Ta có dòng điện hãm khi thực hiện hãm động cơ là: mà: trong đó: R=0,225(): là điện trở phần ứng động cơ =3000(v/p): là tốc độ định mức động cơ =92,5(A)
Ta có:
0,067 Hệ số khuếch đại động cơ:
Suy ra:
1,086 ()
CHƯƠNG 3:
TÍNH TOÁN LỰA CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.1 GIới thiệu chung về mạch điều khiển
- Như ta đã biết điều kiện để cho van chỉnh lưu có điều khiển có thể đóng mở đúng thời điểm đó là có một điện áp thuận đặt vào van bán dẫn đó và katot của van phải có một điện áp được gọi là điện áp điều khiển. Để tạo ra điện áp điều khiển đó ta phải sử dụng một mạch điều khiển nhằm tạo ra các tín hiệu, mạch điều khiển đó được gọi là mạch điều khiển hay hệ thống điêu khiển bộ chỉnh lưu.
- Các xung điều khiển được tính toán về độ dài xung sao cho đủ thời gian cần thiết ( với một đọ dự trữ nhất định ) để mở van với mọi loại phụ tải có thể có. Thông thường độ dài xung nằm trong khoảng từ 200 đến 600 s
- Hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu hiện nay được chia làm hai nhóm : nhóm điều khiển đồng bộ và nhóm điều khiển không dồng bộ. Nhóm đồng bộ đang đucợ phổ biến hiện nay vì vậy ta tiến hành nghiên cứu nhóm này.
Các hệ đồng bộ được sử dụng nhiều hiện nay bao gồm: hệ thống điều khiển theo pha ngang và hệ thống điều khiển theo pha đứng.
Để có thể lựa chọn phương pháp hợp lý nhất ta cần đi tìm hiểu từng phương pháp cụ thể.
3.1.1 Hệ thống điều khiển pha đứng
Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc và giản đồ ví dụ cho phương pháp điều khiển theo pha đứng
Phương pháp này có mạch phát xung điều khiển phức tạp nhưng đáp ứng được các yêu cầu về chỉ tiêu chất lượng xung điều khiển:
+ Độ rộng xung đảm bảo được yêu cầu làm việc + Tổng hợp tín hiệu dễ dàng
+ Góc mở α của thyristor có thể thay đổi được trong khoảng rộng + Độ dốc sườn trước của xung đảm bảo có hệ số khuếch dại phù hợp, làm việc tin cậy chính xác với độ nhạy cao.
+ Có thể điều khiển hệ có công suất lớn
Dựa vào sơ đồ khối của hệ điều khiển theo pha đứng ta có thể chia thành các khối cụ thể:
+ Khối đồng bộ hóa ( ĐBH ) : Thông thường sử dụng ,áy biến áp gọi là điện áp đồng bộ hóa. Biến áp này tạo ra điện áp đồng bộ hóa. Ưu điểm của đồng bộ hóa là cách ly điện áp cao và mạch động lực với mạch tạo xung điều khiển. Cực tính, pha, cuộn dây tha đổi dễ dàng.
+ Khối tạo sóng răng cưa( SRC ) : Tạo ra điện áp tựa để làm chuẩn so sanh với điện áp điều khiển ở khối 3. Điện áp được tạo ra dưới dạng điện áp răng cưa.
+ khối so sánh ( SS ) ; So sánh diện áp tựa ( điện áp răng cưa ) với Udk giao điểm giữ hai điểm này xác định góc mở . Như vậy đầu ra của khối so sánh này xác định góc điều khiển.
+ Khối tạo xung : Xác đinh độ rộng , độ dốc , công suất xung ( biên độ ) thoả mãn để mở T .
+ Khối phân chia xung ( PCX ) : Dẫn xung đến các T . Thông thường dùng BAX cuộn sơ bên TX và cuộn thứ bên T .
Tuy nhiên khi thiết kế ta thường ghép lại thành 3 khối .
Ngoài hai phương pháp trên còn có phương pháp điều khiển dùng điốt hai cực gốc (Tranzito một tiếp giáp) :
Mạch phát xung phương pháp này đơn giản nhưng có nhược điểm là chỉ phù hợp với hệ thống công suất nhỏ, đảo chiều khó khăn. Cho nên trong thực tế ít dùng.
3.1.2. Hệ thống điều khiển pha ngang
Ở phương pháp này người ta tạo ra điện áp điều khiển hình sin có tần số bằng tần số của điện áp nguồn và góc pha điều khiển được. Thời điểm xuât hiện xung trùng với góc pha đầu của điện áp điều khiển. Phương pháp này có mạch điều khiển khá đơn giản nhưng lại có một số nhược điểm sau:
Phạm vi điều chỉnh góc mở hẹp <1800
Khó tổng hợp tín hiệu.
Rất nhạy với sự thay đổi của điện áp nguồn.
Đánh giá chọn hệ thống điều khiển
Từ những phân tích cụ thể đối với từng hệ thống điều khiển .Ta thấy hệ thống điều khiển pha đứng có nhiều ưu điểm phù hợp với công nghệ của đề tài .Do đó ta chọn hệ thống điều khiển pha đứng để thiết kế cho hệ thống.
SVTH: NGUYỄN VŨ HƯỞNG 34
Uđbh Urc Uss UđkT
ĐBH-SRC SS TX
3.1.3 Đánh giá lựa chọn hệ thống điều khiển
Qua phân tích các hệ thống điều khiển ta có thể nhận thấy rằng phương pháp điều khiển theo pha đứng là hợp lý nhất để sử dụng cho bộ chỉnh lưu trong trường hợp này. Vì nó đảm bảo được các chỉ tiêu chất lượng tín hiệu điều khiển, phạm vi điều khiển…vì vậy ta chọn phương pháp điều khiển theo pha đứng là phương pháp điều khiển cho mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha có diot Do theo yêu cầu đề bài đưa ra.
Ta tiến hành thiết kế mạch điều khiển cho 3 kênh, nhưng do đây là ba kênh độc lập nên ta chỉ cần thiết kế mạch điều khiển cho một kênh và kênh còn lại có mạch điều khiển tương tự.
3.2 Thiết kế mạch điều khiển
3.2.1 Khối đồng bộ hóa và phát song răng cưa.
-Nhiệm vụ của khối :
Tạo ra hệ thống các xung điện áp có dạng răng cưa xuất hiện lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ của điện áp đồng bộ ( xoay chiều ) cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu . Đồng thời điều khiển được thời điểm xuất hiện của chúng trong mỗi chu kỳ .
a. Sơ đồ nguyên lý:
Hình 3.5: Sơ đồ khối đồng bộ và phát song răng cưa
Hình 3.6: Giản đồ điện áp khối đồng bộ và phát song răng cưa
b. Nguyên lý làm việc : b.1 Khâu đồng bộ:
Mạch chỉnh lưu kiểu 2 nửa chu kỳ có điểm giữa (tia hai pha) dùng diode D1, D2 và tải cho mạch chỉnh lưu này là điện trở R0. Điện áp chỉnh lưu Ucl này được đưa tới cửa (+) của khuếch đại thuật toán OA để so sánh với điện áp ngưỡng Ung lấy từ biến trở P1, điện áp đồng bộ sẽ tuân theo quan hệ sau: Uđb = (U+ - U- ) = (Ucl - Ung)
Do đó: nếu Ucl > Ung thì Uđb dương và bằng điện áp bão hòa của OA: Uđb = +Ubh tương tự nếu Ucl < Ung thì Uđb âm và Uđb = - Ubh
Vì vậy điện áp đồng bộ có dạng xung, theo đồ thị làm việc có một số lưu ý sau: - Điểm giao nhau của Ucl và Ung là điểm chuyển trạng thái của điện áp ra, nếu chiếu lên điện áp lực ta thấy hai điểm này xác định giới hạn của góc điều khiển min và max , do đó:
- Thay đổi điện áp ngưỡng Ung làm thay đổi phạm vi điều chỉnh góc điều khiển.
- Điện áp lưới biến động cũng sẽ ảnh hưởng góc điều khiển.
- Có thể chuyển sang dạng xung ra với quy luật điện áp ra ngược dấu lại, nếu đổi chéo cách đấu tín hiệu cửa vào OA: Ucl vào cửa (-) còn Ung vào cửa (+).
b.2 Khâu tạo điện áp răng cưa:
Ở nửa chu kỳ điện áp Udb<0 bão hòa âm: Udb= -Ubh , diode D3 dẫn. Sử dụng đặc điểm của OA là điện thế giữa hai cửa (+) và (-) của nó bằng nhau, ta có điện thế điểm (-) của OA2 bằng 0 do điểm (+) nối với 0v. Lúc này theo sơ đồ mạch ta thấy điện áp trên tụ điện C bằng điện áp đầu ra của OA2 : Uc=Urc Vậy ta có:
Ở nửa chu kỳ sau Uđb>0 (OA1 bão hòa dương: Udb=+Ubh), diode D3 khóa nên dòng qua R2 bằng 0. Lúc này dòng chạy qua R6 sẽ phân cực cho TR1, nối ngắn mạch tụ C. Như vậy TR1 thực hiện nhiệm vụ phóng điện cho tụ C.
3.2.2 .Khối so sánh
Khâu này có chức năng so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa để định thời điểm phát xung điều khiển, thông thường đó là thời điểm khi hai điện áp này bằng nhau. Nói cách khác, đây là khâu xác định góc điều khiển α.Khâu so sánh có thể thực hiện bằng các phần tử như transistor hay khuếch đại thuật toán OA. Sử dụng nhiều nhất hiện nay là các OA vì cho phép đảm bảo độ chính xác cao. Khuếch đại thuật toán OA là phần tử so sánh lý tưởng vì những lý do sau đây:
- Tổng trở vào của OA rất lớn nên không gây ảnh hưởng đến các điện áp đưa vào so sánh, nó có thể tách biệt hoàn toàn chúng để không tác động sang nhau.- Tầng vào của OA cũng là khuếch đại vi sai, mặt khác số tầng nhiều nên hệ số khuếch đại lớn (có thể lên đến một triệu). Vì thế độ chính xác rất cao, độ trễ không quá vài micrô giây.
- Sườn xung dốc đứng nếu so với tần số 50 Hz. Thực tế khi độ chênh lệch giữa chỉ cỡ vài mV thì điện áp đầu ra của nó đã thay đổi hoàn toàn từ trạng thái bão hòa âm sang bão hòa dương hay ngược lại. Khâu so sánh OA có hai kiểu đấu điện áp vào là so sánh hai cửa và so sánh một cửa.
Mạch so sánh hai cửa minh họa như hình 3.2.2 Điện áp ra sẽ tuân theo quy luật:
Hình 3.7: So sánh hai cửa dùng khuếch đại thuật toán OA
Tùy thuộc vào điện áp tựa và điều khiển đưa vào cửa nào mà điện áp ra xuất hiện xung âm hoặc dương ở thời điểm cân bằng giá trị giữa chúng.
a.Nếu điện áp điều khiển đưa vào cửa (+), còn điện áp tựa đưa vào cửa (-) như hình 1. thì điện áp ra là:
b.Nếu điện áp điều khiển đưa vào cửa (-), còn điện áp tựa đưa vào cửa (+) như hình 1. thì điện áp ra là:
SVTH: NGUYỄN VŨ HƯỞNG 38 b
Có hai điểm cần lưu ý khi sử dùng so sánh hai cửa.
- Một là các điện áp đưa vào so sánh phải cùng dấu (cùng dương hoặc cùng âm) thì mới có hiện tượng thay đổi trạng thái đầu ra.
- Hai là độ chênh lệch tối đa giữa hai cửa trong khi làm việc không được vượt quá giá trị cho phép của loại OA đã chọn.
- Các điện trở ở hai cửa vào của OA có thể không cần dùng, nếu OA cho phép chênh lệch điện áp giữa các đầu vào của nó ∆uVOA lớn hơn chênh lệch điện áp lớn nhất của utựa với uđk. Trong trường hợp vượt quá mức cho phép của OA thì buộc phải có các điện trở này, kết hợp với hai diode đấu song song - ngược để bảo vệ đầu vào cho OA. Thực tế hiện nay các OA thường có nên có thể bỏ các điện trở đầu vào, tuy nhiên để an toàn người ta vẫn mắc các điện trở này trong mạch thực.
3.2.3 Khối tạo xung và phân chia xung
a. Khâu tạo xung
Trong các mạch điều khiển hiện nay, việc tạo các dao động dạng xung với tần số cố định được thực hiện bằng rất nhiều cách khác nhau, tùy theo sở thích người thiết kế hoặc theo xu hướng ứng dụng các phần tử giống nhau trong một mạch điều khiển (IC hóa, OA hóa…). Trong kỹ thuật xung, các bộ tạo dao động được đề cập khá kỹ nên sau đây chỉ và sẽ không phân tích nguyên lý hoạt động của chúng, chỉ dừng lại ở các sơ đồ thực dụng hiện nay và cách tính toán chúng.
Hình 3.8: Mạch tạo dao động xung dùng OA
Đây là mạch rất thông dụng hiện nay, OA được sử dụng như bộ so sánh hai cửa. Tụ C liên tục được phóng – nạp làm cho OA đảo trạng thái mỗi lần điện áp trên tụ đạt trị số của bộ chia điện áp R1, R2.
Chu kỳ dao động: T = 2RC.ln(1+2R1/R2)
Tổng trở bộ phân áp (R1+R2) khoảng 20 kΩ, điện trở R1 thường lấy nhỏ hơn R2 để giảm độ chênh lệch giữa hai đầu vào OA. Cần lưu ý, để có sườn xung dốc đứng nên sử dụng loại OA có tham số về tốc độ tăng áp lớn (như LF351) hoặc dùng comparator (như LM301, LM339 …), loại thông dụng như UA741, LM324 cho xung không thật dốc với khu vực tần số trên 10 kHz. b. Khuếch đại xung
- Phương pháp ghép này thông dụng nhất hiện nay vì dễ dàng cách ly mạch điều khiển và lực, tuy nhiên do tính chất vi phân của biến áp nên không cho phép truyền các xung rộng vài ms. Chính vì tính chất này mà người ta phải truyền xung rộng dưới dạng xung chùm để biến áp xung hoạt động được bình thường. Để đơn giản mạch, đồng thời vẫn đảm bảo hệ số khuếch đại dòng cần thiết, tầng khuếch đại thường đấu kiểu Dalintơn.
- Hình 3.9 là sơ đồ tối giản cho loại này. Cả hai bóng T1, T2 đều chọn theo điều kiện điện áp như nhau là chịu được trị số nguồn ECS. Về dòng điện, bóng T1 chọn theo dòng điện qua cuộn sơ cấp I1 của biến áp xung:
Trong đó: Ig – dòng điện mở van
k – tỉ số vòng dây giữa sơ cấp và thứ cấp biến áp xung, thường nằm trong phạm vi : (1
Hình 3.9: Khuếch đại xung ghép bằng biến áp xung Dạng xung đơn và xung kép
Sau khi chọn được T1 để có hệ số khuếch đại β1 sẽ chọn được T2 vì dòng qua colectơ T2 chính là dòng qua bazơ T1, như vậy bóng T2 luôn nhỏ hơn T1 do chịu dòng nhỏ hơn β1 lần. Vì độ rộng xung điều khiển nhỏ hơn nhiều chu kỳ phát xung nên công suất phát nhiệt trên transistor không đáng kể và không phải quan tâm đến vấn đề này khi tính toán. Điện trở R1 chọn từ điều kiện mở bão hòa tốt cho T1, T2 đồng thời không gây quá tải cho tầng trước của khâu khuếch đại xung:
Nếu điện áp vào khuếch đại xung có phần âm, cần phải mắc diode bảo vệ cho các transistor (D1 trên hình 3.2.3b). Diode D2 hoặc diode ổn áp Dz nhằm chống quá áp gây gây hỏng các bóng khi chúng chuyển từ dẫn sang khóa do ảnh hưởng của sức điện động tự cảm trên cuộn dây sơ cấp biến áp xung.
3.2.4 Khối tổng hợp và khuếch đại trung gian
Ở đây ta sử dụng 2 loại mạch vòng phản hồi là mạch vòng phản hồi âm tốc độ và mạch còng phản hồi âm dòng điện có ngắt.
-Nguyên lý hoạt động : + Điều chỉnh tốc độ:
Khi động cơ làm việc ở một tốc độ nhất định giả sử đang ở định mức lúc này ta có góc mở ỏđm muốn tăng tốc độ tức là cần giảm góc mở ta thực hiện như sau:
Điều chỉnh biến trở WR3 đi xuống do đó giảm điện áp đặt vào IC4. Tổng hợp giữa điện áp chủ đạo và điện áp phản hồi từ FT sẽ dẫn đến UĐK giảm -> góc mở ỏ của bộ biến đổi giảm hay điện áp ra của bộ biến đổi tăng -> động cơ tăng tốc độ . Lý luận tương tự khi động cơ bị giảm tốc độ
+ Tự động ổn định tốc độ :
Giả sử hệ thống đang làm việc bình thường. Vì một lý do nào đó tốc độ bị giảm lúc này điện áp phát ra từ FT giảm -> áp đầu vào IC4 giảm dẫn đến UĐK
giảm -> góc mở ỏ của bộ biến đổi giảm hay điện áp ra của bộ biến đổi tăng -> động cơ tăng tốc độ . Lý luận tương tự khi động cơ bị tăng tốc độ.
3.2.5 Mạch tạo nguồn nuôi và tín hiệu chủ đạo a. Mạch tạo nguồn nuôi: a. Mạch tạo nguồn nuôi:
BA : Để tạo ra điện áp xoay chiều cần thiết cho cầu chỉnh lưu ( có thể không dùng ). Cầu chỉnh lưu cho ra điện áp một chiều đối xứng lấy ra được trên 2 tụ C1, và IC 7815 và 7915 có tác dụng ổn định điện áp đầu ra, 2 tụ C2 có tác dụng lọc thêm và lấy ra Ucc cuối cùng.
b. Mạch tạo điện áp chủ đạo:
Điện áp chủ đạo có thể điều chỉnh được nhờ sự thay đổi điện trở của biến trở WR3.
3.3 Tính toán thiết bị mạch điều khiển 3.3.1 Tính chọn biến áp xung (BAX)
Yêu cầu đối với BAX là phải tạo được xung theo yêu cầu, cách ly mạch điều