3.1. Phân tích, lựa chọn mạch động lực.
Theo yêu cầu đề tài sử dụng bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển cầu 3 pha nên ta sẽ đi phân tích bộ biến đổi này.
3.1.1. Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha khơng có điơt khơng.
Hình 3.1 Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha
3.1.2. Sơ đồ mạch động lực.
Dựa vào hình 3.1.1 sơ đồ gồm : - Nguồn cấp 3 pha xoay chiều.
- Các diện trở R, động cơ (Đ), Cuộn kích từ (CKĐ), cuộn kích(CK). - Một máy biến áp 3 pha.
- Ba pha Thyristor nối với tải như hình.
Hình 3.2 Giản đồ điện áp
3.1.3. Các thơng số cơ bản động cơ truyền động hệ thống được chọn với các thông số thông số
- Công suất định mức của động cơ: Pđm=1,5 (KW). - Điện áp địmh mức mạch phần ứng: Uđm= 220 (V). - Dòng điện định mức mạch phần ứng: Iđm=6,8 (A). - Tốc độ định mức của động cơ: nđm=1500 (v/p). - Điện trở cuộn dây phần ứng: Rư = 2.775 (). - Điện cảm cuộn dây phần ứng : Lư = 0.0961 (H).
3.1.4. Máy biến áp động lực.
Để chọn các thiết bị trong mạch động lực cũng như mạch bảo vệ, trước hết cần xác định điện áp ra của bộ biến đổi Tiristor. Chọn máy biến áp ba pha ba trụ có sơ đồ nối dây ∆/Y, làm mát tự nhiên bằng khơng khí. Máy biến áp là một bộ phận quan trọng của hệ thống điện, thực hiện các chức năng sau.
- Biến đổi điện áp nguồn cho phù hợp với yêu cầu sơ đồ phụ tải.
- Bảo đảm sự cách ly giữa phụ tải với lưới điện để vận hành an toàn và thuận tiện
- Biến đổi số pha cho phù hợp với số pha của sơ đồ phụ tải. - Tạo điểm trung tính cho sơ đồ hình tia.
- Hạn chế dòng điện ngắn mạch trong chỉnh lưu và hạn chế mức tăng dòng Anốt để bảo vệ van.
- Cải thiện hình dáng sóng điện lưới làm cho nó đỡ biến dạng so với hình sin, do đó nâng cao chất lượng điện áp lưới.
* Tính các thơng số cơ bản :
- Tính cơng suất biểu kiến của máy biến áp : SBA = Ks.Pdm = 1,05.1500 = 1575 (VA) ;
- Điện áp pha sơ cấp máy biến áp : U1 = 380 V ; - Điện áp pha thứ cấp máy biến áp :
- Phương trình cân bằng điện áp khi có tải :
Ud0.cosαmin = Ud + 2∆UV + 2∆Udm + ∆UBA Trong đó :
αmin = 00 là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới ; ∆UV = 21 V là sụt áp trên thyristor ;
∆Udm ≈ 0 là sụt áp trên dây nối :
∆UBA = ∆Ur + ∆Ux là sụt áp trên điện trở và điện kháng trên máy biến áp ; Chọn sơ bộ :
∆UBA = 6%.Ud = 0,06. 220 = 13,2 V ;
Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có : Ud0 == = 250,4 (V)
Điện áp pha thứ cấp máy biến áp: U2 = = = 107 (V);
Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp : I2 = . Id = . 6,8 = 5,56(A); Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp:
I1 = kBA. I2 = . I2 = . 5,56= 1,57 (A) ; Chọn máy biến áp có:
Cơng suất máy biến áp biểu kiến SBA= 1,575kVA
Dịng điện hiệu dụng sơ cấp: I1 = 1,57A
Dòng điện hiệu dụng thứ cấp: I2 = 5,56 A
3.1.5.Tính chọn thyristor :
Tiristor là thiết bị bán dẫn để biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện 1 chiều cung cấp cho động cơ 1 chiều kích từ động lập. Việc chọn các Tiristor phải dựa vào vào sơ đồ chỉnh lưu. Muốn có các van chỉnh lưu làm việc tin cậy và an tồn lâu dài, thì cần phải chọn các van chịu được trong điều kiện làm việc nặng nề nhất, cả khi phụ tải thay đổi vẫn đảm bảo
độ tin cậy, chính xác, cụ thể là khi điện áp chỉnh lưu lớn nhất ứng với góc điều khiển = min .
Điều kiện chọn các Tiristor như sau: [Ung] Kung . Ungmax
[Itb] Kđt .It
Trong đó Kđt : Hệ số dự trữ dòng điện qua van, thường Kđt =1,82 chọn Kđt = 2. Kung: Hệ số dự trữ điện áp thường Kung =1,2 1,5 chọn Kung = 1,4.
Ungmax: giá trị điện áp ngược lớn nhất đặt vào mạch các cực K-A của van IT: Giá trị tính tốn của dịng điện trung bình qua van đối với sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha.
Ungmax =.U2 IT = I/m
Trong đóm: số pha nguồn (m=3)
U2: Trị hiệu dụng của điện áp pha thứ cấp máy biến áp động lực.
Id: Dòng điện chạy qua động cơ do bộ chỉnh lưu cung cấp (là giá trị trung bình của dịng điện tải). Ta có giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu, đối với sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha được xác định theo biểu thức.
IT = = = = 2,27 A
[Ung] Kung . Ungmax = 1,4.343 = 480(V) [Itb] Kđt .It = 2.2,27 = 4,54 (A)
Như vậy căn cứ vào các kết quả tính tốn được và điều kiện để chọn Tiristor tra sách điện tử công suất lớn . Tiristor do liên xơ chế tạo có các thơng số sau.
Mã hiệu I (A) Ungmax
(V) U (V) tkh ( ) Iđk (A) Uđk (V) Du/dt (v/ s) Ipikmax (A) Tmax (oC) T10-10 10 400 1,85 50 0,4 3 200 220 120 3.2. Tính chọn các thiết bị mạch bảo vệ mạch động lực. 3.2.1. Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn.
Khi làm việc với dòng điện chạy qua, trên van có sự sụt áp, do đó có tổn hao cơng suất ∆P, tổn hao nãy sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép TCP nào đó nếu q nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an tồn, khơng bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý.
Tính tốn cánh tản nhiệt:
- Tổn thất cơng suất trên một thyristor.
∆P=∆U. Ilv = 2.4,54= 9,08 W ; - Diện tích bề mặt toả nhiệt.
Sm = ; Trong đó:
∆P: Tổn hao cơng suất (W) ;
τ: Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường.
Km: Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Chọn Km = 8 W/m2. 0C. Tlv, Tmt: Nhiệt độ làm việc và nhiệt độ của môi trường (0C).
Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 400C. Nhiệt độ làm việc cho phép của thyristor Tcp= 1250C. Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv=800C.
τ = Tlv - Tmt = 80 - 40 = 400C ; Vậy: Sm = = 28 mm2 ;
Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước mổi cánh là a × b = 16 × 16 (cm × cm).
Tổng diện tích của cánh tản nhiệt.
3.2.2. Bảo vệ q dịng cho van.
Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch thyistor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu.
- Chọn aptomat có:
Idm =k. I =1,1. . I1=1,1. . 1,57= 3 A ; Với I1: là dòng điện sơ cấp máy biến áp.
k: Hệ số an toàn. Udm = 220 V ;
Aptomat có ba tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện. Chỉnh định dòng ngắn mạch. Inm = 2,5. I = 2,5. . 1,57= 6,8A ; Dòng quá tải. Iqt = 1,5. I = 1,5. .1,57=4,1 A ; - Chọn cầu dao có dịng định mức. ICD = IdmAP = 3 A ;
Cầu dao dùng để tạo khoảng cách an toàn khi sửa chữa hệ truyền động.
Như vậy căn cứ vào các kết quả tính tốn được và điều kiện để chọn ATM tra sách điện tử công suất lớn . ATM do liên xơ chế tạo có các thơng số sau.
Mã hiệu Iđm (A) Uđm (V) Ixk (KA) Thời gian cắt tức thời (A) AB-4 15 400 42 0,06
Bảng 3.2 Bảng chọn Aptomat bảo vệ cho sơ đồ
- Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các thyristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu.
Nhóm 1CC:
Dịng điện định mức dây chảy nhóm 1CC là:
I1CC = 1,1. I2 = 1,1. 17,25= 18,975A ; Nhóm 2CC:
Dịng điện định mức dây chảy nhóm 2CC là:
ĐIỆN ÁP TỰA ĐP
T
Uc SS KĐ XUNG
Nhóm 3CC:
Dịng điện định mức dây chảy nhóm 3CC là:
I3CC = 1,1. Idm = 1,1. 12,19 = 14,19A ; Vậy chọn cầu chảy nhóm:
1CC loại 25 A ; 2CC loại 15 A ; 3CC loại 20 A CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG VÀ TÍNH CHỌN THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN
4.1.Giới thiệu mạch điều khiển.4.1.1Sơ đồ nguyên lý : 4.1.1Sơ đồ nguyên lý :
Hình 4.1 Sơ đồ khối điều khiển thyristor.
4.1.2.Nguyên tắc điều khiển:
Trong thực tế người ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển sau : “Thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng arccos”, để thực hiện vị trí xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên thyristor.
*Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính:
Theo nguyên tắc này người ta thường dùng hai điện áp:
- Điện áp đồng bộ (Us), đồng bộ với điện áp đặt trên anôt – catôt của thyristor, thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh.
- Điện áp điều khiển (Ucm ), là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ. Thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh.
Do vậy hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là: Ud = Ucm – Us ;
Khi Us = Ucm thì khâu so sánh lật trạng thái, ta nhận được sường xuống của điện áp đầu ra của khâu so sánh. Sườn xuống này thông qua đa hài một trạng thái bền ổn định tạo ra xung điều khiển.
Hình 4.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
Như vậy bằng cách làm biến đổi Ucm, ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh góc α.
Giữa α và Ucm có quan hệ sau :
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos : Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp :
- Điện áp đồng bộ Us, vượt trước UAK = Um Sinωt của thyristor một góc π/2 Us = Um Cosωt .
- Điện áp điều khiển Ucm là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ theo hai chiều dương và âm.
Nếu đặt Us vào cổng đảo và Ucm vào cổng không đảo của khâu so sánh thì : Khi Us = Ucm, ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái.
Um Cosα = Ucm ; Do đó α= arcos()
Khi Ucm = Um thì α = 0 ; Khi Ucm = 0 thì α = Khi Ucm = - Um thì α = π ;
Us UAK Um UAK Ucm Us 0 ω t α π- Um 2π
Hình 4.3 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcoss
Như vậy, khi điều chỉnh Ucm từ trị Ucm = +Um, đến trị Ucm = -Um ta có thể điều chỉnh được góc α từ 0 đến α.
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arcos” được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao.
4.1.3.Các khâu cơ bản của mạch điều khiển:
*Khâu đồng pha :
Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa đồng bộ với điện áp lưới, cho phép xác định được góc điều khiển α .
Hình 4.4 Các khâu đồng pha
Nguyên lý sơ đồ a : Khi điện áp UA > 0 điốt D1 dẫn làm cho tụ c ngắn mạch nên Urc = 0, khi UA < 0 D1, D2 khoá tụ c nạp với hằng số thời gian nạp tụ R2.C. Tụ còn nạp chừng nào | URC| < | UA| tụ bắt đầu xả . Từ thời điểm | URC| > | UA| tụ bắt đầu xả. Khi nào tụ xả hết điện áp Urc = 0. Độ dài của phần biến thiên tuyến tính của điện áp tựa khơng phủ hết 180°. Do vậy, góc mở van lớn nhất bị giới: hạn. Hay nói cách khác, nếu điều khiển theo sơ đồ này, điện áp tải không điều khiển được từ 0 tới cực đại mà từ một trị số nào đó đến cực đậi.
Ngun lý sơ đồ hình b: Để khắc phục nhược điểm về dải điều chỉnh ở sơ đồ hình a người ta sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng sơ đồ hình b. Khi điện áp UA > 0 tranzitor Tr khoá, tụ c nạp. Khi UA < 0 tranzitor dẫn, tụ c xả tạo thành điện áp răng cưa như hình dưới. Điện áp tựa có phần biến thiên tuyến tính phủ hết nửa chu kì điện áp. Do vậy, khi cần điều khiển điện áp từ 0 tới cực đại là hồn tồn có thể đáp ứng được.
Với sự ra đời của các linh kiện ghép quang, có thể sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng bộ ghép quang như hình c. Nguyên lý và chất lượng điện áp tựa của hai sơ đồ hình b,c tương đối giống nhau. Đường cong điện áp minh hoạ cho hình c tương tự như hình b nhưng điện áp nằm phía trên trục hồnh (vì ở đây sử dụng tranzitor npn). Ưu điểm của sơ đồ hình c là khơng cần biến áp đồng pha, do đó có thể đơn giản hơn trong việc chế tạo và lắp đặt.
Các sơ đồ trên đều có chung nhược điểm là việc mở, khoá các tranzitor trong vùng điện áp lân cận 0 là thiếu chính xác, làm cho việc nạp, xã tụ trong vùng điện áp lưới gần 0 không được như ý muốn.
Ngày nay các vi mạch được chế tạo ngày càng nhiều, chất lượng ngày càng cao, kích thước ngày càng gọn, ứng dụng các vi mạch vào thiết kế mạch đồng pha có thể cho ta chất lượng điện áp tựa tốt. Trên sơ đồ mô tả việc taọ điện áp tựa dùng khếch đại thuật toán.
*Khâu so sánh :
Thực hiện việc so sánh hai tín hiệu Uđf và Udk để tạo ra thời điểm phát xung điều khiển vào thyristor. Về nguyên tắc sườn trước của xung này càng đứng càng tốt.
Một số sơ đồ khâu so sánh thường gặp như sau ta chọn hình 4.5.
Hình 4.5 Các khâu so sánh thường gặp.
Để xác định được thời điểm cần mở thyristor, cần so sánh hai tín hiệu Udk và Urc, việc so sánh hai tín hiệu đó có thể được thực hiện bằng tranzitor (Tr) như trên hình 4,5a . Tại thời điểm Udk = Urc đầu vào Tr lật trạng thái khoá sang mở ( hay ngược lại từ mở sang khoá ), làm cho điện áp ra cũng bị lật trạng thái, tại đó ta đánh dấu được thời điểm cần mở thyristor.
Với mức độ mở bảo hoà của Tr phụ thuộc vào hiệu Udk ± Urc = Ub, hiệu này có một vùng điện áp nhỏ hàng vài mV, làm cho Tr không làm việc ở chế độ đóng cắt như mong muốn, do đó nhiều khi làm thời điểm mở thyristor bị lệch khá xa so với điểm cần mở tại Udk = Urc.
Khếch đại thuật tốn có hệ số khếch đại vơ cùng lớn, chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ (cỡ µV) ở đầu vào, đầu ra đã có điện áp nguồn ni, nên việc ứng dụng khếch đại thuộc toán làm khâu so sánh là hợp lý. Các sơ đồ so sánh dùng khếch đại thuật tốn như hình 3-6b, c rất thường gặp trong các sơ đồ hiện nay. Ưu điểm hơn hẳn của các sơ đồ này là có thể phát xung điều khiển chính xác tại Udk = Urc.
Hình 4.6 Sơ đồ so sánh hai tín hiệu khác dấu.
*Khâu khếch đại:
Với nhiện vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor tầng khếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng tranzitor cơng suất, như hình 4.5a. Để có xung dạng kim gửi tới thyristor ta dùng biến áp xung, để có khếch đại cơng suất ta dùng Tr, điot D bảo vệ Tr và cuộn dây sơ cấp biến áp xung khi Tr khoá đột ngột. Mặt dù với ưu điểm đơn giản, nhưng sơ đồ này không được dùng rộng rãi, bởi lẽ hệ số khếch đại của Tranzitor loai này nhiều khi không đủ lớn, để khếch đại được tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang.
Tầng khếch đại cuối cùng bằng sơ đồ Darlington như hình 4.5b, Thường hay được dùng trong thực tế. Sơ đồ này hồn tồn có thể đáp ứng được yêu cầu về khếch đại công suất, khi hệ số khếch đại được nhân lên hteo thông số của các Tranzitor.
Trong thực tế xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé ( cỡ khoảng 10 đến 200 µs ), mà thời gian mở thơng các Tranzitor công suất dài tối đa một nửa chu kỳ cỡ