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 trong một nửa chu kỳ: Diode dẫn điện từ đầu đến cuối trong chu kỳ điện áp âm của catod, trong khi Thyristor chỉ dẫn điện khi có xung mở và sẽ bị khóa khi không có xung mở trong nửa chu kỳ tiếp theo.
Trong sơ đồ cùng cực tính, điện áp tải luôn gián đoạn, bất kể điện cảm có bằng không hay không Khi Ld khác 0, Thyristor và Diode hoạt động như thiết bị xả năng lượng từ cuộn dây qua nguồn Do đó, không xuất hiện phần âm điện áp và không có khả năng trả năng lượng 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 anode và cathode của các van bán dẫn thuận chiều kèm theo xung điều khiển, quá trình dẫn điện của các van diễn ra tương tự như trong sơ đồ đã trình bày Khi điện áp đảo chiều, 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 tự như đường cong điện áp của sơ đồ cầu một pha cùng cực tính, nhưng không có phần âm điện áp, tức là không có hiện tượng 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
Mạch chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng là giải pháp tối ưu cho việc điều khiển tải là động cơ điện một chiều có công suất nhỏ Phân tích cho thấy loại mạch này phù hợp với các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng.
Trong chỉnh lưu điều khiển cầu một pha không đối xứng, sơ đồ chỉnh lưu điều khiển không cùng cực tính được ưa chuộng hơn 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.
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 lựa 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.
Để điều chỉnh điện áp Ung đưa vào cực không đảo, cần thay đổi giá trị của Rp, từ đó ảnh hưởng đến độ rộng xung dương của xung đồng bộ Việc điều chỉnh biến trở Rp giúp đạt được độ rộng xung dương 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 đạt giá trị -Ubh, transistor sẽ bị khóa Trong tình huống này, tụ C sẽ được nạp điện thông qua điện áp đầu 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 sự dốc lên của xung răng cưa Biến trở R4 được điều chỉnh để thay đổi điện áp ngưỡng, từ đó làm thay đổi độ dốc sườn lên của xung Transistor có vai trò ngăn cản 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 để làm khâu so sánh là rất hiệu quả 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 vào 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 IC TL081 là sự lựa chọn lý tưởng, với đặc điểm là vi mạch tích hợp 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 3 τ, điện áp ra gần như bằng không Do đó, độ rộng xung đầu ra theo phương pháp này được xác định là t x = 3 τ.
- 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 của Thyristor thường nằm trong khoảng Sx = (0,1 ÷ 0,2), vì vậy nên chọn Sx là 0,15 Đối với độ rộng của một xung, khi giả định 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 (kQ) cho máy biến áp khô là 6, với số trụ của máy biến áp ba pha là 3 và một pha là 1 Tần số nguồn điện xoay chiều được sử dụng là 50Hz, trong khi tiết diện trụ được chuẩn hóa là 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
32 Đường kính kể cả cách điện: d2cđ = 0,38mm
Nguồn cấp mạch điều khiển
Sơ đồ khối nguồn cung cấp cho mạch điều khiển được trình bày rõ ràng trong hình, cùng với sơ đồ nguyên lý nguồn cấp cho mạch điều khiển Điện áp cấp cho mạch điều khiển là ±12V.
+ Dòng cấp: thay đổi theo tải (I
