Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị bán dẫn công suất trong mạch bảo vệ động cơ p8 pdf

Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


71
4.3 nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất
4.3.1 Yêu cầu của mạch bảo vệ
Ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây phần tĩnh là dạng h hỏng cơ bản
của động cơ điện không đồng bộ, nó có thể làm hỏng động cơ, làm tụt áp
trong mạch điện và ảnh hởng đến công tác của động cơ khác. Ta có thể sử
dụng cầu chảy hoặc áp tô mát để bảo vệ cho động cơ.
Ta thấy rằng cầu chảy, áp tô mát chỉ bảo vệ đợc ngắn mạch, thấp áp
hoặc quá áp còn khi xảy ra hiện tợng đảo pha hoặc mất thứ tự pha thì chúng
không bảo vệ đợc. Do đó nhất thiết trong các dây truyền sản xuất ta phải có
thiết bị bảo vệ mất pha và đảo pha. Vì khi xảy ra 2 hiện tợng trên thì hậu quả
rất nghiêm trọng.
Hơn nữa trong các hệ truyền động đặc biệt nh: thang máy, băng tải,
cần trục khi xảy ra sự cố mà không có mạch bảo vệ thì hậu quả thật không thể
lờng trớc đợc.
Từ đó việc nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ chống mất pha và mất thứ
tự pha và các dạng bảo vệ khác là đặc biệt quan trọng. Vậy đề tài Nghiên
cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất mà ở đây là
nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ chống mất pha và mất thứ tự pha cho động cơ
ba pha mang tính thực tế sâu sắc và thực sự cần thiết.
4.3.2 Nhiệm vụ của mạch bảo vệ
Trong thực tế vận hành động cơ phục vụ cho sản xuất thì mạch bảo vệ
động cơ đóng một vai trò hết sức quan trọng. Mạch bảo vệ động cơ có nhiệm
vụ phát hiện kịp thời, báo tín hiệu có sự cố (bằng còi, đèn báo ) , cắt động cơ
ra khỏi nguồn nếu có sự cố.
Yêu cầu: Tác động tin cậy
Độ chính xác cao
Tác động nhanh, có chọn lọc

Đơn giản gọn nhẹ, dễ vận hành, dễ sửa chữa, độ bền cao.
4.3.3 Mạch bảo vệ động cơ
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46


72
§èi t-îng
B
iÕn ®æi
Tæng hîp
K
huÕch ®¹i
K
h©u
c
hÊp
hµnh
+S¬ ®å khèi


+ S¬ ®å nguyªn lý H×nh: 4.6
+ Nguyªn t¾c ho¹t ®éng
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


73
- Khi nguồn hoạt động bình thờng (có cả ba pha theo đúng thứ tự A, B, C)
Tín hiệu đợc lấy trực tiếp từ các pha của nguồn xoay chiều ba pha có
U
d

= 380V; U
p
= 220V. Động cơ đợc cấp điện từ nguồn ba pha qua một cầu
dao ba pha đợc điều khiển bởi mạch bảo vệ điện tử.
Trong sơ đồ này, các điôt D
1
, điện trở R
1
và điện trở ổn áp D
z1
của pha
A tạo thành mạch chỉnh lu và ghim điện áp. Trên đầu vào 2 của phần tử
NAND N1A (ứng với nửa chu kỳ dơng của điện áp pha A) sẽ có xung với
biên độ 12V và độ rộng xung bằng nửa điện áp nguồn. Các phần tử tơng ứng
của pha B và pha C cũng tạo nên các xung tơng tự pha A nhng lệch pha
nhau 1/3 chu kỳ (tơng ứng với góc pha là 120
0
). Tổ hợp của các phần tử
N1A, mạch tạo xung C
1
R
4
, phần tử NOT K1A và K4A tạo nên một tín hiệu
ứng với sờn âm của xung bởi mạch chỉnh lu, ghim pha A có biên độ bằng
12V và độ rộng xung chỉ phụ thuộc vào tham số của mạch tích phân đa vào
đầu vào một của mạch AND V1A. Tín hiệu này đợc tổ hợp với tín hiệu xung
12V độ rộng xung T/2 ứng với nửa chu kỳ dơng 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 trớc. Quá trình diễn ra tơng tự ở pha B
và pha C nhng khoảng thời gian lần lợt chậm sau 1/3 chu kỳ tính từ pha A.

Lần lợt 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 120
0
).
Điôt D
4
đóng vai trò mạch cộng đa tín hiệu của ba xung qua tụ lọc C
4
.
Tụ lọc C
4
có tác dụng san bằng điện áp trung bình của ba xung này để đa vào
cực bazơ của tranrito T. Tranrito T đợc tính toán sau cho dòng điện vào I
B

thoả mãn điều kiện U
BE
U
BEbh
thì T làm việc ở chế độ mở bão hoà. Lúc này
đầu ra X sẽ có xung, xung này đợc đặt vào cực B của tranzito T
1
làm cho T
1

phân cực thuận. Đồng thời đầu ra X
1
cũng có tín hiệu ở mức thấp, làm cho T
2
phân cực ngợc. Tín hiệu tiếp tục qua N5A và đặt một điện áp thuận lên cực

bazơ của các tranzito T
8
, T
9
, T
10
, tranzito thông làm cho các điôt của optotriac
phát sáng sẽ tác động làm triac dẫn. Cấp xung điều khiển mở các triac TA4,
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


74
TA5, TA6. Cấp điện nguồn cho động cơ. Lúc này mạch hoạt động bình
thờng.
- 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 thờng (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 đa vào chân
của mạch AND V2A do đó ở đầu ra của V2A không có xung ra.
ở pha C, không có tín hiệu đa vào chân 1 của mạch AND V3A nên tại
đầu ra của V3A không có xung ra.
Nh vậy, mạch cộng D
4
chỉ có một xung duy nhất ở pha A qua tụ lọc C
4

đa vào cực bazơ của tranzito T, tín hiệu này không đủ để T mở, T bị khoá
nên tín hiệu không đợc đặt lên cực bazơ của tranzito T
1

nên tranzito T
1
phân
cực ngợc không cho dòng đi qua. Đồng thời lúc này đầu ra của X
1
có tín hiệu
đặt lên cực B của T
2
, làm T
2
phân cực thuận nhng do mất pha C nên tranzito
T
3
phân cực ngợc không cho dòng qua toàn bộ hệ thống phía sau không hoạt
động. Động cơ đợc ngắt ra khỏi nguồn ngừng hoạt động.
Với phân tích tơng tự nh trên, nếu xảy ra mất các pha khác, động cơ
sẽ không đợc 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 đa 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 đa 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.
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


75

Tại pha C khi có tín hiệu đa 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 C
4
không đợc nạp điện nên T
bị khoá, ở đầu X không có tín hiệu nên tranzito T
1
phân cực ngợc và không
cho dòng đi qua, lúc này các tranzito T
2
, T
3
, T
4
phân cực thuận. tín hiệu qua
cổng AND N4A đợc đa 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 ngợc đặt lên tranzito T.
Ta có dạng xung ra ở các mạch lôgic trong các trờng hợp sau:

B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46


76
Tr−êng hîp xung ra khi nguån ®óng, ®ñ pha

B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46


77
Tr−êng hîp xung ra khi nguån mÊt mét pha (Pha C)

B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46


78
Tr−êng hîp xung ra khi nguån ®¶o pha BAC

Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


79
+ 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
đm
= 1,5 KW
cos
= 0,82

/= 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 đợc 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 lu D
1
ữ D
6
là loại 1N4007
Chọn điôt zerne D
Z1
ữ D
Z3
có thông số U
z
= 12V và I
z
= 13mA
Tính chọn điện trở hạn chế R
hc
(R
1
, R
2
, R
3

)
R
hc
= R
1
= R
2
= R
3
=
z
z
UU
I

=
220 12
13

= 16,8 K
Chọn mạch NAND (N1A
ữ N4A) Là loại 4011 có điện áp làm việc
U
lv
= 12V
Mạch tích phân gồm tụ điện C và điện trở R, ta chọn:
Điện trở R= R
4
= R
5

=R
6
= 6,8 K
Lúc này ta sẽ tính đợc giá trị của tụ C.
Do xung đợc tạo ra trong
1
2
T nên về nguyên tắc tạo ra xung ổn định
thì độ rộng xung phải là t
x

1
2
T.
Mà T=
1
f
=
1
50
= 0,02 s
Do hàm xung là hàm mũ nên U(t)= E.e
-

t

Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


80

U(t)= 0 khi t hay độ rộng xung t
x

Lấy giá trị gần đúng ta có: U(t
x
)= 0,05.E và coi U(t
x
= 0)= 0
Mà t
x
= 3 (Theo tài liệu kỹ thuật xung - Vơng Cộng)
Nên 3

1
2
T hay
1
6
T = 0,02/6= 0,003333s
Mà
= RC nên C= .R
-1
= 0,0033.6,8
-1
= 485 nF
Vậy chọn C
1
= C
2
= C

3
= 470 nF
Chọn NOT K1A
ữ K8A loại 4049 có thông số: U
lv
= 12 V
Chọn AND V1A
ữ V6A loại 4081 có thông số: U
lv
= 12V
Tụ lọc C
4
chọn loại tụ có điện dung 10F (C
4
= 10F)
Ta tính toán dòng I
B
đa vào cực bazơ của T
+ Trờng hợp nguồn đúng thứ tự và đủ pha:
Điện áp trung bình: U
tb
=3
0
1
T
t
Ue dt
T

Với U= 12V điện áp nguồn

=
1
R
C
=
39 5
11
6,8.10 .470.10 319,6.10


=
Thay số: U
tb
=
()
3
.1
T
U
e
T



=
5

1
0,02
319,6.10
5
3.12
.1
1
0,02.
319,6.10
e








= 5,74 V
Điện áp đặt vào cực bazơ của T:
U
B
= (U
tb
- U
D4
).
8
78
R

R
R
+
= (5,74- 0,7)
10
51 10
+
0,83 V
Từ kết quả trên ta thấy T thông bão hoà sâu.
+ Trờng hợp nguồn mất pha:
Điện áp của một xung: U
1tb
=
3
tb
U
1,91 V
Điện áp đặt vào cực bazơ của T:
U
B
= (U
tb
- U
D4
).
8
78
R
R
R

+
= (1,91- 0,7)
10
51 10
+
0,2 V