Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Chơng III : thiết kế bộ chỉnh lu đIều chỉnh tốc độ động
cơ đIện một chiều
Đ 3.1. Nguyên lý điều khiển Thyristor trong mạch điện xoay
chiều.
Để điều khiển Thyristor trong mạch điện xoay chiều ta có nhiều nguyên tăc
khác nhau nhng trong thực tế ngời ta thòng dùng hai nguyên rắc điều khiển
sau :
- Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính .
- Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcos.
Để thực hiện điều chỉnh vị trí xung điều khiển đặt nên cực điều khiển ,trong
nửa chu kì dơng của điện áp đặt nên hai cực Anốt và Catốt của Thyristor .
3.1.Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính .
Theo nguyên tắc này ngời ta dùng hai dạng điện áp .
- Điện áp đồng bộ ,kí hiệu là U
S
,đồng bộ với điện áp đặt trên Anốt-Catốt của
Thyristor. Thờng đặt vào đầu đảo của khâu so sánh .
- Điện áp điều khiển, kí hiệu là U
cm
(điện áp một chiều, có thể điều chỉnh đợc
biên độ). Thờng đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh .
+ Khi đó hiệu điện thế đầu vào khâu so sánh là :
U
d
= U
cm
- U
S
.
+ Mỗi khi U

cm
= U
S
thì khâu so sánh lật trạng thái, ta nhận đợc sờn xuống
của điện áp đầu ra của khâu so sánh . Sờn xuống này thông qua đa hài một
trạng thái ổn định , tạo ra một xung điều khiển .
Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 30
Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
0
t
U
cm
U
S



2

U
S m
Hình3.1: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
U
S
U
cm
Nh vậy bằng cách thay đổi biên độ điện áp U
cm
, ta có thể điều chỉnh đợc
thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh đợc góc mở

đa vào cực điều
khiển của Thyristor .
Ta có quan hệ :

Usm
Ucm
=

Ngời ta lấy U
cm max
= U
S m

3.2.Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccos.
Theo nguyên tắc này ngời ta dùng hai dạng điện áp .
- Điện áp đồng bộ U
S
, vợt trớc U
AK
= U
m
sint, của Thyristor một góc bằng
2/

.
U
S
= U
m

cost .
- Điện áp điều khiển U
cm
, là điện áp một chiều , có thể điều chỉnh đợc biên
độ theo hai chiều dơng và âm .
- Nếu đặt U
S
vào cổng đảo và U
cm
vào cổng không đảo của khâu so sánh thì
khi U
S
= U
cm
,ta nhận đợc một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi
khâu này lật trạng thái .
U
m
cost = U
cm

Do đó

= arccos (
Um
Ucm
)
Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 31
Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
+ Khi U

cm
= U
m
thì

= 0.
+ Khi U
cm
= 0 thì

=
2/

.
+ Khi U
cm
= - U
m
thì

=

.
U
s
U
AK
U
AK
U

s
U
cm

2

0
t
Hình3.2: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccos
Nh vậy khi điều chỉnh U
cm
từ trị số U
cm
= +U
m
đến U
cm
= - U
m
,ta có thể điều
chỉnh đợc góc

từ 0
0
180
0
.
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccos đợc sử dụng trong các thiết bị
chỉnh lu đòi hỏi chất lọng điều chỉnh cao .
Đ 3.2. Thiết kế mạch lực cầu chỉnh lu điều khiển Thyristor .

3.2.1.Tính chọn Thyristor .
Thông số của động cơ :
P
đm
= 2,8 Kw.
U
đm
= 220 V.
I
đm
= 17A.
Tính chọn Thyristor dựa vào các yếu tố cơ bản : dòng tải, điều kiện toả
nhiệt , điện áp làm việc . Các thông số cơ bản của van đợc tính nh sau :
+ Điện áp ngợc lớn nhất mà Thyristor phải chịu .
Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 32
Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
U
ng max
= k
nv
.U
2
= k
nv

Ku
Ud

Với : k
nv

=
2
k
u
=

22

U
ng max
=
2
.

22
220

U
ng max
= 345,4 (V)
Điện áp ngợc của Thyristor cần chọn :
U
ng V
= k
dt U
. U
ng max

Với : k
dt U

là hệ số dự trữ điện áp k
dt U
= 1,8
U
ng max
= 1,8.345,4
U
ng max
= 621,72 (V)
U
ng max
= 622 (V)
+ Dòng điện làm việc của van đợc tính theo dòng hiệu dụng .
I
lv
= I
hd
= k
hd
. I
d

Với : k
hd
=
2
1
I
lv
=

2
Id
=
2
17

I
lv
= 8,5 (A)
+ Dòng điện định mức của van .
Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ diện tích toả
nhiệt. Không có quạt đối lu không khí, với điều kiện đó dòng định mức của
van cần chọn :
I
đmV
= k
i
. I
lv

Với : k
i
là hệ số dự trữ dòng điện và chọn k
i
= 4
I
đm

V
= 4. 8,5 = 34 (A)

I
đm V
= 34 (A)
Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 33
Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Từ các thông số U
nv
, I
đmv
ta chọn đợc 4 Thyristor loại NO29RH10. Có các
thông số sau :
+ Điện áp ngợc cực đại của van : U
ng
= 1000 (V) .
+ Dòng điện định mức của van : I
đm
= 50 (A) .
+ Dòng điện của xung điều khiển : I
đk
= 0,15 (A) .
+ Điện áp của xung điều khiển : U
đk
= 3 (V)
+ Dòng điện rò : I
r
=
+ Sụt áp lớn nhất của Thyristor ở trạng thái dẫn là : U = 0,85 (V) .
+ Tốc độ biến thiên điện áp :
dt
dU

= (200 ữ 500)
s
V
à
.
+ Tốc độ biến thiên dòng điện :
dt
dI
= ( 10 ữ 70)
s
A
à
.
+ Thời gian chuyển mạch : t
cm
= 100
s
à
.
+ Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : T
max
= 125
0
C .
3.2.2.Tính toán các mạch bảo vệ Thyristor .
Các Thyristor cần đợc baỏ vệ khỏi tốc độ tăng dòng điện và tăng điện áp quá
lớn .
Khi đề cập đến cách bảo vệ các Thyristor chống lại các nguyên nhân gây h
hỏng ta dựa vào các giá trị dòng điện và điện áp mà mỗi Thyristor phải chịu .
- Bảo vệ tăng dòng điện quá lớn .

- Bảo vệ quá dòng điện nhờ nối tiếp vào mạch một cuộn kháng bão hoà lõi
thép Ferit với một vòng dây. Cuộn kháng có tác dụng hạn chế tốc độ tăng tr-
ởng dòng điện sự cố .
L
T
L đợc chọn theo kinh nghiệm : L = (50 ữ 100 )
à
H .
Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 34
Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
- Bảo vệ quá điện áp.
Để bảo vệ quá điện áp ta có thể dùng mạch RC mắc song song với Thyristor
để chống quá điện áp khi chuyển mạch nhiều .
T
R
C
Chọn R,C có thể dựa vào công thức sau :
+ C = C
*
min
.
im
U
Q2

C
*
min
là thông số chung gian phụ thuộc vào k .
K là hệ số quá áp : k =

im
in
Ub
PU
.
.

b là hệ số dự trữ về áp .
U
im
là giá trị điện áp ngợc thực tế đặt vào van .
Q là điện lợng tích tụ Q = f(
dt
dI
) tra trong sổ tay kĩ thuật .
+ R
min
.
Q
UL
2
min.
R
*
R
max
.
Q
UL
2

min.

Dựa vào các công thức trên, hình vẽ biểu diễn mối quan hệ C
*
và R
*
theo k.
Kinh nghiệm thực tế ta chọn đợc :
R = ( 10 ữ 1000 )

.
Chọn: R = 10(

)/3(w) .
C = 0,1 (
à
F)/600(mV) .
3.2.3.Vấn đề làm mát cho Thyristor khi làm việc .
Khi Thyristor mở cho dòng chảy qua , công suât tổn thất bên trong Thyristor
bao gồm :
Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 35
Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
- Tổn hao khi Thyristor dẫn theo chiều thuận .
- Tổn hao do chuyển mạch .
- Tổn hao trong mạch điều khiển do năng lợng của xung điều khiển trên cực
điều khiển gây ra .
Các tổn hao này sinh ra nhiệt làm phát nóng Thyristor , do đó ta phải lắp
thêm cánh tản nhiệt ở ngoài vỏ. Nhiệt lợng này sẽ đợc truyền ra vỏ qua lớp
chuyển tiếp rồi đến cánh tản nhiệt . Thyristor bán dẫn nếu không đợc làm mát
thì khả năng chịu dòng chỉ còn khoảng ( 30 ữ 50 )% I

đm
.
- Làm mát tự nhiên: Có thể khai thác chỉ cỡ 35%giá trị dòng trung bình cho
phép qua van .
- Làm mát cỡng bức bằng qụat gió: có thể khai thác đến 50% giá trị dòng
trung bình qua van .
- Làm mát cỡng bức bằng nớc: khai thác đến 95% giá ttrị dòng trung bình
qua van .
Nh vậy để khai thác triệt dể dòng điện qua van ,ta có thể làm mát bằng cách
cho nớc chảy trực tiếp qua cánh tản nhiệt .

Đ 3.3. Thiết kế mạch điều khiển .
Ta đã biết Thyristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dơng đặt
nên Anốt và có xung dơng đặt vào cực điều khiển. Sau khi Thyristor mở thì
xung điều khiển không còn tác dụng.Vì vậy việc Thyristor mở cho dòng điện
chảy qua là do thông số mạch điều khiển quyết định .
3.3.1.Mạch điều khiển có chức năng sau :
- Điều chỉnh đợc vị ttrí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ của điện
áp dơng đặt nên Anốt-Catốt của Thyristor .
- Tạo ra đợc các xung điều khiển đủ điều kiện mở đợc Thyristor. Xung điều
khiển có biên độ xung từ (2 ữ 10 )V, độ rộng xung điều khiển t
x
=
Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 36
Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
(20 ữ100) às (đối với thiết bị chỉnh lu) , t
x
< 100 às (đối với thiết bị biến đổi
tần số cao) .
- Sờn xung ngắn (t

s
= 0,5 ữ 1) às .
- Đảm bảo tính đối xứngvới các kênh điều khiển .
- Độ tác động nhanh của mạch điều khiển .
- Đảm bảo cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển .
U
x
t
0
U
t
s
t
x
3.3.2.Yêu cầu đối với xung điều khiển :
0
U
đk max
U
đk
U
đk
U
đk min
180
0

Giới hạn góc điều khiển

min

max
- Xung điều khiển đến các van lực theo đúng pha và góc điều khiển cần
thiết .
Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 37
Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
- Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển
min
+
max
tơng ứng với phạm
vi thay đổi điện áp ra của tải .
- Cho phép bộ chỉnh lu làm việc bình thờng với các chế độ khác nhau do tải
yêu cầu .
- Có độ đối xứng xung điều khiển tốt .
- Xung điều khiển phát tới các van lực phù hợp để mở các van lực .
- Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt .
Sơ đồ khối mạch điều khiển góc mở theo nguyên tắc thẳng đứng :
ĐF SSRC
FX
TX KĐ và BAX
ĐK
T
Hình3.3: Sơ đồ khối mạch điều khiển
- Khâu ĐF: tạo ra điện áp đồng pha với điện áp nguồn .
- Khâu SS : tạo thời điểm phát ra xung điều khiển bằng cách so sánh điện áp
điều khiển với đIện áp tựa. Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau sẽ xuất
hiện một xung , lấy sờn dơng để chế thành xung điều khiển mở Thyristor .
- Khâu KĐX và BAX: khuếch đại xung đảm bảo biên độ , độ rộng xung đủ
để mở Thyristor, và cách ly mạch điều khiển với mạch lực .

Để điều khiển góc mở theo nguyên tắc thẳng đứng cho bản đồ án này ta sử
dụng mạch điều khiển góc mở dùng IC(LM324) và IC(LM741) đợc trình
bày nh sau :
3.3.3.Tính toán các khâu của mạch điều khiển :
3.3.3.1. Khâu đồng pha .
1.Sơ đồ nguyên lý .
Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 38
Ch¬ng III : ThiÕt kÕ bé chØnh lu ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu
BA§P
-12
H×nh3.4: S¬ ®å nguyªn lý kh©u ®ång pha
R
3
6
R
4
R
7
R
5
C
7
D
3
D
4
GND
3
2
1

4
1
1
U1A
GND
GND
-12
5
6
7
U1B
+12
1
2
3
R
GND
0
220V
R0
GND
2.§å thÞ d¹ng ®iÖn ¸p ra .
Sinh viªn : Vò Quang TiÕn - Líp C§T§H3 - K47 39
Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
U
0
0
t
t
t

t
U
1
U
2
U
3
0
0
2U
bh
Hình3.5: Đồ thị dạng điện áp ra khâu đồng pha
-2U
bh
T
1
T
-U
bh
-U
bh
+U
bh
+U
bh
3.Nguyên lý hoạt động .
Điện áp U
0
(tại điểm 0) là điện áp ra của thứ cấp biến áp đồng pha nên là
điện áp xoay chiều hình sin đợc đa vào cổng không đảo của khuếch đại thuật

toán U1A thông qua điện trở R3 . Sau khâu khuếch đại thuật toán U1A ta đợc
Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 40
Chơng III : Thiết kế bộ chỉnh lu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
điện áp ra tại điểm (1) là U
1
có dạng chuỗi xung hình chữ nhật dơng âm kế
tiếp ,có biên độ U
1
= U
bh
.
Chuỗi xung hình chữ nhật này đợc đa sang khâu vi phân gồm có tụ C
7
và
điện trở R
6
.
- Khi U
1
= - U
bh
thì tụ C
7
đợc nạp từ đất nên U
2
= U
GND
= 0 .
- Xét tại thời điểm t = t
1

, khi điện áp U
1
tăng đột ngột từ U
bh
nên +U
bh
, do
đó điện áp U
1
= U
bh
. Khi đó điện tích trên 2 bản cực của tụ C
7
không kịp thay
đổi do đó U
2
= 2U
bh
. Sau đó U
1
= +U
bh
thì tụ C
7
sẽ phóng điện qua điện trở R
6

về đất đến khi U
2
= 0. Thời gian tụ C

7
phóng điện về đất là T
1
.
- Xét tại thời điểm t = t
2
, khi điện áp U
1
giảm đột ngột từ U
1
= +U
bh
xuống U
1
= -U
bh
, đo đó U
1
= 2U
bh
. Khi đó điện tích trên hai bản cực tụ C
7
cũng cha kịp
thay đổi do đó U
2
= -2U
bh
. Sau thời điểm đó thì U
1
= -U

bh
và tụ C
7
sẽ phóng
điện qua điện trở R6 về đất đến khi U
2
= 0. Thời gian phóng điện của tụ C
7

cũng là T
1
.
Nh vậy ta có điện áp ra sau khâu vi phân là U
2
có dạng chuỗi xung kim tam
giác dơng âm kế tiếp .
Chuỗi xung kim U
2
đợc đa tới khâu khuếch đại thuật toán U1B thông qua
hai điốt D
3
và D
4
mắc song song ngợc .
- ở nửa chu kỳ đầu khi U
2
> 0 thì điốt D
3
sẽ thông . Điện áp đợc đa vào cửa
đảo của U1B bằng tổng U

2
+ điện áp phân áp trên R
4
và R
5
.
Qua U1B điện áp bị đảo dấu. Điện áp ra tại điểm (3) là U
3
là điện áp âm .
Khi U
2
= 0 thì cả D
3
và D
4
đều khoá, điện áp vào cửa đảo của U1B lấy trên
phân áp R
4
và R
5
là điện áp âm nên điện áp ra U
3
là điện áp dơng .
Khi U
2
< 0 thì điốt D
4
sẽ thông điện áp âm đặt nên cửa không đảo của U1B
nên điện áp ra U
3

là điện áp âm .
4.Tính toán khâu đồng pha .
a)Tính khâu vi phân .
+ Khi U
1
= -U
bh
thì U
2
= U
GND
= 0 .
Sinh viên : Vũ Quang Tiến - Lớp CĐTĐH3 - K47 41