Luận văn Thiết kế hệ thống truyền động Tiristor – Động cơ không đảo chiều quay cho tải có tính chất phản kháng, với sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha

Thiết kế hệ thống truyền động Tiristor – Động cơ không đảo chiều quay cho tải có tính chất phản kháng, với sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha Lời nói đầu Trong thời đại ngày nay sư phạm kỹ thuật là một ngành ra đời chưa lâu, xong nú cú vai trò quan trọng trong việc đào tạo ra đội ngũ giáo viên cho các trường Cao Đẳng và Trung Cấp nghề cũng như là các trung tâm nghề. Hiện nay, trong các trường nghề thì đội ngũ giáo viên chủ yều là các kĩ sư hay các công nhân lành nghề bậc cao. Do đó, họ thiếu những kỹ năng nghiệp vụ sư phạm nên làm giảm khả năng truyền thụ kiến thức và hướng dẫn nghề cho học sinh. Các khối ngành nghề kỹ thuật đóng một vai trò rất quan trọng trong công cuộc Công Nghiệp Hóa – Hiện Đại Hóa đất nước. Việc đào tạo ra một nguồn nhân lực kỹ thuật lành nghề thì trước tiên phải có một đội ngũ giáo viên giỏi về nghiệp vụ và vững vàng về tay nghề. Nhận thức được điều này, Đảng và Nhà nước cũng như xã hội đã quan tâm rất nhiều đến công tác đào tạo giáo viên kỹ thuật. Khoa Sư Phạm Kỹ Thuật ra đời chưa lâu xong đó cú những tiến bộ nhất định trong việc đào tạo giáo viên kỹ thuật cho các trường nghề kỹ thuật. Trong quá trình đào tạo thì khoa Sư Phạm Kỹ Thuật đã rất chú trọng trong việc nâng cao nghiệp vụ sư phạm và phối hợp với các khoa khác để trang bị cho các giáo sinh về kiến thức ngành kỹ thuật. Nghiệp vụ sư phạm được trang bị thông qua cỏc mụn chuyên ngành sư phạm và được củng cố qua việc cho giáo sinh đi kiến tập và thực tập, về chuyên ngành kỹ thuật thì được cung cấp qua nhiều môn chuyên ngành với các đồ án môn học kèm theo, về tay nghề được rèn luyện qua các đợt đi xưởng thực tập. Kết thúc khóa học, giáo sinh được giao bài khóa luận tốt nghiệp bao gồm hai phần là kỹ thuật và sư phạm. Với sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của cô Lê Thị Quỳnh Trang, cựng các thầy cô trong Khoa Sư Phạm, em đã hoàn thành bài khóa luận. Em xin được gửi tới các thầy cô lời cảm ơn chân thành nhất và kính mong cỏc thõy cụ góp ý cho em để kiến thức của em ngày vững chắc trong sự nghiệp trồng người của mình. Em xin chân thành cảm ơn ! Thỏi Nguyờn, ngày 30 tháng 5 năm 2011 Sinh viên Đỗ Thị Ly MỤC LỤC PHẦN KỸ THUẬT Tên đề tài: Thiết kế hệ thống truyền động Tiristor – Động cơ không đảo chiều quay cho tải có tính chất phản kháng, với sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha. Nội dung: Thiết kế sơ đồ nguyên lý của hệ thống. Tính chọn thiết bị. Xây dựng đặc tính tĩnh và kiểm tra chế độ tĩnh. Mô phỏng và khảo sát chất lượng động của hệ thống. Thuyết minh các chế độ làm việc của hệ thống. Số liệu như sau: Công suất động cơ: 11 KW Tốc độ động cơ: 1500 V/P Dải điều chỉnh: 80/1 Sai lệch tĩnh: δ ≤ 5% Chương 1 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG Trong lĩnh vực kinh tế tạo ra một sản phẩm bằng máy móc đảm bảo các chỉ tiêu về kinh tế, kỹ thuật là một yếu tố quan trọng nhất .Để sử dụng một cách hợp lý các thiết bị và khai thác tối đa khả năng làm việc của chúng thì chúng ta phải bắt đầu từ khâu thiết kế hệ thống. Người thiết kế cần phải dựa vào yêu cầu của quy trình công nghệ và đặc tính sản xuất để đưa ra phương án hợp lý , từ những phương án đó lựa chọn ra phương án tối ưu sao cho thoả mãn yêu cầu sau: - Phải có vốn đầu tư , chi phí vận hành nhỏ nhất - Chất lượng sản phẩm sản xuất ra phải cao nhưng giá thành hợp lý - Phải đảm bảo năng suất lao động , độ tin cậy cao ,an toàn cho người và thiết bị Ngoài các yêu cầu về kinh tế trờn thỡ cũn cú cỏc yờu kỹ thuật quan trọng nhất là các hệ thống không cần đảo chiều, dải điều chỉnh tốc độ rộng , trơn (D=80:1) sai lệch tĩnh nhỏ δ ≤ 0.05 .Vì việc điều chỉnh tốc độ hay đảm bảo tốc độ của máy sẽ đảm bảo chất lượng sản phẩm và an toàn trong sản xuất, đạt năng suất cao ..... 1.1. Chọn động cơ Trong công nghiệp hiện nay thường sử dụng 2 loại động cơ chính: động cơ điện xoay chiều và động cơ điện 1 chiều. Trong đó động cơ xoay chiều bao gồm: động bộ và động cơ không đồng bộ; Động cơ một chiều gồm: động cơ 1 chiều kích từ độc lập và động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp. Mỗi loại có những đặc điểm riêng, phù hợp với những yêu cầu công nghệ, trường hợp sử dụng khác nhau. Do vậy tùy vào các yêu cầu đặt ra, ta lựa chọn loại động cơ phù hợp, để đảm bảo tính kỹ thuật cũng như tính kinh tế. Với yêu cầu của hệ thống truyền động trong đề tài này em lựa chọn động cơ 1 chiều kích từ độc lập làm động cơ cho truyền động *Đặc điểm Động cơ điện một chiều kích từ độc lập thường có cuộn kích từ mắc vào nguồn một chiều độc lập (hình 6.a) (đối nguồn có công suất không đủ lớn) và cũng có thể cuộn kích từ mắc song song với mạch phần ứng (đối nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn). Phương trình đặc tính cơ: a) b) Hình 6.a) Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập . b) Đặc tính cơ của một động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp *Nhận xét: So với động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp thì ta thấy động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập có từ thông không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở của mạch kích từ nên khẳ năng ổn định tốc độ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập cao hơn. Mặt khác đặc tính cơ của nó có dạng đường thẳng do đó có thể ổn định ở mọi cấp tốc độ. Động cơ loại này có dải điều chỉnh rộng do : M = kfI; f = const; M = const 1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập Hiện nay, hầu hết cỏc mỏy sản xuất đều sử dụng hệ truyền động điện để đáp ứng nhu cầu, đòi hỏi công nghệ, nâng cao tự động hoá cũng như năng suất, chất lượng vì thế các hệ truyền động điện thường phải điều chỉnh tốc độ theo yêu cầu công nghệ. Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ đó là: + Điều chỉnh điện trở phụ mạch phần ứng. + Điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ. + Điều chỉnh từ thông kích từ. Mỗi phương pháp có những ưu điểm riêng, phù hợp với những yêu cầu kỹ thuật khác nhau như: yêu cầu về điều chỉnh tốc độ, dải điều chỉnh, sai lệch tĩnh, công suất động cơ….Trong đề tài này, với yêu cầu kỹ thuật là: Công suất động cơ: 11 KW, Tốc độ động cơ: 1500 V/P, Dải điều chỉnh: 80/1, Sai lệch tĩnh: δ ≤ 5%, ta sử dụng phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Đặc điểm: + Dễ dàng điều chỉnh tốc độ và hạn chế dòng khởi động. + Điều chỉnh trơn, dải điều chỉnh rộng. + Đặc tính cơ cứng. + Sai lệch tĩnh không đổi trong dải điều chỉnh. + Tổn hao nhỏ, khả năng tự động hoá cao. n n0 n01 n02 n03 Mc TN Udm U1 U2 U3 o Đặc tính cơ của ĐC 1C KTĐL khi thay đổi điện áp phần ứng 1.3 Chọn bộ biến đổi Ở phần trên em đã chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào mạch phần ứng động cơ. Để thay đổi điện áp này sử dụng các bộ biến đổi. Và tương ứng với các bộ biến đổi, chúng ta cú cỏc hệ thống truyền động Hiện nay trong công nghiệp chúng ta sử dụng các hệ thống truyền động sau: + Hệ thống máy phát  – động cơ + Hệ thống tiristor – động cơ + Hệ thống xung áp – động cơ Mỗi hệ thống có những ưu – nhược điểm riêng phù hợp với từng yêu cầu riêng của hệ thống truyền động. Trong đề tài này em chọn bộ biến đổi tiristor – động cơ. Bộ biến đổi là bộ phận quan trọng của hệ thống truyền động, nó quyết định khả năng và chất lượng điều chỉnh các chế độ làm việc. Bộ biến đổi xoay chiều – một chiều dùng tiritor chính là mạch điện chỉnh lưu có điều khiển dùng tiristor để biến đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều điều chỉnh điện áp đi vào mạch phần ứng động cơ. Sơ đồ khối hệ thống tiristor – động cơ (T - Đ) Hình 1-4 * Ưu điểm của hệ thống này: + Tính tác động nhanh. + Hệ thống gọn nhẹ, dễ tạo ra hệ thống vũng kớn. + Hệ thống nâng cao được độ cứng đặc tính cơ và mở rộng phạm vi điều chỉnh. + Có thể điều chỉnh vô cấp, sai lệch tĩnh nhỏ. + Dễ tự động hoá hệ thống. + Tác động nhanh, hoạt động tin cậy. + Khụng gây ồn, không cần nền móng đặc biệt. + Hiệu suất cao, giá thành rẻ. 1.3.1. Chọn phương pháp hãm. Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mụmen quay ngược chiều tốc độ quay. Với động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba phương pháp hãm là: + Hãm tái sinh. + Hãm ngược. + Hãm động năng. Việc chọn phương pháp hãm phù hợp với yêu cầu công nghệ là điều rất quan trọng. Với đề tài này, hệ thống yêu cầu không đảo chiều quay (bộ biến đổi không làm việc ở chế độ nghịch lưu) vì vậy không có hãm tái sinh, để hãm ngược cần công tắc đảo chiều điện áp (vì E không đổi chiều) dẫn tới hệ thống phức tạp. Vì vậy, trong ba phương pháp hóm trờn thỡ phương pháp hãm động năng là phù hợp với yêu cầu của đề tài. Vỡ nú có mạch hãm đơn giản, không sử dụng năng lượng khi hãm, có khả năng hãm khi mất điện, tự dừng khi điện áp về không. Vì vậy, đối với hệ thống này em sử dụng phương pháp hãm động năng kích từ độc lập. 1.3.2 Chọn sơ đồ chỉnh lưu. Trong thực tế có nhiều sơ đồ chỉnh lưu đáp ứng được yêu cầu công nghệ. Tuy nhiên ở mỗi sơ đồ cú cỏc chỉ tiêu về chất lượng, giá thành khác nhau. Với yêu cầu của đề tài em chọn sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha. Sơ đồ tia 3 pha iT1 ia * * BA iA iB iC A T2 ib B iT2 * * ic * * C iT3 Ed Ld Rd id T3 ud K Hình 1-7 a b c 0 * Sơ đồ nguyên lý : Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha gồm: - BA: máy biến áp 3 pha cung cấp điện áp cho sơ đồ chỉnh lưu. - Các Tiristor T1, T2, T3 dùng để biến điện áp xoay chiều 3 pha bên thứ cấp máy biến áp BA là ua, ub, uc thành điện áp một chiều trên tải Ud . - Rd, Ld , Ed: các phần tử phụ tải của bộ chỉnh lưu. - iA, iB, iC: dũng các pha cuộn dây sơ cấp của BA. - ia, ib, ic: dũng các pha cuộn dây thứ cấp của BA. - iT1, iT2, iT3: dũng các van chỉnh lưu. - id: dòng điện chỉnh lưu. * Nguyên lý làm việc Hình 1-8 Ta xét trường hợp Ld = , cho sơ đồ làm việc với một góc điều khiển bằng và cũng giả thiết là sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm bắt đầu xét (wt = 0): - Ta giả thiết điện cảm là vô cùng lớn (Ld = ∞) và bỏ qua quá trình chuyển mạch trước thời điểm wt = n1= α + π/6 thì T3 đang dẫn dòng và các van khỏc cũn ở trạng thái khoá. Khi đú trờn van T1 sẽ có điện áp thuận (vì uT1= ua - uc= uac, và tại wt = n1= α + π/6 thì uac >0 nên uT1>0). Tại wt = n1= α + π/6 thì T1 có tín hiệu điều khiển, T1 có đủ cả 2 điều kiện để mở nên T1 mở và uT1 giảm về bằng 0. Do uT1= 0 nên ud= ua, và từ sơ đồ ta xác định được điện áp trên T3 là uT3= uc - ua= uca, tại n1 thì uca<0, tức là T3 bị đặt điện áp ngược nờn khoỏ lại, van T2 thì vẫn khoá. Do vậy trong khoảng tiếp sau n1 trong sơ đồ chỉ có van T1 dẫn dòng, khi T1 dẫn dòng : ud= ua ; uT1 = 0 ; uT2= uba ; uT3= uca ; iT1= id = Id ; iT3= iT2 = 0 ; - Đến wt = 5π/6 thì ua = ub, đây là thời điểm mở tự nhiên đối với T2 nhưng T2 chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, do ua vẫn dương kết hợp với tác dụng cùng chiều của sức điện động tự cảm trong Ld mà T1 vẫn tiếp tục dẫn dòng. - Đến wt = π thì ua=0 và sau đó chuyển sang âm nhưng T2 còn chưa mở nên T1 vẫn tiếp tục làm việc nhờ sức điện động tự cảm của Ld (ở đây α >30o). - Tại wt = n2 = 5π/6 + α thì T2 có tín hiệu điều khiển và do đang có điện áp thuận nên T2 mở, T2 mở thì uT2 giảm về bằng 0 nên ud= ub và uT1 = ua-ub =uab, mà tại n2 thì uab<0, tức là T1 bị đặt điện áp ngược nờn khoỏ lại. Do vậy từ n2 trong sơ đồ chỉ có van T2 dẫn dòng, khi T2 mở: ud= ub ; iT1 = 0 ; uT2= 0 ; iT2= id = Id ; iT3 = 0 ; uT1= uab ; uT3= ucb . Suy luận tương tự như vậy ta có từ wt = n2 ữ wt = n3 thì T3 làm việc và: ud = uc ; i T1 = 0 ; iT2= 0 ; iT3= id = Id ; uT1 = uac ; uT2= ubc ; uT3= 0. - Tại wt = n4 thì T1 lại có tín hiệu điều khiển, T1 lại mở và sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc giống như từ wt = n1. Từ tính chất lặp đi lặp lại trạng thái làm việc của sơ đồ chỉnh lưu ta suy ra giai đoạn wt = 0 ữwt = n1 cũng tương tự giai đoạn wt = 2π ữwt = n4, mà giai đoạn wt = 2π ữwt = n4 lại nằm trong giai đoạn wt = n3 ữ wt = n4: van T3 dẫn dòng, điều này hoàn toàn phù hợp với giả thiết ban đầu. * Một số biểu thức tính toán: Ud = Udo .cosa ; với Udo = (3/2π).U2 ≈ 1,17.U2 UTthmax = UTngmax = .U2 ; ITtb = ; IT = Dòng hiệu dụng cuộn dây sơ cấp và thứ cấp máy biến áp khi tổ nối dây Y/Yo: ; * Nhận xét: Sơ đồ hình tia ba pha có mạch đơn giản, tốn ít linh kiện, rẻ, mạch điều khiển thiết kế biến áp nguồn cấp (để trỏnh gõy mất đối xứng cho nguồn lưới) và khi tải có yêu cầu không. Qua phân tích ở trên ta thấy sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha có nhiều ưu điểm hơn so với các sơ đồ khác. Với yêu cầu phụ tải là điện trở, điện cảm, sức điện động theo đề tài đã cho em lựa chọn sơ đồ hình tia ba pha là sơ đồ thiết kế mạch động lực. 1.3.3 Chọn các thiết bị phụ trợ bộ biến đổi. Do những đặc trưng riêng của các phần tử sử dụng trong bộ biến đổi, nhất là đối với các van mà ta cần phải trang bị thêm một số trang thiết bị bảo vệ. Các tác nhân có thể gây hỏng van, ảnh hưởng đến sự làm việc bình thường như: nhiệt độ các van quá giá trị cho phép, quá giá trị dòng điện các van, quá điện áp trờn cỏc van… Do vậy, việc trang bị các thiết bị bảo vệ như: sử dụng mạch bảo vệ quá gia tốc R-C mắc song song với Tiristor, cuộn kháng lọc, các thiết bị bảo vệ ngắn mạch như cầu chì, thiết bị đóng cắt như công tắc tơ, máy biến áp chỉnh lưu… là một việc làm cần thiết. CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ TÍNH CHỌN THIẾT BỊ 2.1. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐỘNG LỰC * Giới thiệu sơ đồ: - ATM: ỏp tụ mỏt. - BA: Máy biến áp động lực. - T1ữT3: Các Tiristor của sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha. - L: Điện cảm. - R-C: Các phần tử bảo vệ cho các Tiristor. - ĐC: Động cơ một chiều kích từ độc lập. - CKĐ: Cuộn kích từ của động cơ - Rh : Điện trở hãm động năng - H: tiếp điểm thường hở - K : tiếp điểm thường kín 2.2.THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Khi nghiên cứu sơ đồ mạch động lực, ta đã biết để các van có điều khiển của bộ chỉnh lưu có thể mở tại các thời điểm mong muốn thì ngoài điều kiện tại thời điểm đú trờn van phải có điện áp thuận đặt lên Anụt - Katụt thỡ trờn điện cực điều khiển và Katụt của van phải có một điện áp điều khiển (tín hiệu điều khiển). Để hệ thống cú cỏc tín hiệu điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu mở van đó nờu thỡ người ta sử dụng một mạch điện tạo ra tín hiệu đó gọi là mạch điều khiển hay còn gọi là hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu. Điện áp điều khiển của các Tiristor phải đáp ứng được yêu cầu cần thiết về công suất, biên độ cũng như thời gian tồn tại. Do đặc điểm của Tiristor là khi van đã mở thì việc còn tín hiệu điều khiển nữa hay không không ảnh hưởng đến dòng qua van. Vì vậy, để hạn chế công suất của mạch phát tín hiệu điều khiển và giảm tổn thất trờn vựng điện cực điều khiển người ta thường tạo ra các tín hiệu điều khiển Tiristor có dạng xung, do đó mạch điều khiển còn gọi là mạch phát xung điều khiển. Các xung điều khiển được tính toán sao cho độ dài của xung đủ thời gian cần thiết để mở van với mọi loại tải có thể có khi sơ đồ làm việc. Thông thường độ dài xung nằm trong giới hạn từ 200às đến 600às. Các hệ thống phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu hiện nay đang sử dụng được phân làm 2 nhúm chớnh: + Nhúm các hệ thống điều khiển đồng bộ. + Nhúm các hệ thống điều khiển không đồng bộ. Nhúm các hệ thống điều khiển không đồng bộ rất phức tạp nờn nú ớt được sử dụng. Hiện nay, người ta thường hay sử dụng các hệ thống điều khiển đồng bộ. Đây là nhúm cỏc hệ thống điều khiển mà các xung điều khiển xuất hiện trên điện cực điều khiển các Tiristor đúng thời điểm cần mở van và lặp đi lặp lại mang tính chất chu kỳ với chu kỳ bằng chu kỳ nguồn điện xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu. Các hệ thống điều khiển đồng bộ thường sử dụng hiện nay bao gồm: + Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha đứng. + Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha ngang. + Hệ thống điều khiển chỉnh lưu dựng Điụt hai cực gốc (Tranzitor một tiếp giáp). Với đề tài này em sử dụng phương pháp điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha đứng. Hệ thống này có nhược điểm là khá phức tạp, song nú cú những ưu điểm nổi bật như: khoảng điều chỉnh góc mở rộng, ít phụ thuộc vào sự thay đổi điện áp nguồn, dễ tự động hoá, mỗi chu kỳ của điện áp anụt của Tiristor chỉ có một xung được đưa đến mở nên giảm tổn thất trong mạch điều khiển… * Sơ đồ khối mạch tạo xung theo nguyên tắc khống chế pha đứng. Khi nghiên cứu các mạch phát xung theo nguyên tắc khống chế pha đứng, người ta chia các mạch điện hệ thống ra làm bốn khối có chức năng khác nhau và được biểu diễn như sơ đồ khối sau: ĐBH & FSRC SS SX KĐX & TX u1 urc uđk uđkT Khối 1 Khối 2 Khối 3 Khối 4 Hình 2-2 + Khối 1 (ĐBH & FSRC): Khối đồng bộ hóa và phát sóng răng cưa. Khối này có nhiệm vụ lấy tín hiệu đồng bộ hoá và phát ra sóng điện áp hình răng cưa để đưa vào khối so sánh. + Khối 2 (SS): Khối so sánh. Khối này có nhiệm vụ so sánh giữa tín hiệu điện áp tựa hình răng cưa với điện áp điều khiển Uđk. + Khối 3 (SX): Khối sửa xung, có tác dụng thay đổi lại độ dài xung cho phù hợp với yêu cầu bài toán. + Khối 4 (KĐX & TX): Khối khuếch đại xung và truyền xung, có nhiệm vụ khuếch đại xung và truyền xung đến các Tiristor, thông thường dùng biến áp xung (BAX). Các đại lượng điện áp sử dụng là: + u1 : là điện áp lưới (nguồn) xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu. + urc : điện áp tựa thường có dạng hình răng cưa lấy từ đầu ra khối ĐBH& FSRC. + uđk : điện áp điều khiển, đây là điện áp một chiều được đưa từ ngoài vào dùng để điều khiển giá trị góc α. + uđkT : điện áp điều khiển Tiristor, là chuỗi các xung điều khiển lấy từ đầu ra hệ thống điều khiển và được truyền đến điện cực điều khiển (G) và katụt (K) của các Tiristor. 2.2.1. Chọn và phân tích sơ đồ nguyên lý mạch đồng bộ và tạo điện áp răng cưa. a. Mạch đồng bộ hoá: Để tạo ra được điện áp đồng bộ đạt các yêu cầu đặt ra ta thường sử dụng hai kiểu mạch đơn giản là: - Mạch phõn ỏp bằng các điện trở hoặc bằng điện trở kết hợp điện dung hay điện cảm. Trong mạch đồng bộ này điện áp đầu vào là điện áp lưới xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, điện áp ra cũng là điện áp xoay chiều hình sin cùng tần số trùng hoặc lệch một góc pha xác định. Kiểu mạch này ít được sử dụng vỡ cú sự liên hệ trực tiếp về điện giữa mạch động lực và mạch điều khiển bộ chỉnh lưu. - Mạch đồng bộ dựng mỏy biến áp : Hình 2-3 A * * B * * C * * uđba uđbb uđbc 0 BAĐ * * ul uđb BAĐ Trong trường hợp này người ta sử dụng một máy biến áp công suất nhỏ thường là máy biến áp hạ áp để tạo ra điện áp đồng bộ. Điện áp lưới u1 được đặt vào cuộn sơ cấp cũn bờn thứ cấp ta lấy ra điện áp đồng bộ uđb. Ưu điểm của việc sử dụng máy biến áp so với các phương pháp khác là nó cách ly được mạch điều khiển và mạch động lực. Vì vậy, đối với hệ thống này em chọn mạch đồng bộ dựng mỏy biến áp. b. Mạch phát sóng răng cưa Để có một hệ thống xung xuất hiện lặp đi lặp lại với một chu kỳ bằng chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, đồng thời điều khiển được thời điểm xuất hiện của chúng trong mỗi chu kỳ thì ta sẽ sử dụng các mạch phát xung mà một trong các tín hiệu điều khiển nó là tín hiệu biến thiên theo chu kỳ của tín hiệu ra, đó là điện áp răng cưa. Mạch tạo điện áp răng cưa có thể dùng một số sơ đồ sau: + Sơ đồ dựng điụt, điện trở, tụ điện (mạch D-R-C). + Sơ đồ dùng mạch D-R-C nạp điện cho tụ bằng nguồn một chiều ổn định. + Sơ đồ dùng D-R-C và tranzitor. + Sơ đồ dùng D-R-C và tranzitor, nạp tụ bởi dòng không đổi. + Sơ đồ dùng vi mạch khuếch đại thuật toán (KĐTT). Với đề tài này em sử dụng sơ đồ mạch phát sóng răng cưa dùng vi mạch khuếch đại thuật toán (KĐTT). * Giới thiệu sơ đồ (hình 2-4) Sơ đồ gồm máy biến áp đồng bộ hoá BAĐ để tạo ra điện áp đồng bộ uđb. Phần mạch tạo điện áp răng cưa cũng sử dụng điụt, tranzitor, các điện trở, tụ điện và ở đây để tạo ra dòng nạp tụ ổn định ta ứng dụng tính chất đặc biệt của các bộ khuếch đại thuật toán vi điện tử KĐTT. 0 a ic1 urc * Mạch đồng bộ Hình 2-4 D1 ul R1 +Ucc -Ucc iv- i1 iv+ Tr1 - + IC1 R2 R3 uc * uđb BAĐ C1 WR1 uv * Nguyên lý làm việc: Trong sơ đồ này ta sử dụng khuếch đại thuật toán IC1 ghép với tụ C1 thành một mạch tích phân. Nguyên lý hoạt động của khâu này như sau: Giả thiết Tr1 khúa thì tụ C1 được nạp bởi dòng đầu ra của IC1, dòng nạp tụ được xác định ic = -i1 + iv-. Nếu IC1 là lý tưởng thì điện trở vào của nó Rv bằng ∞, dẫn đến dòng vào iv- và iv+ bằng 0, do vậy: ic= -i1, mặt khác i1= -Ucc/(WR+R) = I = const. Điều này có nghĩa rằng khi Tr1 khoỏ thì tụ C1 được nạp bởi dòng không đổi có giá trị I. Urcmax uđb u n1 wt 3p 2p p Hình 2-5 urc 0 Vậy ta có: + Từ wt=0 thì uđb=0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương, dẫn đến điụt D mở nên mạch phát gốc Tr bị đặt điện áp ngược, Tr khoá, tụ C được nạp điện bởi dòng không đổi. Điện áp trên tụ tăng dần theo quy luật tuyến tính. + Đến wt=p và bắt đầu chuyển sang âm, D khoá, Tr mở nên tụ C phóng điện nhanh qua Tr đến điện áp bằng không và giữ nguyên giá trị bằng không cho đến wt=2p. + Tại wt=2p, điện áp đồng bộ bằng không và bắt đầu chuyển sang dương, D lại mở, Tr lại khoá, tụ C lại được nạp điện như từ wt=0. Với giả thiết KĐTT là lý tưởng thì hệ số khuếch đại là vô cùng lớn, vậy nếu KĐTT đang ở chế độ khuếch đại tuyến tính thì điện giữa hai đầu vào được xem là bằng 0 (uv=0). Từ sơ đồ ta có: urc=uc+uv=uc. Tức là điện áp răng cưa đầu ra của sơ đồ bằng điện áp trên tụ C. Đồ thị điện áp răng cưa được biểu diễn trờn hỡnh 6. Do điện áp răng cưa là điện áp ra của KĐTT nờn cú nội trở rất nhỏ, vì vậy dạng điện áp ra hầu như không phụ thuộc vào tải mắc ở đầu ra mạch phát sóng răng cưa. Với sơ đồ này dung lượng tụ C chỉ cần rất nhỏ (thường chọn khoảng 220nF), vì vậy chọn tụ dễ dàng, mặt khác tụ phóng rất nhanh nên rất an toàn cho tranzitor Tr và điện áp ra rất gần với dạng răng cưa lý tưởng. 2.2.2. Chọn và phân tích sơ đồ nguyên lý mạch so sánh. Khối này làm nhiệm vụ so sánh urc và uđk nhằm tạo ra một hệ thống xung xuất hiện một cách chu kỳ với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa (cũng là chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu) và điều khiển được thời điểm xuất hiện của mỗi xung ta sử dụng các mạch so sánh. Có nhiều mạch khác nhau để thực hiện khâu so sánh, phổ biến nhất hiện nay là các sơ đồ so sánh dùng tranzitor và dùng khuếch đại thuật toán bằng vi mạch điện tử. Trong các sơ đồ mạch so sánh thì ta thường có hai tín hiệu vào là điện áp điều khiển một chiều (uđk) và điện áp răng cưa lấy từ đầu ra khâu ĐBH&FSRC (urc). Hai điện áp này được mắc sao cho tác dụng của chúng đối với đầu vào khâu so sánh là ngược chiều nhau. Có hai cách nối các điện áp này trên đầu vào mạch so sánh: + Nối nối tiếp urc và uđk: tổng hợp nối tiếp. + Nối song song qua các điện trở tổng hợp: tổng hợp song song. Với đề tài này, mạch điều khiển dựng khõu so sánh với sơ đồ sử dụng khuếch đại thuật toán, các tín hiệu đầu vào được tổng hợp song song gồm các tín hiệu điện áp vào. Tín hiệu điện áp răng cưa từ đầu ra của khối đồng bộ hoá được đưa tới đầu vào đảo của IC. Tín hiệu uđk là điện áp một chiều có giá trị âm không đổi và điều khiển được (ngược dấu với điện áp răng cưa) được đưa tới đầu vào không đảo của IC. Ta có sơ đồ mạch sau: u urc uđk n1 n2 wt wt n1 n2 n'1 n'2 a Ucc ura π 2π 3π π 2π 3π Hình2-7 0 0 * Nguyên lý hoạt động: + Trong khoảng từ 0 ữ n1, |urc| < |uđk|, hai tín hiệu cần so sánh đưa vào đầu vào đảo của KĐTT vì IC2 làm việc ở chế độ bão hoà nên ura = Ucc. + Trong khoảng từ n1 ữ n'1, |urc| > |uđk| → ura = -Ucc. Cứ tiếp tục như vậy ta sẽ nhận được tín hiệu sau khâu so sánh như hình vẽ trên. Mạch so sánh có nhiệm vụ so sánh điện áp điều khiển với điện áp răng cưa (cụ thể ở đây ta lấy điện áp sườn trước của điện áp răng cưa làm điện áp tựa để so sánh) để tạo ra góc mở a. 2.2.3. Chọn và phân tích sơ đồ nguyên lý khối sửa độ rộng của xung. Để đảm bảo các yêu cầu về độ chính xác của thời điểm xuất hiện xung, sự đối xứng của xung ở cỏc kờnh khác nhau, v.v. mà người ta thường thiết kế cho khâu so sánh làm việc với công suất xung ra nhỏ, do đó xung ra của khâu so sánh thường chưa đủ các thông số yêu cầu của điện cực điều khiển Tiristor. Để có xung có đủ các thông số yêu cầu cần thiết ta sẽ đưa vào hệ thống điều khiển một mạch điện có tác dụng sửa xung ra có biên độ và độ rộng không đổi mặc dù xung đầu vào thay đổi, gọi là mạch sửa xung. Các mạch sửa xung hoạt động theo nguyên tắc: Khi cú cỏc xung vào với độ dài khác nhau mạch vẫn cho các xung ra có độ dài giống nhau theo yêu cầu và giữ nguyên thời điểm bắt đầu xuất hiện của mỗi xung. Phụ thuộc vào từng trường hợp cụ thể mà mạch sửa xung có thể kết cấu tương đối phức tạp hoặc rất đơn giản, ví dụ có trường hợp mạch sửa xung chỉ là một mạch R-C ghép giữa khâu so sánh và mạch khuếch đại xung. Sau đây ta xét sơ đồ sửa xung dựng cỏc Tr kết hợp với mạch R-C, sơ đồ này có thể thực hiện sửa xung theo hai hướng (tăng độ dài khi độ dài xung vào nhỏ và ngược lại giảm độ dài khi độ dài xung vào lớn). +UCC + _- Tr2 D2 R7 R8 R6 ura(sx) uv(ss) Hình 2-8 C2 * Sơ đồ nguyên lý: urss t’3 t3 t1 t1 t3 t3 t1 t4 t3 t2 t1