4.3 Nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất
4.3.3 Mạch bảo vệ động cơ
Đối t-ợng
Biến đổi
Tổng hợp
Khuếch đại
Kh©u chÊp hành +Sơ đồ khối
+ Sơ đồ nguyên lý Hình: 4.6 + Nguyên tắc hoạt động
- Khi nguồn hoạt động bình thường (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 lưu 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 tương 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 sườn âm của xung bởi mạch chỉnh lưu, 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 dương 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 trước. Quá trình diễn ra tương 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−êng.
- 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 tương tự như 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:
Trường hợp xung ra khi nguồn đúng, đủ pha
Tr−ờng hợp xung ra khi nguồn mất một pha (Pha C)
Trường hợp xung ra khi nguồn đảo pha BAC
+ 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:
P®m= 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 lưu D1 ữ D6 là loại 1N4007
Chọn điôt zerne DZ1 ữ 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
Do hàm xung là hàm mũ nên U(t)= E.e-αt
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
+ Trường 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 sè: Utb = 3U. 1( e T)
T
α
α − − = 5
1 0,02 319,6.10
5
3.12 . 1 0,02. 1
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
Utb≈ 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
Hình 4.7: Sơ đồ mạch in
Kết luận và đề nghị