch lực. Cỏc xung điều khiển phải đảm bảo đƣợc phạm vi điều chỉnh của gúc α thụng thƣờng α thay đổi trong khoảng 00
ữ 1800.
3.5.1. Chức năng và cấu trỳc của hệ thống điều khiển bộ biến đổi ( BBĐ):
Là biến đổi tớn hiệu điều khiển thành xung điều khiển tƣơng tự với gúc mở tiristor. Xung điều khiển thƣờng:
Cú biờn độ từ 2 ữ 10V
Độ rộng của xung đƣợc tớnh theo biểu thức: Tx =
dt di Idt
Trong đú: Idt là dũng duy trỡ tiristor.
dt di
tốc độ tăng trƣởng dũng tải.
Bộ biến đổi gồm hai phần: Mạch động lực và mạch điều khiển.
Mạch động lực chứa cỏc phần tử nhƣ tiristor, GTO, tranzitor cụng suất lớn. Cỏc van cụng suất này chỉ hoạt động đƣợc nếu hệ thống điều khiển tạo ra những xung điều khiển tƣơng ứng với những thời điểm thớch hợp.
Mạch điều khiển gồm hai phần chớnh:
+ Phần chứa thụng tin về quy luật điều khiển, thực hiện chức năng khỏc nhau tựy thuộc vào cấu trỳc BBĐ cũng nhƣ lĩnh vực ứng dụng.
+ Phần năng lƣợng tạo ra tớn hiệu đủ cụng suất để đúng mở đƣợc cỏc van động lực.
3.5.2. Cỏc yờu cầu cơ bản đối với hệ thống điều khiển.
+ Xung phải đảm bảo đủ cỏc yờu cầu để mở van: - Đủ biờn độ Ux.
- Đủ độ rộng tx.
- Sƣờn xung ngắn Ts = 0,5 1s.
+ Đảm bảo tớnh đối xứng với cỏc kờnh điều khiển. + Đảm bảo cỏch ly giữa mạch lực và mạch điều khiển.
+ Cú thể hạn chế đƣợc gúc α, khụng phụ thuộc vào sự thay đổi của điện ỏp lƣới. + Khụng gõy nhiễu đối với cỏc hệ thống điều khiển điện tử khỏc ở xung quanh. + Cú khả năng bảo vệ quỏ ỏp, quỏ dũng, mất pha… và bỏo tớn hiệu khi cú sự cố. Dựa vào cỏc yờu cầu cơ bản trờn, để đảm bảo cho cỏc van của 2 BBĐ mở tại thời điểm mong muốn ta cần phải cú mạch điện phỏt ra cỏc xung điều khiển đƣa đến mở cỏc tiristor tại cỏc thời điểm yờu cầu nhƣ: Biờn độ, tần số, cụng suất và thời gian tồn tại để mở chắc chắn cỏc van với mọi tải mà sơ đồ gặp phải khi làm việc để làm đƣợc điều đú ta phải đi thiết kế mạch phỏt xung điều khiển.
Chọn phƣơng phỏp phỏt xung:
Với mạch động lực nhƣ đó chọn ở phần trƣớc để đỏp ứng đƣợc yờu cầu điều khiển cỏc tiristor của bộ biến đổi ngƣời ta cú 3 phƣơng phỏp phỏt xung điều khiển nhƣ sau:
- Phƣơng phỏp điều khiển theo pha ngang: Phƣơng phỏp này cú ƣu điểm là cú mạch điều khiển đơn giản nhƣng cú một số nhƣợc điểm là phạm vi điều khiển gúc mở α khụng rộng. Rất nhạy với sự thay đổi của điện ỏp nguồn và khú tổng hợp tớn hiệu điều khiển.
- Phƣơng phỏp điều khiển theo diode 2 cực gốc: Mạch phỏt xung phƣơng phỏp này đơn giản nhƣng nú cú nhƣợc điểm là chỉ phự hợp với hệ thống cụng suất nhỏ, đảo chiều khú khăn. Cho nờn trong thực tế ngƣời ta ớt dựng.
- Phƣơng phỏp điều khiển theo nguyờn tắc pha đứng: Phƣơng phỏp này tuy cú mạch phỏt xung phức tạp nhƣng đỏp ứng đƣợc cỏc yờu cầu chỉ tiờu chất lƣợng: + Độ rộng xung dảm bảo yờu cầu làm việc.
+ Tổng hợp tớn hiệu dễ dàng.
+ Gúc mở α của tiristor cú thể thay đổi đƣợc trong khoảng rộng.
+ Độ dốc sƣờn trƣớc của xung đảm bảo cú hệ số khuếch đại phự hợp, làm việc tin cậy chớnh xỏc với độ nhạy cao.
+ Cú thể điều khiển đƣợc hệ cú cụng suất lớn.
Để đỏp ứng đƣợc yờu cầu cụng nghệ cũng nhƣ cỏc chỉ tiờu về chất lƣợng làm việc chỳng ta chọn phƣơng phỏp điều khiển theo pha đứng để phỏt xung đều khiển.
Hỡnh 3.3. Sơ đồ khối của mạch phỏt xung điều khiển.
Hệ thống phỏt xung này gồm cỏc khối chức năng sau:
- Khối I: Là khối đồng bộ húa và phỏt súng răng cƣa.
- Khối II: Là khối so sỏnh.
- Khối III: Là khối tạo xung. Trong đú:
- UL~: Là điện ỏp lƣới xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lƣu. ĐBH – FSRC SS TX UL˜ ~ I II III UđkT Urc Uđk
- Urc: Là điện ỏp răng cƣa.
Uđk: Là điện ỏp điều khiển mạch phỏt xung điều khiển, là điện ỏp một chiều (
Uđk quyết định gúc điều khiển α ).
- UđkT: Là điện ỏp điều khiển tiristor, là chuỗi cỏc xung điều khiển lấy từ đầu ra hệ thống điều khiển và đƣợc truyền đến cực điều khiển G và K của tiristor. Chức năng của cỏc khõu.
+ Khõu đồng bộ húa và phỏt súng răng cƣa: Cú nhiệm vụ tạo ra điện ỏp tựa Urc tuyến tớnh trựng pha với điện ỏp Anot (cực G) của Thyristor (triac).
+ Khõu so sỏnh: Nhận tớn hiệu điện ỏp tựa và điện ỏp điều khiển. Cú nhiệm vụ so sỏnh giữa điện ỏp tựa với điện ỏp điều khiển Uđk. Tỡm thời điểm hai điện ỏp bằng nhau(Uđk= Urc). Tại thời điểm hai điện ỏp này bằng nhau thỡ phỏt xung điều khiển ở đầu ra để gửi sang tầng tạo xung và khuếch đại xung.
+ Khõu tạo xung và khuếch đại xung: Cú nhiệm vụ tạo xung phự hợp để mở Thyristor. Xung để mở Thyristor cần cú cỏc yờu cầu: Sƣờn trƣớc dốc thẳng đứng để đảm bảo mở Thyristor tức thời khi cú xung điều khiển (Thƣờng gặp là xung kim hoặc xung chữ nhật) đủ độ rộng (với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của Thyristor). Cỏch ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực (nếu điện ỏp động lực quỏ lớn) đủ cụng suất.
Nguyờn lý hoạt động.
Tớn hiệu điện ỏp cung cấp cho mạch điều khiển đƣợc đƣa đến khối đồng pha. Đầu ra của khối này cú điện ỏp thƣờng là hỡnh sin cựng tần số và cú thể lệch pha một gúc xỏc định so với điện ỏp nguồn. Điện ỏp này gọi là điện ỏp đồng bộ Vđb . Đầu ra của mạch phỏt điện răng cƣa ta cú cỏc điện ỏp răng cƣa đồng bộ về tần số và gúc pha với điện ỏp đồng bộ. Cỏc điện ỏp này gọi là điện ỏp răng cƣa Vrc. Điện ỏp răng cƣa Vrc đƣợc đƣa vào đầu vào của khối so sỏnh. Tại đú cú một tớn hiệu khỏc nữa là điện ỏp một chiều điều chỉnh lấy từ ngoài. Hai tớn hiệu này đƣợc mắc với cực tớnh sao cho tỏc động của chỳng lờn mạch so sỏnh là ngƣợc chiều nhau. Khối so sỏnh làm nhiệm vụ so sanh hai tớn hiệu này. Tại thời điểm hai tớn hiệu này bằng nhau thỡ tớn hiệu đầu ra khối so sỏnh là cỏc xung xuất hiện với chu kỳ của Vrc . Xung răng cƣa cú hai sƣờn trong đú cú một sƣờn mà tại đú thỡ đầu ra khối so sỏnh xuất hiện một xung điện ỏp thỡ sƣờn đú là sƣờn sử dụng . Vậy ta cú thể thay đổi thời điểm của xung xuất hiện tại đầu ra khối so sỏnh bằng cỏch thay đổi Vđk khi giữ nguyờn dạng của Vrc
Trong một số trƣờng hợp xung ra khối so sỏnh đƣợc đƣa ngay đến đầu cực của thiết bị cần điều khiển nhƣng trong đa số cỏc trƣờng hợp thỡ tớn hiệu ra khối so sỏnh chƣa đủ yờu cầu cần thiết. Ngƣời ta phải thực hiện việc khuếch đại thay đổi lại hỡnh dỏng xung. Cỏc nhiệm vụ này đƣợc thực hiờn bởi một mạch gọi là mạch xung. Đầu ra của khối tạo xung và khuếch đại xung sẽ đƣợc một chuỗi xung điều khiển cú đủ cỏc thụng số yờu cầu về cụng suất, độ dài, độ dốc mặt đầu của xung. Tại thời điểm bắt đầu xuất hiện cỏc xung hoàn toàn trựng với thời điểm xuất hiện xung trờn đầu ra khối so sỏnh.
Ngày nay cỏc mạch cổ điển nhƣ trờn thƣờng đƣợc thay thế bằng cỏc IC tớch hợp đầy đủ cỏc khõu, với kết cấu nhỏ gọn, giỏ thành rẻ và đạt đƣợc độ chớnh xỏc rất cao. IC TCA 785 là một vi mạch như vậy.
3.5.3. Sơ đồ nguyờn lý cấu trỳc hệ thống điều khiển.
Điều khiển tiristor trong sơ đồ chỉnh lƣu hiện nay thƣờng gặp là điều khiển theo nguyờn tắc thẳng đứng tuyển tớnh, nội dung của nguyờn tắc này nhƣ sau:
Khi điện ỏp xoay chiều hỡnh sin đặt vào anot của tiristor, để cú thể điều khiển đƣợc gúc mở α của tiristor trong vựng điện ỏp dƣơng anot ta cần tạo một điện ỏp tựa dạng tam giỏc, ta thƣờng gọi điện ỏp tựa là điện ỏp răng cƣa Urc nhƣ vậy điện ỏp tựa cần cú trong vựng điện ỏp dƣơng anot.
Dựng một điện ỏp một chiềuUđk so sỏnh với điện ỏp tựa tại thời điểm điện ỏp tựa bằng điện ỏp điều khiển ( Urc = Uđk ) trong vựng điện ỏp dƣơng anot thỡ phỏt xung điều khiển để mở .
Hỡnh 3.4. Sơ đồ cấu trỳc của hệ thống điều khiển
Mạch phỏt xung Mạch trộn xung Khuếch đại và cỏch ly UđkT Mạch tạo xung chựm UL~ Nguồn cấp mạch điều khiển Chọn xung
3.5.3.1. Khối nguồn cấp cho mạch điều khiển.
Mạch cấp nguồn cho TCA785, IC74LS08N, NE555, rơle cỏc mạch phõn ỏp và khuếch đại với dũng tiờu thụ rất nhỏ chỉ vài trăm mA. Nờn ta thiết kế sơ đồ mạch cấp nguồn với cầu dioode 1A, mạch ổn ỏp dựng IC7812T và IC7805 với dũng làm việc lớn nhất là 1A cú sơ đồ nguyờn lý nhƣ hỡnh 3.5. Với cỏc thụng số chi tiết cho trong datasheet:
Thụng số diode:
Hỡnh 3.5: Sơ đồ nguyờn lý mạch nguồn cấp cho bộ điều khiển bộ biến đổi AC-DC.
3.5.3.2. Mạch phỏt xung điều khiển bộ biến đổi AC-DC.
Mạch phỏt xung chủ đạo cú thể sử dụng nhiều phƣơng phỏp khỏc nhau nhƣ mạch tạo dao động dựng tụ, mạch dựng OA, mạch dựng IC tớch hợp hay mạch dựng điều khiển theo thời gian…. ở đõy chỳng em sử dụng điều khiển dựng IC tớch hợp TCA785 với cỏc thụng số sau:
TCA785:
Vi mạch TCA 785 là vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của một mạch điều khiển: Tạo điện ỏp đồng bộ, tạo điện ỏp răng cƣa, so sỏnh và tạo xung ra. TCA 785 do hang Simen chế tạo đƣợc sử dụng để điều khiển cỏc thiết bị chỉnh lƣu, thiờt bị điều chỉnh dũng xoay chiều.
+ Đặc trưng:
- Dễ phỏt hiện việc chuyển qua điểm khụng. - Phạn vi ứng dụng rộng rói
- Cú thể dựng làm chuyển mạch điểm khụng. - Tƣơng thớch LSL.
- Cú thể hoạt động 3 pha (3IC). - Dũng điện ra 250 mA.
- Miền dốc dũng lớn. - Dải nhiệt độ rộng. + Nhiệm vụ:
Tạo ra xung điều khiển mở thyristor với gúc mở α giảm dần để tăng điện ỏp tải đến điện ỏp phúng điện.
a. Kớ hiệu:
b. Chức năng cỏc chõn của TCA785: Chõn Kớ hiệu Chức năng 1 GND Chõn nối đất 2 Q2 Đầu ra 2 đảo 3 QU Dầu ra U 4 Q1 Đầu ra 1 đảo 5 VSYNC Tớn hiệu đồng bộ 6 I Tớn hiệu cấm 7 QZ Đầu ra z
8 VREF Điện ỏp chuẩn
9 R9 Điện ỏp tạo xung răng cƣa
10 C10 Tụ tạo xung răng cƣa
11 V11 Điện ỏp điều khiển
12 C12 Tụ tạo độ rộng xung
13 L Tớn hiệu điều khiển xung ngắn, xung rộng
14 Q1 Đầu ra 1
15 Q2 Đầu ra 2
c. Sơ đồ cấu trỳc bờn trong của TCA785:
d. Dạng súng dũng điện, điện ỏp của TCA785: 10 10 V V 11 V 10 V V 0 2 . 15Q V 1 . 14Q V 2 . 15Q V 1 . 14Q V 2 . 2Q V 1 . 4Q V QU V3.