Thiết kế môn học tự động hóa

Bộ giáo dục và đào tạo cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam Trường đại học bách khoa Độc lập-Tự do-Hạnh phúc Hà nội ====j0j==== -------- Họ và tên: Nguyễn Thanh Lịch Khoá : 43 Nghành học: Tự động hoá. I. Các số liệu ban đầu. Ud = 75V ; Udmax = 130V ; Pđm = 24KW ; Rkđ = 0,8W Điện áp nguồn: U = 3x380V. II. Nội dung thiết kế 1. Giới thiệu chung về công nghệ của động cơ đồng bộ ba pha và phương pháp điều khiển kích từ của động cơ đồng bộ ba pha. 2. Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị được giao thực hiện thiết kế, công nghệ kích từ. 3. giới thiệu và thiết kế mạch lực: 3.1. Tính toán khối biến áp lực 3.2. Tính toán khối chỉnh lưu điều khiển 3.3. Tính toán khối khâu lọc 3.4. Tính toán khối khâu phản hồi điện áp 3.5. Tính toán khối khâu phản hồi dòng 4. Giới thiệu và thiết kế mạch điều khiển: 4.1. Tính toán khâu đồng pha 4.2. Tính toán khâu tạo điện áp răng cưa 4.3. Tính toán khâu so sánh 4.4. Tính toán khâu phát xung chùm 5. Các bản vẽ: - Sơ đồ nguyên lý mạch điêu khiển. - Mục lục Trang Lời giới thiệu................................................................................................................................4 Chương I: Giới thiệu chung về công nghệ và phương pháp điều khiển kích từ của động cơ đồng bộ ba pha................................... 5 I.1. Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị được giao thực hiện thiết kế, công nghệ kích từ. ........................................................................................................ 5 1. Nguyên tắc điều khiển mở máy............................................................................ 5 2. Nguyên tắc điều chỉnh kích thích ........................................................................ 6 I.2. Đề xuất các phương án tổng thể, phân tích ưu, nhược điểm của từng phương án để đi đến lựa chọn một phương án thực thi thiết kế mạch lực và mạch điều khiển............................................................................................... 7 1. Giới thiệu về mạch lực............................................................................................ 7 2. Chọn phương án chỉnh lưu .................................................................................... 7 3. Giới thiệu chung về mạch điều khiển .................................................................. 13 4. Lựa chọn phương án thiết kế mạch điều khiển................................................... 15 Chương II : Thiết kế mạch lực........................................................................................... 18 1. Tính toán chọn van ................................................................................................. 18 2. Tính toán các thông số điện áp, dòng điện và công suất máy biến áp .................... 19 3. Tính toán mạch từ MBA ......................................................................................... 19 Chương III : Thiết kế mạch điều khiển .................................................................. 22 1.Tính toán khâu đồng pha và nguyên lý hoạt động của mạch. ........................ ......... 22 2.Khâu tạo điện áp răng cưa ....................................................................................... 24 3. Khâu so sánh........................................................................................................... 25 4. Khâu phát xung chùm ............................................................................................ 27 5. Khâu khuyếch đại xung và biến áp xung................................................................. 29 6- Tính toán khối nguồn và MBA đồng pha ............................................................... 32 7. Tính toán khâu phản hồi ......................................................................................... 33 Kết luận........................................................................................................................... 35 Tài liệu tham khảo............................................................................................................ 36 lời giới thiệu - Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì các thiết bị điện tử có công suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều. Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang được phát triển hết sức mạnh mẽ. - Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp thì ngành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu nhất. Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hoá-hiện đại hoá của Nhà nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất. Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an toàn, chính xác. Đó là nhiệm vụ của ngành điện tử công suất cần phải giải quyết. Để giải quyết được vấn đề này thì Nhà nước ta cần phải có đội ngũ thiết kế đông đảo và tài năng. Sinh viên ngành TĐH tương lai không xa sẽ đứng trong độ ngũ này, do đó mà cần phải tự trang bị cho mình có một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng. Chính vì vậy đồ án môn học điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên TĐH. Nó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên, và cũng là điều kiện để cho sinh viên nghành TĐH tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất. Mặc dù vậy, với sinh viên năm thứ tư còn đang ngồi trong ghế nhà trường thì kinh nghiệm thực tế còn chưa có nhiều, do đó cần phải có sự hướng dẫn giúp đỡ của thầy giáo. Qua đây cho em được gửi lời cảm ơn tới thầy Phạm Quốc Hải đã tận tình chỉ dẫn, giúp em hoàn thành tốt đồ án môn học này. Hà nội ngày 5 tháng 12 năm 2001 Sinh viên Nguyễn Thanh Lịch Chương I: Giới thiệu chung về công nghệ và phương pháp điều khiển kích từ của động cơ đồng bộ ba pha. I.1. Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị được giao thực hiện thiết kế, công nghệ kích từ. Động cơ đồng bộ được dùng rộng rãi trong các hệ truyền động điện công suất lớn, không cần điều chỉnh tốc độ, làm việc ở chế độ dài hạn. Ví dụ: Để truyền động cho các máy bơm, quạt gió, máy nén khí và một số máy cán lớn. Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử, động cơ đồng bộ được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi loại dải công suất. Động cơ đồng bộ có những nguyên tắc sau đây: 1. Nguyên tắc điều khiển mở máy Quá trình mở máy chia làm hai giai đoạn: Khởi động không đồng bộ và đưa vào đồng bộ. +) Trong giai đoạn thứ nhất, sau khi dây quấn stato được nối vào lưới điện ba pha, từ trường quay được tạo ra sẽ tác động lên dây quấn khởi động (hay là lồng sóc khởi động đạt trong roto của máy) gây nên momen quay đưa tốc độ động cơ lên gần tốc độ đồng bộ. +) Trong giai đoạn thứ hai, dòng kích từ sẽ được đua vào roto , động cơ sẽ tự kéo vào đồng bộ và lồng sóc khởi động hết tác dụng. Trong giai đoạn đầu, ở trong dây quấn kích thích cũng sẽ có sức điện động cảm ứng lớn. Điều đó làm cho sơ đồ mạch roto thêm phức tạp. Điều khiển quá trình khởi động là phải điều khiển cả hai giai đoạn đó trong mạch stato cũng như trong mạch roto. Để hạn chế dòng điện, có thể dùng cách giảm điện áp bằng biến áp tự ngẫu hoặc dùng cuộn kháng. Người ta rất ít dùng điện trở phụ để hạn chế dòng điện vì tổn thất năng lượng lớn và chỉ tiêu chất lượng khởi động không tôt. Với động cơ công suất nhỏ và ở điện áp thấp thì có thể cho phép sử dụng điện trở phụ để hạn chế dòng điện. Trong giai đoạn khởi động không đồng bộ,dây quấn kích thích ở roto không được hở mạch vì sức điện động cảm ứng tạo thành có thể chọc thủng cách điện. Không phụ thuộc vào cách nối mạch stato, mạch điện roto có thể có ba cách nối. a/ Cách nối thứ nhất: Roto được nối trực tiếp vào máy kích thích ngay từ đầu. Sơ đồ này gọi là sơ đồ kích thích trực tiếp. Sơ đồ này đơn giản, làm việc chắc chắn và kinh tế. Tuy vậy không phải bao giờ cũng áp dụng được. b/ Cách nối thứ hai : Dây quấn kích thích được nối vào máy kích thích qua một điện trở phụ. Khi không thoả mãn điều kiện tkđ1 Ê tkt , nghĩa là kích thích hình thành sớm quá ảnh hưởng đến dòng điện stato làm khó khăn cho quá trình kéo vào đồng bộ. Để hạn chế ảnh hưởng của dòng điện kích thích trong qúa trình khởi động không đồng bộ người ta mắc thêm điện trở phụ vào mạch kích thích của động cơ không đồng bộ. điều kiện để áp dụng sơ đồ này là: Mc Ê 40%Mdd. Ngược lại nếu kích thích hình thành quá chậm thì quá trình khởi độnh không đồng bộ kéo dài sẽ gây quá tải ở dây quấn khởi động. c/ Cách nối thứ ba: Dây quấn kích thích được nối vào điện trở phóng điện. Khi đạt tốc độ vào đồng bộ thì loại bỏ điện trở phóng điện và đóng vào máy kích từ. Về mặt khởi động và kéo vào đồng bộ thì đây là sơ đồ tốt nhất và được gọi là sơ đồ gián tiếp. Khi không thoả mãn các điều kiện: Mc Ê 40%Mdđ và tkđ1 Ê tkt thì ta phải sử dụng sơ đồ này. Điện trở phóng điện ở sơ đồ này có những nhiệm vụ sau: - Hạn chế điện áp trên dây quấn kích thích. - Làm tốt đặc tính khởi động của động cơ. - Tiêu tán nhanh năng lượng từ trường khi ngắn mạch phía stato hoặc khi cắt động cơ khỏi lưới. 2. Nguyên tắc điều chỉnh kích thích Động cơ điện đồng bộ cũng được dùng để truyền động các máy sản xuất có momen phụ tải biến đổi lớn (ví dụ như các máy cán lớn, máy nâng ở hầm mỏ...). Lúc này nếu phụ tải tăng mà kích thích vẫn giữ không đổi thì sẽ dẫn đến làm giảm công suất phản kháng phát vào lưới điện, tăng công suất tiêu thụ từ lưới điện, giảm khả năng tải của động cơ. Hệ thống điều khiển có thể có bộ phận tự động điều khiển kích thích. Khi phụ tải tăng lên, dòng điện qua cuộn dòng điện của biến áp cũng tăng lên, còn điện áp ở cuộn điện áp có thể giảm xuống. Kết quả diện áp ở cuộn ra của biến áp cũng tăng lên, do đó điện áp một chiều sau cầu chỉnh lưu cũng tăng lên, kích của động cơ được tăng lên. Những thay đổi lớn của tải mà kích thích vẫn không được điều chỉnh theo có thể gây nên dao động lớn về tốc độ và có khả năng đưa động cơ ra khỏi chế độ đồng bộ. Lúc này phải cắt động cơ ra khỏi nguồn bằng rơle bảo vệ dòng điện cực đại. Nếu quá trình công nghệ không cho phép dù chi là tạm thời thì khi đó phải áp dụng sơ đồ tự động hoá đồng bộ. Và đây chính là nhiệm vụ thiết kế của đồ án Điện tử công suất được giao. I.2. Đề xuất các phương án tổng thể, phân tích ưu, nhược điểm của từng phương án để đi đến lựa chọn một phương án thực thi thiết kế mạch lực và mạch điều khiển. 1. Giới thiệu về mạch lực Mạch lực bao gồm các khối cơ bản sau: a/ Biến áp lực (BAL): - Biến điện áp xoay chiều có biên độ cần thiết với điện áp phù hợp của tải. - Ngoài ra còn làm nhiệm vụ cách ly giữa nguồn chỉnh lưu (CL) với lưới điện xoay chiều. b/ Chỉnh lưu điều khiển (CLĐK): có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha thành điện áp một chiều có biên độ phù hợp với tải. c/ Khâu lọc: gồm điện kháng L và tụ điện C tác dụng san phẳng điện áp ra của khâu CLĐK (vốn có biên độ điện áp nhấp nhô) thành điện áp một chiều phẳng phù hợp với yêu cầu của tải. Khâu lọc phải thiết kế sao cho tiêu thụ công suất nhỏ nhất. d/ Khâu phản hồi điện áp: Lấy một phần nhỏ điện áp tải đưa trở về mạch điều khiển để ổn áp. Muốn vậy thì điện áp phản hồi về phải là phản hồi âm. e/Khâu phản hồi dòng: Lấy tín hiệu điện áp tỷ lệ với dòng tải phản hồi trở về mạch điều khiển để bảo vệ dòng hay ngắn mạch. Ngoài ra còn có khâu đóng ngắt bằng cầu dao điện bảo vệ đặt phía trước biến áp lực. 2. Chọn phương án chỉnh lưu Trước hết, chúng ta phân loại chỉnh lưu thành các loại sơ đồ sau và xét ưu nhược điểm của chúng: Các phương án thiết kế mạch lực: Số liệu yêu cầu: Vd=115 (V), Id = 300 (A) Tải của kích từ: WL >> R (tải cảm lớn -> dòng liên tục) • Phương án 1: Chọn một trong các sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển một pha một nửa chu kỳ (-) chỉnh lưu có điều khiển một pha hai nửa chu kỳ, chỉnh lưu cần có điều khiển một pha. Nhận thấy các sơ đồ nêu trên chỉ thích hợp đối với dòng tải nhỏ vì đối với dòng tải lớn mà chọn các sơ đồ trên thì sẽ gây ra sự mất đối xứng của lưới -> ảnh hưởng tới sự hoạt động của các thiết bị khác. Do vậy mà ta phải dùng các sơ đồ chỉnh lưu ba pha. • Phương án 2: Chọn một trong các sơ đồ sau: - Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển. - Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng. - Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển không đối xứng. a/ Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển: Sơ đồ mạch nguyên lý : u t * Nguyên lý hoạt động: Khi điện áp trên một van nào đó trong ba van mà dương hơn van còn lại thì van đó sẽ dẫn khi có xung điều khiển mở van đó. Do tải có tải cảm lớn nên dòng điện trên tải là liên tục, tức là van dãn sẽ vẫn dãn khi điện áp âm và van còn lại chưa mở. Giá trị trung bình của điện áp trên tải: - Giá trị điện áp ngược trên van: - Dòng điện trung bình chảy qua thiristor: IT = Id/3 - Công suất của máy biến áp: S1 = 1,209 Pd ; S2 = 1,481 Pd S = (S1 + S2)/2 = 1,345 Pd Ưu điểm: - Do điện áp ngược trên van lớn cho nên nó được sử dụng cho tải có yêu cầu điện áp thấp và dòng điện lớn dễ dàng cho việc chọn van. - Do chỉ có một van dãn nên sụt áp trên van là nhỏ -> công suất tiêu thụ của van nhỏ. - Việc điều khiển mở van là dễ dàng. Nhược điểm: - Điện áp ra có độ đập mạch lớn -> xuất hiện nhiều thành phần điều hoà bậc cao. Hiệu suất sử dụng máy biến áp không cao. Sở dĩ như vậy là vì điện áp chảy trên van không đối xứng qua trục hoành, do vậy khi khai triển chuỗi Furie -> xuất hiện thành phần một chiều và thành phần xoay chiều. Tuy nhiên MBA chỉ làm việc với thành phần xoay chiều -> giảm hiệu suất MBA. b/ Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng: Đồ thị điện áp và dòng điện: u t id uc ub ua q q iT4 q I2a q id iT1 - Thực ra sơ đồ cầu pha ba đối xứng là hai sơ đồ hình trên 3 pha ghép lại. Mỗi sơ đồ hình từ ba pha hoạt động ở một nửa chu kỳ điện áp - Sơ đồ hình từ ba pha thứ nhất gồm T1, T3, T5 ghép catot chung. - Sơ đồ hình từ ba pha thứ hai ghép anot chung gồm T2, T4, T6 Góc mở a được tính từ giao điểm của các nửa hình sin. L>>R dòng tải là liên tục. - Giá trị trung bình của điện áp trên tải: - Giá trị điện áp ngược lớn nhất trên van: - Giá trị dòng trung bình chạy qua van: IT = Id/3 - Công suất của máy biến áp : Sba=1,05 Pd Ưu điểm: - Điện áp ra đập mạch nhỏ do vậy mà chất lượng điện áp tốt. - Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt do dòng điện chạy trong van đối xứng. - Điện áp ngược trên van là lớn nhưng do Udo=2,34U2 -> nó có thể được sử dụng với điện áp khá cao. Nhược điểm: - Mạch điều khiển phức tạp do ta phải tiến hành điều khiển đồng bộ các van dãn với nhau. Điện áp rơi trên van lớn do nhiều van hơn sơ đồ CL từ. c/ Sơ đồ cầu không đối xứng: Sơ đồ gồm hai nhóm: - Nhóm mắc Katot chung gồm (T1, T3, T5) - Nhóm mắc Anot chung gồm (P2, P4, P6) Do L >> R -> dòng tải là liên tục. - Giá trị điện áp trung bình trên tải: - Giá trị trung bình của dòng chảy trong tiristor vadiot: IT = Id = Id/3 - Giá trị điện áp ngược lớn nhất: t q Id u D6 D4 D2 D6 T1 T5 T3 T1 uc ub ua iT1 q iD4 q I2a q Nhận xét: Chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng so với chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng quá trình điều khiển đơn giản hơn. Nhưng điện áp chỉnh lưu có lúc bằng không. Do vậy mà có nhiều thành phẩn sóng hài bậc cao. Kết luận: Với tải L>>R, Ud=115 (V), Id=320 (A) và qua các phân tích về ưu nhược điểm ở trên, sinh viên thiết kế chọn sơ đồ cầu ba pha đối xứng. Bởi vì khi dòng điện tải lớn, điện áp tải cao thì dòng điện trung bình chảy qua van nhỏ và điện áp ngược trên van nhỏ hơn so với sơ đồ chỉnh lưu từ ba pha. Mặt khác, công suất tổn hao trên van với tải trên là rất nhỏ so với công suất tải và hiệu suất sử dụng máy biến áp rất tốt. Do vậy ta chọn sơ đồ này. Tuy nhiên sơ đồ này có nhược điểm là quá trình điều khiển phức tạp hơn. 3. Giới thiệu chung về mạch điều khiển Muốn tiristor mở cho dòng điện chạy qua thì ta phải đặt lên anot của tiristor điện áp dương, đồng thời đưa xung điều khiển vào cực điều khiển. Khi mà tiristor đã mở thì xung điều khiển không còn tác dung và dòng điện chạy qua tiristor do tải quyết định. a/ Chức năng của mạch điều khiển: - Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ riêng của điện áp đặt trên anot-catot của tiristor. - Tạo được các xung đủ để điều khiển mở được tiristor (độ lớn của xung đủ lớn và độ rộng xung vừa đủ để mở -> giảm công suất điều khiển). Cấu trúc mạch điều khiển một tiristor được thể hiện ở hình dưới đây: Đồng pha TXRC SS Tạo dạng xung KĐX & BAX Trong đó: - ĐF: Khâu đồng pha - TXRC: tạo xung răng cưa - SS: Khâu so sánh - KDX + BAX: Khâu khuyếch đại xung + Biến áp xung a/ Các yêu cầu với mạch điều khiển: Mạch điều khiển là một khâu quan trọng trong các bộ biến đổi vì nó quyết định đến chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi. Do vậy để đạt được chất lượng và độ tin cậy cao của bộ biến đổi, nó phải thoả mãn các yêu cầu sau: • Yêu cầu về độ lớn của xung điều khiển: - Mỗi tiristor đều có một đặc tính là quan hệ giữa điện áp đặt trên cực điều khiển và dòng điện chảy vào cực điều khiển. Quan hệ đó được biểu diễn trên hình vẽ sau: - Do sai lệch về thông số chế tạo và điều kiện làm việc làm cho tiristor mặc dù cùng loại cũng cõ đặc tính Uđk= f(Iđk) khác nhau. - Với mỗi loại tiristor các đặc tính này dao động giữa hai đặc tính (1) và (2) về yêu cầu độ lớn của điện áp và dòng điện điều khiển. tx=1000 ms tx=100 ms (2) (1) I II đường giới hạn công suất điều khiển 0 Uđk Iđk Có 3 yêu cầu chủ yếu sau về dòng điện và điện áp điều khiển: + Các giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép. + Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo cho tất cả các tiristor cùng loại làm việc được. + Tổn hao công suất trung bình ở cực điều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép. Trên hình vẽ ta thấy yêu cầu đối với mạch điều khiển là phải tạo ra được tín hiệu điều khiển nằm trong vùng (I). • Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển: Thông thường độ rộng xung điều khiển lớn hơn 5 ms (tx=5á10 ms đối với tiristor làm việc ở tần số cao và tx = 50á200 ms với tiristor làm việc ở tần số thấp) và tăng độ rộng của xung điều khiển sẽ cho phép giảm nhỏ xung điều khiển (như hình vẽ). Khi mạch tải có điện cảm lớn thì dòng tải tăng chậm nên ta phải tăng độ rộng của xung điều khiển. Độ rộng của xung điều khiển được tính theo biểu thức: Trong đó: Idt: dòng duy trì của tiristor. di/dt: tốc độ tăng của dòng tải. • Yêu cầu về độ dốc sườn trước của xung: - Độ dốc sườn trước của xung càng cao thì việc mở tiristor càng dễ. Thông thường yêu cầu độ dốc sườn trước của xung điều khiển là: A/ms. - Độ dốc sườn trước của xung càng tăng thì đốt nóng cục bộ tiristor càng giảm. • Yêu cầu về tính đối xứng của xung trong kênh điều khiển: Trong các bộ biến đổi có nhiều pha, tính đối xứng của xung điều khiển rất quan trọng. Nếu xung điều khiển mất đối xứng sẽ làm cho dòng anode ở các pha có hình dạng khác nhau và giá trị khác nhau làm mất cân bằng sức từ động của máy biến áp. Do vậy, giảm hiệu suất sử dụng của máy biến áp. 4. Lựa chọn phương án thiết kế mạch điều khiển Từ mạch lực và yêu cầu của xung điều khiển ta đi đến thiết lập sơ đồ khối cho mạch điều khiển. Ta phải lựa chọn các mạch phù hợp cho từng khâu trong khối sao cho đạt được tín hiệu điều khiển cần thiết: đồng pha Utựa So sánh KĐX BAX Máy phát xung Uđk a/ Khâu đồng pha Đây là khâu có nhiệm vụ xác định thời điểm mốc để tính góc mở a. Nó liên hệ chặt chẽ về pha với điện áp lực. Bên cạch đó nó còn để cách li mạch điều khiển và mạch lực ở đầu vào hệ điều khiển. Do vậy mà khối đồng pha có thể dùng biến áp để cách li hoặc dùng phần tử otocupler (phototransistor). - Trong khâu này ta chọn biến áp để cách li kết hợp với bộ khuếch đại thuật toán và diode chỉnh lưu để taọ ra xung đồng bộ. Rd Sơ đồ mạch: - Sở dĩ ta chọn sơ đồ trên là vì khi thay đổi giá trị của Uđk1 ta sẽ thay đổi được độ rộng của xung đồng bộ. b/ Khâu tạo Utựa Trong thực tế có rất nhiều mạch tạo ra Utựa. Ví dụ: - Mạch chỉ dùng diode, tụ điện và điện trở ghép lại với nhau như hình 1. - Mạch dùng transistor và các linh kiện điện tử khác như hình 2. - Mạch dùng khuếch đại thuật toán như hình 3. q Ung Ul Hình 1. t t Utựa Hình 3. +E t t Urc Udp Hình 3. ở sơ đồ hình 1 ta có một mạch tạo Utựa tương đối đơn giản, dễ lắp đặt, rẻ tiền nhưng có nhược điểm rất lớn là điện áp răng cưa trải dài quá 1/2 chu kì của điện áp lưới làm cho việc xác định góc điều khiển từ điện áp răng cưa rất khó khăn. ở sơ đồ hình 2 mạch cũng khá đơn giản, điện áp tựa cũng trải ra cả 1/2 chu kì của điện áp lưới nhưng do đóng mở transistor ở vùng lân cận không nên mạch hoạt động kém tin cậy. ở sơ đồ hình 3 do khuếch đại thuật toán hoạt động có độ tin cậy cao nên tạo ra tín hiệu Utựa có chất lượng rất tốt. c/ Khâu so sánh Khâu này có nhiệm vụ tạo ra góc điều khiển a (hay tín hiệu điều khiển dòng và áp ở thời điểm yêu cầu). Sơ đồ này ta cũng dùng khuếch đại thuật toán. d/ Khâu phát xung chùm Trong thực tế có rất nhiều mạch và vi mạch điện tử có thể được dùng để tạo ra xung chùm. Ví dụ như vi mạch timer 555. ở đây ta chọn khuếch đại thuật toán kết hợp với các linh kiện khác tạo ra khối phát xung chùm với dạng xung mong muốn mà giá rẻ và chất lượng cao. Chương II Thiết kế mạch lực Sơ đồ nhuyên lý: - Số liệu yêu cầu : Ud= 75V ; Id= 320A U1=380 V; f=50 Hz; Rkđ= 0,8A 1. Tính toán chọn van Ung=Kn´U2f Trong đó : V và - Suy ra: V Để van làm việc an toàn người ta thường chọn hệ số dự trữ cho van là Kdt=1,6á2. - Do đó: Ungmax = Kdt ´Ung= 2´137 = 274 V - Dòng điện trung bình chảy qua van: A Để van làm việc an toàn thì chọn : Ivmax = 4´Iv -Suy ra: Ivmax = 4´106,7 = 426,8 A Từ các số liệu trên ta chọn van như sau: Tiristor KH: ST280CH04C0 có các thông số sau: Ungmax= 400 V; Ivmã = 500 A; IG = 150 mA; (dòng điện điều khiển) DUv = 1,4 V; 2. Tính toán các thông số điện áp, dòng điện và công suất máy biến áp + Công suất biến áp nguồn được tính bởi: Sba = Ks .Pd = 1,05.24.103 = 25,2 KW; + Điện áp các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp: - Điện áp thứ cấp được tính bởi: V; - Điện áp sơ cấp bằng điện áp pha nguồn cấp (220 V) + Dòng điện các cuộn dây: - Dòng điện của cuộn thứ cấp: I2 = K2.Id = 0,82.320 = 262,4 A - Dòng điện của cuộn sơ cấp: I1 = Kba.K1.Id = .0,82 . 320 = 66,8 A Ta tiến hành chọn máy biến áp với các thông số trên. 3. Tính toán mạch từ MBA Chọn mạch từ 3 trụ tiết diện mỗi trụ được tính theo công thức: Trong đó : k: Hệ số kinh nghiệm (thường lấy K=5,8á6,4).Với MBA khô lấy K=6. c: Số trụ (c=3). f: tần số (f=50 Hz). Sba: Công suất biểu kiến MBA (VA). Thay số vào ta có : Chọn Q=78 (cm2) Ta chọn mạch từ : làm bằng tôn silic ' 310 có bề dày là 0,35 mm tỷ trọng gb=75 kg/dm3 tổn hao p=1,3 w/kg. Bề dày lá tôn silic ' 310 : 0,35(mm) Tính toán chiều cao sơ bộ của trụ : Dựa vào công thức kinh nghiệm: Trong đó : +Thq :Tiết diện hiệu quả Thq=Q. +b :là hệ số quan hệ giữa chiều cao và chiều rộng của biến áp, thường bằng 1,15á1,35.Ta chọn b=1,2. - Suy ra : b/ Tính trọng lượng của trụ: Gt=c´ST´gb´l Trong đó : +c: Số trụ (c=3). +ST: Tiết diện trụ: ST=Q=78 (cm3). +gb: Tỷ trọng tôn silic (gb=7,5kg/dm3). Vậy trọng lượng của trụ là : GT=3´0,78´7,5´2,6=45,6 (kg). c/ Tính gông: 2 l l b a 2 2 a a lG Chọn a=9,5 cm2. lG = 26x2 -9,5 = 42,5 (cm) TG=Q=78 (cm2). Trọng lượng gông: Gg=t´TG´gb´lG Trong đó: t: Số gông (t=2) TG: Tiết diện gông. gb:: Tỷ trọng tôn silic. lG: Chiều dài của gông. Thay số vào ta có : Gg= 2´0,78´7,5´4,35=50 (kg). Trọng lượng lõi thép MBA: G=GT+Gg=45,6+50=95,6 (kg). d/ Số lá tôn: -Số lá trụ : (lá) -Số lá chắn đầu ngắn: (lá). -Số lá chắn đầu dài: (lá). CHUONG III Thiết kế mạch điều khiển Tính toán khâu đồng pha và nguyên lý hoạt động của mạch. a. Nguyên lý hoạt động: Khi sơ cấp của MBA đồng pha được nối vào lưới điện (hình trên chỉ vẽ 1 pha của MBA đồng pha). Lúc này thứ cấp của MBA xuất hiện hai điện áp Ua0 và -Ua0 có độ lớn bằng nhau nhưng ngược dấu. Khi trong nửa chu kì đàu tiên điện áp đặt lên D1 dương ( >0,7 V) và điện ápđặt trên D2 âm. Kết quả là D1 dẫn còn D2 khoá. Trong nửa chu kì sau điện áp đổi cực tínhdo vậy mà lúc này D1 khoá còn D2 dẫn. Các diode D1, D2 dẫn và khoá cùng với sự thay đổi của điện áp thứ cấp làm cho điện áp cửa vào không đảocủa khuyéch đại thuật toán OP1 là nửa hình sin dương trong cả chu kì. Điều chỉnh Rx1 để thay đổi điện áp Ung1 vào cửa đảo của OP1. Nếuđiện áp vào cửa không đảo UI >Ung1 thì UD=(UI-Ung1)>0. Suy ra điện áp ra của OP1 là UII >0 (UII =(E-2)V ) và ngược lại nếu UD=(UI-Ung1)< 0 thì UII=-( E-2) V. Vì vậy mà điện áp ra có dạng xung chữ nhật như hình vẽ. b. Tính toán khối đồng pha Vì f=50Hz nên: T== 0,021 s = 20 ms. Do đó trong nửa chu kì của điện áp lưới ta phải tạo ra điện áp răng cưa sao cho : t=tp+ tn =0,01 s Trong đó : + tp:Thời gian phóng của tụ điện ; + tn:Thời gian nạp của tụ điện. Trong thực té tính toán để có dải đièu khiển lớnn từ 0áUdđmax thì tn<< tp hoặc là tp<< tn. -Trong khuôn khổ của đồ án ta chọn tn<< tp cụ thể là: tn= 0,5 ms. tp= 9,5 ms. -Với tn=0,5 (ms) ta phải điều chỉnh Rx1 sao cho : . Trong đó đ đ -Vì dòng yêu cầu vào OP1 nhỏ nên chọn R1=R2=10 (kW). Chọn R3=1(kW).Ta có: Cuối cùng ta chọn :Rx1=0á10 (kW) và điều chỉnh để Rx1=4,66 (kW). + Chọn D1,D2: - Gọi Id là dòng chảy qua tải Rd ( chọn Rd =56 W ).Ta có: Chọn Ilv=25%.Iđmv (dòng làm việc của van bằng 25% dòng điện định mức của van). đ Iđmv=4´Ilv=4´0,2=0,8 (A). - Điện áp ngược trên van : (V). Với hệ số dự trữ là k=2 thì Ungmax=34´2=68 (V). Chọn D1và D2 là loại D-1001 với I=1 (A) và Ungnãx=200 (V). + Tính dòng điện chạy ở thứ cấp của máy biến áp đồng pha: I3=0,58´Id=0,116 (A). Khâu tạo điện áp răng cưa a/ Nguyên lý hoạt động Điện áp đồng pha UII được đưa vào cửa đảo của khâu tạo điện áp răng cưa. Do điện áp ra của khuếch đại tuyến tính phụ thuộc vào quan hệ: Ura= K0 . (-UII + U+) Trong đó: U+ là điện áp đặt ở cửa không đảo; K0 là hệ số khuếch đại của bản thân OP2 và K0 là rất lớn. Khi UII 0 Suy ra UIII > 0 và tụ C1 được nạp thông qua R5 và D3 về OP1 với dòng nạp: IC= IÂ2 - I2 Trong đó: IC , IÂ2 , I2 , được kí hiệu như trên hình vẽ. ; Với: DUD3 là điện áp rơi trên D3. Chọn bằng 0,5 V UdII= (E- 2)= 13 V Điện áp UIII chính là điện áp trên tụ C1 Ur = UC = Ur = UC = - Diot ổn áp DZ có nhiệm vụ không cho điện áp trên tụ nạp quá UDZ. Chọn loại Diod có UDZ = 10V Nếu gọi tn là thời gian nạp của tụ thì ta có phương trình sau: UZ = Khi UII >0 đ D3 khoá đ Ura = 0 đ tụ C sẽ phóng điện về âm nguồn của OP2 Với dòng điện phóng Ip = Điện áp trên tụ giảm dần theo hàm : Ur = UZp = Gọi tp là thời gian phóng của tụ điện ta có : Ur = (2) với UDZ =10V và tp=9,5ms như đã chọn, từ (2) ta có: Û ị (R4 + RX2)C1 = 14,25.10-3 (3) từ (1) ta có: thay (3) vào (1) ta có: Û Û R5C1 = 0,675.10-3 chọn C7 = 0,47mF đ R5 = 1,43(KW) , chọn R5 = 1,5(KW) từ (3) chọn R4 = 10(KW) ta có: (10.103 + RX2) = 30,3(KW) đ RX2 = 20,3(KW) đ điều chỉnh biến trở để có RX2 = 20,3(KW) -Dòng qua Diod D3: I2’ = (mA) Chọn linh kiện : OP2 : mA741 có các thông số: Ung= ±3á22V; UnF= ±15 V; UdF= ±30 V; Ko=5.106; P1=100 mW; [t]=55á1250C; Ira=±25 mA; En=±15 V; Zra=60 W; Zvào=300 KW; V. D3 : D-1001 có các thông số : I = 1A ; Ung = 200V ; DU = 0,5V Đồ thị điện áp ở khâu tạo điện áp răng cưa: 3. Khâu so sánh. Yêu cầu của thiết kế với sơ đồ cầu chỉnh lưu 3 pha đối xứng. Góc điều khiển . Đây là giá trị mà động cơ làm việc ổn định . Do vậy ta phải điều chỉnh biến trở Rx để có Ung2 thoả mãn yêu cầu trên. a/ Nguyên lý hoạt động Điện áp răng cưa được đưa vào cửa đảo của OP3. - Khi UD = (Udk2-UIII) > 0 thì UIV= (E-2) (V) - Khi UD=(Udk2-UIII) < 0 thì UIV= - (E - 2) V Kết quả là ở đầu ra của khuếch đại thuật toán OP3 có một dãy xung vuông liên tiếp. -Uph là tín hiệu lấy về từ chiết áp (được nối song song với điện trở và điện kháng kích từ).nó có tác dụng ổn định chế độ làm việc của động cơ: cụ thể khi điện áp kích từ vào động cơ giảm dẫn đến Uph giảm làm cho Ung2 tăng đ giảm đ cos( ) tăng đ Ud tăng và ngược lại. Và chọn Uph=2(V). - Vì dòng vào khuếch đại thuật toán là rất nhỏ nên ta chọn R7 = R6 = 10 KW. - Vì a=550 nên điện áp răng cưa ra là tuyến tính: Urcmax=10 V Suy ra: V Với Chọn R8 = 1 KW ta có: 7.103 + 7. Rx3 = 13.103 đ Rx3 = 1KW Điều chỉnh Rx3 = 1,1 KW với biến trở Rx3 = 0 á 10 KW. Đồ thị điện áp racủa khối so sánh được vẽ ở hình dưới đây. Chọn OP3 là khuyếch đại thuật toán mA741 có các thông số sau : Ung= ±3á22V; UnF= ±15 V; UdF= ±30 V; Ko=5.106; P1=100 mW; [t]=55á1250C; Ira=±25 mA; En=±15 V; Zra=60 W; Zvào=300 KW; V. 4. Khâu phát xung chùm a/ Nguyên lý hoạt động của khâu phát xung chùm: Tại thời điểm mà điện áp trên tụ UC2= 0 ta có Ud= Uph- UC2= 0 điện áp ra của khuyếch đại thuật toán OP4 là UV=0 , ta tiến hành nạp cho tụ C2 một điện áp UC20 tín hiệu ra của OP4 là UV đạt tới trạng thái dương bão hoà và C2 được nạp điện theo chiều ngược lại so với chiều mà ta nạp cho C2 lúc đầu , tụ C2 được nạp tới trị số : Suy ra UV=0 dẫn đến Uph= 0. Do đó C2 phóng điện qua R10 về âm nguồn của OP4 và điện áp ra của OP4 ở mức âm bão hoà. Quá trình lặp lại làm cho đầu ra của OP4 có xung điện áp dạng chữ nhật với tần số tuỳ thuộc vào giá trị của R10 và C2.Đồ thị điện áp ra của khâu phát xung chùm như sau: b/ Tính toán các thông số của khâu phát xung chùm Chu kì của xung chùm được xác định theo công thức : T=2,2.R10.C2 (1) Nếu chọn tần số của xung chùm là f=10 kHz thì chu kì xung là T=10-4 s. Thay vào (1) ta có: Chọn C2= 0,01 mF đ R10= 4545 W .Ta chọn R10=4,5 kW. Chọn R9=R10=4,5 kW. Chọn khuyếch đại thuật toán loại mA741 với các thông số đã xác định ở phần trước. 5. Khâu khuyếch đại xung và biến áp xung UB a/ Nguyên lý hoạt động + Tín hiệu từ khâu phát xung được đưa vào cực bazơ của T1 khi tín hiệu dương. Do đó D4 thông đ Ube1 > 0 đ T1 khoá ( T1 là transistor thuận) và ngược lại khi tín hiệu âm thì Ube1< 0 nên T1 mở bão hoà. Kết quả là tín hỉệu ở colector của T1 là những xung âm có chu kì trùng với chu kì của máy phát xung( T1 có vai trò khuyếch đại tín hiệu). +Tín hiệu từ colector của T1 cùng với tín hiệu đầu ra của bộ so sánh và tín hiệu được lấy từ biến áp đồng pha mắc với D7 được đưa vào cực bazơ của transistor T2. T2,T3 được mắc theo kiểu Darlingtơn có hệ số khuyếch đại là b=b2´b3. - Khi Uab >0 và tín hiệu so sánh dương thì T2 mở đ có tín hiệu ở thứ cấp máy biến áp xung. - Khi Uab<0 và tín hiệu so sánh âm thì T2 khoá đ không có tín hiệu ở thứ cấp máy biến áp xung. + D5 có tác dụng bảo vệ T2 khi điện áp đặt ở cực bazơ của T2 âm. + D6 có tác dụng ngắn mạch dòng chạy trong colector của T3 khi T3 chuyển từ mở sang đóng. + R17 có tác dụng tạo thiên áp Ube cho đèn 3 làm đèn 3 tác động mở nhanh khi đèn T2 mở . + Biến áp xung có tác dụng cách ly giữa mạch lực và đầu ra của hệ thống điều khiển. b/ Tính toán các thông số của KĐX và BAX ã Tính toán máy BAX : Theo tính toán ở phần mạch lực ta chọn van có thông số về dòng và áp điều khiển là: IG=150 mA UG=3 V Đây là giá trị dòng và áp ở thứ cấp của BAX. Theo kinh nghiệm tính toán thì tỉ số biến áp xung thường là m=1,2á1,5. Ta chọn m=1,2. Như vậy giá trị dòng điện sơ cấp của BAX là: mA Giá trị điện áp thứ cấp của BAX là: V Giá trị dòng điện trung bình ở sơ cấp BAX là: Trong đó : tx là chiều dài xung truyền qua BAX. Thường chọn tx=50á250 ms đối với tần số thấp. Ta chọn tx=80 ms. Suy ra : mA Giá trị dòng trung bình ở thứ cấp BAX: mA ã Tính toán khối khuếch đại xung chùm: Biên độ của xung chùm = ±13 V. Chọn T1: là loại C828 có các thông số: UEC=35 V IECmax=300 mA b= 10á30 - Tính R11 để cho T1 làm việc ở chế độ mở bão hoà ( UCE=0). Để T1 mở bão hoà thì : hay với Kbh=1,2á1,5 được gọi là hệ số bão hoà. Ta chọn b= 10 và Kbh=1,2. Ta có : Chọn R12=1 kW. Khi đó IC< IEC mãx. Suy ra: mA Chọn R11 sao cho : mA đ R11=7,2 kW. Chọn D4 là loại D-1001 có các thông số: I=1 A Ung=100 V ã Tính toán khâu khuyếch đại xung: + Điện áp rơi trên cuộn sơ cấp của BAX là: USC= 4,1 (V) ; ISC=125 (mA) - Bỏ qua điện trở cuộn dây sơ cấp của BAX R16 ta cần chọn trong khoảng: R16 ³ (W) R16 Ê Chọn R16 = 50 (W) - Chọn T2 loại KH: C828 có các thông số: UEC=35 V IEC =300 mA b= 10á30 -Chọn T3 là loại ST603 có thông số: UCE=30 V ICE = 800 mA b = 30á100 ; b=b2´b3 =900; (b2=b3=30). đ mA Chọn mA Khi Uab>0, Uss>0 thì phải tính R13,R14 để UB=1,4 (V) Ta có : mA Với R12=1 kW ( như tính ở trên) ta có: Chọn R13=1 kW ta sẽ tính được R14=1,66 kW đChọn R14=1,5 kW. Ta chọn R15 nhỏ để khi Uss >0, Uab<0 đ điện áp UB< 0. Chọn W. Theo kinh nghiệm ta chọn R17 = 1 (kW) -Chọn D4 ,D5 , D6 là loại D-1001 có các thông số: Ung=100 V I=1 A 6- Tính toán khối nguồn và MBA đồng pha CL1 W3A W2A W1A Hình trên là sơ đồ nguyên lý nguồn cung cấp cho mạch điều khiển và là nguồn tín hiệu đồng pha. + Mạch điều khiển được cung cấp từ một biến áp nguồn 3 pha có chung lõi với biến áp đồng pha: Trong đó W1 là cuộn sơ cấp được nối với nguồn xoay chiều 3 pha 220/380 (V). Thứ cấp MBA gồm có các cuộn dây W2 và W3. - W2 cung cấp cho bộ chỉnh lưu (CL1). Đầu ra của bộ chỉnh lưu này là các vi mạch ổn áp 7815 lấy ra điện áp +E=+15 (V) và vi mạch ổn áp 7915 lấy ra điện áp là -E=-15 (V). Nguồn ±E được cung cấp cho khuyếch đại thuật toán và các transistor. - W3 có điểm giữa để phát ra tín hiệu đồng bộ. a/ Khối nguồn Ta chọn tụ C1, C2 : C1=C2=1000mF (để san bằng điện áp chỉnh lưu). Còn C3=C4=C5=C6=100nF. Điod chọn loại 204 có Itb=800(mA), Ung=100(V) b/ Biến áp đồng pha Như đã nêu ở trên, mạch tạo xung răng cưa dùng khuyếch đại thuật toáncần điện áp đồng pha và điện áp nguồn. Biến áp đồng pha cung cấp cho nguồn nuôi OP (có công suất nhỏ dưới 1W vì vậy kích thước của MBA đồng pha rất nhỏ. Thực tế cho thấy rằng nếu chọn biến áp đồng pha nhỏ thì dẫn đến số vòng/vol (W0 ) lớn . Do đó cuộn dây sẽ to mặc dù ta dùng loại dây nhỏ nhất thì vẫn gây khó khăn cho việc chế tạo và không kinh tế. Theo tính toán ở phần trước ta chọn: U2=15 (V); I2=200 (mA); U3 = 12-0-12 (V) Dòng điện ở thứ cấp MBA đồng pha đã tính ở phần trước là: I3 = 116 mA. + Công suất : S2 = U2´I2 = 15´200´10-3 = 3(VA). S3 = U3´I3 = 12´116´10-3 = 1,4(VA). SS = S2 +S3 = 3+1,4 = 4,4(VA). S1 = U1´I1 = SS = 4,4 đ + Tiết diện trụ là : + Số vòng/vol: (vòng/vol). (ta chọn k=45 khi k=42á50). + Số vòng cuộn dây W1 : W1=W0´U1=18´380=6480 (vòng). + Số vòng cuộn dây W2 : W2=W0´U2=18´15=270 (vòng). + Số vòng cuộn dây W3: W3=W0´U3=18´12=216 (vòng). 7. Tính toán khâu phản hồi: Bộ biến đổi Tính toán r2, r3 để có Uph=2(V) với Ud=75(V) đây là giá trị để động cơ đồng bộ làm việc được ổn định. Chọn Rph=10(KW) điện trở công suất. dòng qua Rph: Iph = = 7,5 (mA) Ta có : Điều chỉnh Rph để được r2=267 (W). KếT LUậN Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Phạm quốc Hải và sự giúp đỡ của các bạn cùng lớp, em đã hoàn thành các nhiệm vụ được giao của bản đồ án: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động kích từ cho động cơ đồng bộ ba pha. Trong nội dung nghiên cứu của bản đồ án này, em đã thực hiện được các nhiệm vụ sau: Tìm hiểu công nghệ và yêu cầu đối với hệ thống kích từ cho động cơ đồng bộ ba pha. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển hệ thống. Lựa chọn các sơ đồ mạch điều khiển, các thiết bị điều khiển và bảo vệ hệ thống. Trong quá trình thực hiện, chắc chắn bản thân em không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn để bản đồ án này được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội ngày 10 tháng 12 năm 2001 Sinh viên Nguyễn Thanh Lịch Tài liệu tham khảo 1. Gt : Điện tử công suất Tg : Nguyễn Bính 2. Tl : Hướng dẫn thiết kế thiết bị điện tử công suất ĐHBKHN- Bộ môn Thiết bị điện -Điện tử 3. Gt : Phân tích và giải mạch (NXBKH_KT) Tg : Phạm Quốc Hải ,Dương Văn Nghi 4. Gt : Thiết kế máy biến áp ( NXBKH_KT)