T R Ầ N V Ă N Q U A N G BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ĐA, KLTN ĐẠI HỌC CAO ĐẲNG NGÀNH ĐIỆN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG VÀ MÔ PHỎNG MẠCH CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA KHÔNG ĐỐI XỨNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÔNG SUẤT Pđm = 24 (W) CBHD ThS Nguyễn Vũ Thắng N G À N H Đ IỆ N Sinh viên Trần Văn Quang Mã số sinh viên 2018604437 Hà Nội – 2022 2 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH 4 LỜI MỞ ĐẦU 6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 8 1 1 Mục đích, yêu cầu của đề tài 8 1 1 1 Mục đích 8 1 1 2 Yêu cầu 8 1.
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Mục đích, yêu cầu của đề tài
- Nghiên cứu và mô phỏng mạch chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.
- Xây dựng bài toán về mạch chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng.
- Thiết kế mạch động lực
- Thiết kế mạch điều khiển
- Xây dựng các bước vận hành mạch
- Mô phỏng mạch trên máy tính
Tóm tắt cơ sở lý thuyết
Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng được thực hiện bằng hai phương pháp khác nhau
Hình 1-1: Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng
Hình dạng đường cong điện áp của hai sơ đồ giống nhau và không có phần âm điện áp được thể hiện.
Hình 1-2: Đường cong điện áp
- Sơ đồ cùng cực tính
Các van bán dẫn hoạt động theo nguyên tắc dẫn thông trong một nửa chu kỳ Diode cho phép dòng điện đi qua từ đầu đến cuối trong bán kỳ điện áp âm của catod, trong khi đó, Thyristor chỉ dẫn thông khi có xung mở và sẽ bị khóa cho đến khi được mở lại trong nửa chu kỳ tiếp theo.
Trong sơ đồ cùng cực tính, điện áp tải luôn ở trạng thái gián đoạn, bất kể điện cảm có giá trị bằng hay khác không Khi điện cảm Ld khác không, Thyristor và Diode sẽ thực hiện chức năng xả năng lượng của cuộn dây qua nguồn Do đó, không xuất hiện phần điện áp âm và năng lượng không được trả về lưới, mặc dù điện áp có thể rất lớn.
Dòng điện chạy qua Thyristor và Diode là bằng nhau nên lựa chọn van bán dẫn và Diode bán dẫn thì chọn cùng thông số dòng điện.
- Sơ đồ không cùng cực tính
Khi điện áp lưới được áp dụng vào anod và catod của các van bán dẫn, cùng với xung điều khiển, chúng dẫn điện tương tự như sơ đồ đã mô tả Khi điện áp thay đổi dấu, năng lượng từ cuộn dây sẽ được giải phóng qua các diode.
D1, D2- các van này đóng vai trò của diode ngược, do đó mà các Thyristor sẽ tự động khóa hi điện áp đổi dấu.
Hình dạng đường cong điện áp của sơ đồ cầu một pha không cùng cực tính tương đồng với đường cong điện áp của sơ đồ cầu một pha cùng cực tính, nhưng không có phần âm điện áp, tức là không có khả năng trả năng lượng về lưới.
Dòng điện của Diode và Thyristor khi tải điện cảm: ID > IT
- Điện áp chỉnh lưu trung bình:
- Điện áp ngược cực đại đặt lên Thyristor
Phân tích mạch chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng cho thấy rằng nó rất phù hợp khi sử dụng với tải là động cơ điện một chiều có công suất nhỏ.
Trong chỉnh lưu điều khiển cầu một pha không đối xứng, sơ đồ chỉnh lưu điều khiển không cùng cực tính được ưu tiên sử dụng Lý do là thời gian dẫn dòng của Thyristor ngắn hơn so với Diode, giúp Thyristor phục hồi trạng thái đóng cắt hiệu quả hơn so với các sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cùng cực tính.
Vậy ta chọn chỉnh lưu điều khiển cầu một pha không đối xứng cóThyristor mắc thẳng hàng.
THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC
Chọn sơ đồ mạch động lực
Chọn sơ đồ mạch động lực như hình
Hình 2-3: Sơ đồ mạch động lực
- Điện áp ngược lớn nhất Ungmax
Mạch van bao gồm Thyristor và Diode ùng có:
U ngmax =√ 2 U 2 với U 2 = U d k u ; ku là hệ số điện áp tải (ku = 0,9)
Để đảm bảo van hoạt động an toàn trong điều kiện làm mát tự nhiên khi xảy ra sự cố, cần chọn độ dự trữ điện áp (kdtu) cho van với giá trị kdtu lớn hơn 1,6.
U ngmax thực =k dtu U ngmax chọn kdtu = 3
- Dòng điện hiệu dụng qua van khi van làm việc Ilv
Trong đó: ktb là hệ só dòng điện trung bình
2 π I d để đảm bảo độn tin cậy ủa Thyristor khi dòng lớn thì α = 0
2 π I d để đảm bảo độ hoạt động tốt của Diode thì α = π
Với điều kiện àm mát tự nhiên cho van, ∆ P 0 và UBA2 ’ < 0 => Diode dẫn.
+ Điện áp U2 được đưa vào cổng đảo so sánh với điện áp U0 đưa vào cực đảo của khuếch đại thuật toán.
+ Điện áp ra U3 là xung đồng bộ có dạng xung chữ nhật.
Điều chỉnh biến trở Rp giúp thay đổi điện áp Ung vào cực không đảo, từ đó làm thay đổi độ rộng xung dương của xung đồng bộ Mục tiêu là điều chỉnh Rp sao cho độ rộng xung dương đạt giá trị nhỏ nhất.
- Tính toán thông số các linh kiện trong mạch
+ Tính toán thông số các linh kiện trong mạch:
Nhóm chỉnh lưu cầu 1 pha với Diode D có điện áp đồng pha với giá trị hiệu dụng 8V, nên điện áp ngược lớn nhất đặt trên van là:
U ng max =2√ 2 U dp = 2.1,414=2,83 V Chọn diode D theo phụ lục loại 1N4007 với tham số: Itb = 1A; Ung max = 1000V
Mạch so sánh tạo xung đồng bộ Chọn OA loại TL081
Chọn dòng qua phân áp (P3 + R12) là 1mA Vậy tổng trở của cả bộ phân áp:
Từ đây chọn phân áp gồm điện trở R12 = 12kΩ và biến trở P3 = 2kΩ.
3.3.2 Khâu tạo điện áp tựa
Hình 3-8: Sơ đồ mạch tạo điên áp răng cưa dùng OA
+ Khi Uđb = Ubh làm transistor T1 loại ngược dẫn, nối ngắn mạch tụ
C nên điện táp trên tụ cũng chính là điện áp đầu ra OA bằng không Như vậy T1 làm nhiệm vụ phóng điện cho tụ C.
+ Điện áp ra bằng điện áp tụ C và bằng:
Khi điện áp Uđb = -Ubh, transistor sẽ bị khóa, khiến tụ C được nạp bởi điện áp ra của OA thay vì từ nguồn E, dẫn đến điện áp trên tụ có dấu theo quy luật nhất định.
C R 4 t n Để xác định giá trị R4, R13 ta chọn trị số tụ C rồi theo đó tính R3 theo công thức:
Điện áp trên tụ C tăng trưởng tuyến tính, tạo ra sườn lên của xung răng cưa Việc điều chỉnh biến trở R4 giúp thay đổi điện áp ngưỡng, từ đó ảnh hưởng đến độ dốc sườn lên của xung răng cưa Transistor đóng vai trò ngăn dòng điện chảy về phía URC.
+ Khi Ubh > 0, transistor mở điện áp từ cực dương của tụ (U4) xả nhanh về cực âm tạo nên độ dốc thẳng đứng của sường xuống.
- Tính chọn các linh kiện trong mạch
+ Tính R4, với thời gian tạo răng của tn = 9,4 ms, ta có:
Vậy chọn một điện trở R4 = R13 = 57kΩ.
+ Chọn transistor ngược loại C1815 cho sơ đồ mạch tạo xung răng cưa.
+ Điện trở R5 cần đảm bảo mở bão hòa bóng trong thời gian ngắn cho tụ C xả hết năng lượng, thời gian này bằng
T 2 −t RC −9,4=0,6 ms , nên có thể chọn đơn giản R5 ≈ R4, chọn R5 47kΩ, R14 ≈ R13, chọn R14 = 47kΩ
Hình 3-9: Sơ đồ nguyên lý khâu so sánh dùng OA
Trong mạch điều khiển không âm, việc sử dụng khuếch đại thuật toán làm khâu so sánh là lựa chọn hợp lý Điện áp răng cưa được đưa vào đầu vào không đảo, trong khi điện áp điều khiển được kết nối với đầu vào đảo.
Điện áp răng cưa URC được kết nối với cửa không đảo của khuếch đại thuật toán, trong khi điện áp điều khiển Uđk được đưa vào cửa đảo Kết quả là điện áp ra sẽ được xác định dựa trên sự kết hợp của hai điện áp này.
+ Khi Uđk < U4 thì điện áp ra là dương bão hòa U ss =U ra =+U bh
+ Khi Uđk > U4 thì điện áp ra là âm bão hòa U ss =−U bh do đó có diode D2 nên lúc này Uss = 0V
- Tính chọn các linh kiện trong mạch:
Mạch điều khiển sử dụng 6 khuếch đại thuật toán, vì vậy nên chọn IC TL081, một vi mạch tích hợp với một khuếch đại thuật toán trong một vỏ.
+ Điện áp nguồn cấp: Vcc = ±18V
Tuy nhiên trong mạch điều khiển sử dụng nguồn cấp cho TL081 là
+ Dòng điện nguồn cấp: I = 2,5mA
+ Điện áp tiến hiệu vào: UI = ±12V, Ubh = ±10,5V
+ Nhiệt độ làm việc: -40 ℃ đến 85 ℃
3 - đầu vào không đảo 6 - đầu ra
Hình 3-10: Sơ đồ chân IC TL081
Hình 3-11: Khâu tạo xung đơn
- Điện áp trên tụ: u c ( t ) =U bh (1−2 e¿¿ −τ x ); ¿ với τ =R.C
- Điện áp đầu ra mạch vi phân chính là điện áp trên điện trở R10: u 10 =u 9 −u c =U bh −U bh ( 1− 2 e −t τ ) =2 U bh e −t τ
Do vậy dòng điện có quy luật: i(t ¿¿ x )= 2U bh −U BE
Điện áp giảm theo hàm mũ với hằng số thời gian τ, và sau khoảng thời gian 3τ, điện áp ra có thể coi như bằng không Do đó, độ rộng xung đầu ra theo phương pháp này được xác định là t x = 3τ.
- Tính chọn linh kiện trong mạch:
+ Chọn trị số dòng đỉnh không qua 8mA, coi UBE = 0,7 và
Coi độ rộng xung hiệu quả là khoảng thời gian dòng điện giảm đến trị số 1mA ta có: i (t ¿¿ x )= 2U bh −U BE
Hình 3-12: Khâu khếch đại xung một nửa chu kỳ sử dụng biến áp xung
- Sơ đồ nối darlingron 2 transistor T3, T4 có nhiệm vụ khuếch đại xung điều khiển nhằm đáp ứng đủ yêu cầu về công suất xung điều khiển kích mở Thyristor.
- Biến áp xung có nhiệm vụ cách ly mạch điều khiển và mạch lực về điện, đả bảo an toàn cho các linh kiện điện tử.
- Diode D3 có nhiệm vụ khép mạch hai đầu sơ cấp BAX tiêu tán dòng điện khi T3, T4 khóa từ đó bảo vệ cuộn sơ cấp BAX.
- Ug điện áp đặt vào 2 cực G-K của Thyristor
- Tính chọn các linh kiện trong mạch:
Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển:
+ Điện áp điều khiển Thyristor: Uđk = 5V
+ Dòng điện điều khiển: Iđk = 180mA
+ Điện áp nguồn cấp cho mạch điều khiển: ±12V
+ Chọn vật liệu làm lõi là sắt ferit Lõi có hình trụ làm việc trên một phần của đặc tính từ hóa có:
Độ biến thiên cường độ từ trường: ∆ B = 0,3T
Độn biên thiên mật độ từ cảm: ∆ H = 30H/m + Tỷ số biến áp xung: kBA = 2÷3 nên chọn kBA = 2
+ Điện áp cuộng thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Uđk = 5V
+ Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = kBA.U2 = 5.2
+ Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Iđk = 0,18A
+ Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I 1 = I 2 k BA = 0,18
+ Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: μ tb = ∆ B μ 0 ∆ H = 0,3
Trong đó μ 0 = 1,25.10 −6 H/m + Thể tích lõi thép:
Độ sụt áp cho phép thường nằm trong khoảng Sx = (0,1÷0,2), do đó nên chọn Sx là 0,15 Đối với độ rộng của một xung, khi coi Thyristor là lý tưởng, ta chọn tx = tph = 0,167ms.
Dựa vào bảng tra cứu ta lựa chọn được mạch từ có thể tích V 1,93(cm 3 ) và có kích thước cụ thể như sau:
Diện tích lõi từ Q = 0,395cm 2
Diện tích cửa sổ: 0,581 cm 2
+ Số vòng dây quấn swo cấp biến áp xung tích theo định luật cảm ứng điện từ:
+ Số vòng dây cuộn thứ cấp: w 2 = w 1 m = 141
+ Tiết diện dây quấn sơ cấp:
Trong đó chọn mật độ dòng điện là J1 = 6A/mm 2
+ Đường kính dây quấn sơ cấp: d 1 = √ 4 π S 1 = √ 4.0,01 π =0,013 mm
+ Tiết diện dây quấn thứ cấp:
Trong đó chọn mật độ dòng điện là J2 = 4A/mm 2
+ Đường kính dây quấn thứ cấp: d 2 = √ 4 π S 2 = √ 4.0,045 π =0,057 mm
Chọn dây dẫn có đường kính d2 = 0,057mm
- Tính tầng khuếch đại Transistor:
Chọn Transistor T3 là loại Transistor C1815 có các thông số như sau:
- Transistor loại NPN, vật liêu: Si
- Điện áp giữa colector và bazo khi hở mạch emitor: UCBO = 60V
- Điện áp giữa emitor và bazo khi hở mạch colector: UEBO = 5V
- Dòng điện lớn nhất ở colector: IC max = 150mA
- Công suất tiêu tán ở colector: Pc = 400mW
- Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp T1 = 125 ℃
- Dòng làm việc của bazo: IB = 50mA
Chọn Transistor T4 là loại transistor H1061 có các thông số như sau:
- Transistor loại NPN, vật liêu: Si
- Điện áp giữa colector và bazo khi hở mạch emitor: UCBO = 100V
- Điện áp giữa emitor và bazo khi hở mạch colector: UEBO = 5V
- Dòng điện lớn nhất ở colector: IC max = 8A
- Công suất tiêu tán ở colector: Pc = 40W
- Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp T1 = 150 ℃
- Dòng làm việc của bazo: IB = 150mA
+ Nguồn cấp cho biến áp xung E = +12V
+ Tất cả các diode trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4007 có tham số:
Dòng điện định mức: Iđm = 1A
Điện áp ngược lớn nhất: Ung max = 1000V
Điện áp cho diode mở thông: 0,7V
3.3.6 Tính toán biến áp đồng pha
- Điện áp thứ cấp máy biến áp đồng pha U12 = U23 = 6V
- Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha I2 = 1mA
- Công suất biến áp đồng pha
- Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy
- Dòng điện sơ cấp máy biến áp
- Tiết diện trụ của máy biến áp:
Hệ số phụ thuộc phương thức làm mát của máy biến áp khô được xác định là kQ = 6, trong đó m là số trụ của máy biến áp (ba pha có m = 3, một pha có m = 1) Tần số nguồn điện xoay chiều là f = 50Hz, với tiết diện trụ chuẩn hóa QT = 1,75 cm².
Hình 3-13: Lõi thép biến áp đồng pha a = 12mm b = 16mm c = 12mm h = 30mm
- Số vòng dây cuộn sơ cấp w 1 = U 1
- Tiết diện dây quấn sơ cấp
- Đường kính dây quấn sơ cấp d 1 = √ 4 π S 1 = √ 4.0,0044 π = 0,074 mm
Chuẩn hóa đường kính d1 = 0,1mm để đảm bảo độ bền cơ. Đường kính kể cả cách điện: d1cđ = 0,12mm
- Số vòng dây cuộn thứ cấp w 2 =w 1 U 2
- Tiết diện dây quấn thứ cấp
- Đường kính dây quấn sơ cấp d 2 = √ 4 π S 2 = √ 4.0,081 π =0,32 mm
Chuẩn hóa đường kính d1 = 0,33mm để đảm bảo độ bền cơ. Ổn áp Lọc
Chỉn h Đường kính kể cả cách điện: d2cđ = 0,38mm
Nguồn cấp mạch điều khiển
Sơ đồ khối nguồn cung cấp cho mạch điều khiển và sơ đồ nguyên lý nguồn cấp được trình bày rõ ràng trong hình Điện áp cấp cho mạch điều khiển là ±12V.
+ Dòng cấp: thay đổi theo tải (I
