Tài liệu Động cơ điện một chiều P3 docx

Chương III : Thiết kế bộ chỉnh lưu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Sinh vêªn : ũò Quang TếÕn - ớíp ЧЧH3 - K47
30
Chương III : THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
§
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 nhưng trong thực tế người ta thưòng 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 dương 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 người 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. Thường 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
được biên độ). Thường 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 được “sườn
xuống” của điện áp đầu ra của khâu so sánh . “Sườn xuống “ này thông qua
đa hài một trạng thái ổn định , tạo ra một xung điều khiển .

Chương III : Thiết kế bộ chỉnh lưu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Sinh vêªn : ũò Quang TếÕn - ớíp ЧЧH3 - K47
31
0
t
U
cm
U
S
Π
α
Π
2
α
U
Sm
H×nh3.1: Nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn th¼ng ®øng tuyÕn tÝnh
U

S
U
cm

Như vậy bằng cách thay đổi biên độ điện áp U
cm
, ta có thể điều chỉnh
được thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh được góc mở
α
đưa vào
cực điều khiển của Thyristor .
Ta có quan hệ :

Usm
Ucm
Π=
α

Người ta lấy U
cm max
= U
S m


3.2.Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “Arccos”.
Theo nguyên tắc này người ta dùng hai dạng điện áp .
- Điện áp đồng bộ U
S
, vượt trước U
AK

= U
m
sinωt, của Thyristor một góc
bằng
2/Π
.
U
S
= U
m
cosωt .
- Điện áp điều khiển U
cm
, là điện áp một chiều , có thể điều chỉnh được
biên độ theo hai chiều dương 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 được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh
khi khâu này lật trạng thái .
U
m
cosωt = U
cm

Chương III : Thiết kế bộ chỉnh lưu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Sinh vêªn : ũò Quang TếÕn - ớíp ЧЧH3 - K47
32
Do đó
α
= arccos (
Um
Ucm
)
+ Khi U
cm
= U
m
thì
α
= 0.
+ Khi U
cm
= 0 thì
α
=
2/Π
.
+ Khi U
cm
= - U
m
thì

α

=
Π
.
U
s
U
AK
U
AK
U
s
U
cm
Π
Π2
α
0
t
H×nh3.2: Nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn th¼ng ®øng Arccos

Như vậy khi điều chỉnh U
cm
từ trị số U
cm
= +U
m
đến U
cm

= - U
m
,ta có thể
điều chỉnh được góc
α
từ 0
0
→ 180
0
.
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “Arccos” được sử dụng trong các thiết
bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lưọng điều chỉnh cao .

§
3.2. Thiết kế mạch lực cầu chỉnh lưu 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 được tính như sau :
Chương III : Thiết kế bộ chỉnh lưu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Sinh vêªn : ũò Quang TếÕn - ớíp ЧЧH3 - K47
33
+ Điện áp ngược lớn nhất mà Thyristor phải chịu .
U
ng max
= k
nv
.U
2
= k
nv

Ku
Ud

Với : k
nv
=
2


k
u
=
Π
22

U
ng max
=

2
.
Π
22
220

U
ng max
= 345,4 (V)
Điện áp ngược 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 được 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 lưu 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
Chương III : Thiết kế bộ chỉnh lưu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Sinh vêªn : ũò Quang TếÕn - ớíp ЧЧH3 - K47
34
I
đm

V
= 4. 8,5 = 34 (A)
I
đm V
= 34 (A)
Từ các thông số U
nv
, I
đmv

ta chọn được 4 Thyristor loại NO29RH10. Có
các thông số sau :
+ Điện áp ngược 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 : ΔU = 0,85 (V) .
+ Tốc độ biến thiên điện áp :
dt
dU
= (200 ÷ 500)
s
V
μ
.
+ Tốc độ biến thiên dòng điện :
dt
dI
= ( 10 ÷ 70)

s
A
μ
.
+ Thời gian chuyển mạch : t
cm
= 100
s
μ
.
+ 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 được 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
hư 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 điệ
n 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
trưởng dòng điện sự cố .
Chương III : Thiết kế bộ chỉnh lưu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Sinh vêªn : ũò Quang TếÕn - ớíp ЧЧH3 - K47
35

L
T

L được chọn theo kinh nghiệm : L = (50 ÷ 100 )
μ
H .
- 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
Q
2

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 ngược thực tế đặt vào van .
Q là điện lượng 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 được :
Chương III : Thiết kế bộ chỉnh lưu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Sinh vêªn : ũò Quang TếÕn - ớíp ЧЧH3 - K47
36
R = ( 10 ÷ 1000 )
Ω
.
Chọn: R = 10(
Ω
)/3(w) .
C = 0,1 (
μ
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 :
- Tổn hao khi Thyristor dẫn theo chiều thuận .
- Tổn hao do chuyển mạch .
- Tổn hao trong mạch điều khiển do năng lượng 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 lượng này sẽ được truyền ra vỏ
qua
lớp chuyển tiếp rồi đến cánh tản nhiệt . Thyristor bán dẫn nếu không được

làm mát thì khả năng chịu dòng chỉ còn khoảng ( 30 ÷ 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 cưỡng bức bằng qụat gió: có thể khai thác đến 50% giá trị dòng
trung bình qua van .
- Làm mát cưỡng bức bằng nước: khai thác đến 95% giá ttrị dòng trung
bình qua van .
Như vậy để khai thác triệt dể dòng điện qua van ,ta có thể làm mát bằng
cách cho nước chảy trực tiếp qua cánh tản nhiệt .

§
3.3. Thiết kế mạch điều khiển .
Ta đã biết Thyristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dương
đặt nên Anốt và có xung dương đặt vào cực điều khiển. Sau khi Thyristor
Chương III : Thiết kế bộ chỉnh lưu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Sinh vêªn : ũò Quang TếÕn - ớíp ЧЧH3 - K47
37
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 được vị ttrí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ của
điện áp dương đặt nên Anốt-Catốt của Thyristor .
- Tạo ra được các xung điều khiể
n đủ điều kiện mở được Thyristor. Xung
điều khiển có biên độ xung từ (2 ÷ 10 )V, độ rộng xung điều khiển
t
x
= (20 ÷100) μs (đối với thiết bị chỉnh lưu) , t

x
< 100 μs (đối với thiết bị
biến đổi tần số cao) .
- Sườn xung ngắn (t
s
= 0,5 ÷ 1) μs .
- 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 :
Chương III : Thiết kế bộ chỉnh lưu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Sinh vêªn : ũò Quang TếÕn - ớíp ЧЧH3 - K47
38
0
U
®k max
U
®k
U

®k
U
®k min
180
0
α
Giíi h¹n gãc ®iÒu khiÓn
α
min
α
max

- Xung điều khiển đến các van lực theo đúng pha và góc điều khiển α cần
thiết .
- Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển α
min
+ α
max
tương ứng với
phạm vi thay đổi điện áp ra của tải .
- Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường 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 điề
u khiển góc mở α theo nguyên tắc thẳng đứng :
§F SSRC
FX
TX K§ vμ BAX

§K
T
H×nh3.3: S¬ ®å khèi m¹ch ®iÒu khiÓn

Chương III : Thiết kế bộ chỉnh lưu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Sinh vêªn : ũò Quang TếÕn - ớíp ЧЧH3 - K47
39
- 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 sườn dương để chế thành xung điều khiển mở
Thyristor .
- Khâu KĐX và BAX: khuế
ch 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 α theo nguyên tắc thẳng đứng cho bản đồ án này ta
sử dụng mạch điều khiển góc mở α dùng IC(LM324) và IC(LM741) được
trình bày như sau :
3.3.3.Tính toán các khâu của mạch điều khiển :
3.3.3.1. Khâu đồng pha .
1.Sơ đồ nguyên lý .
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
11
U1A
GND
GND
-12
5
6
7
U1B
+12
1
2
3
R
GND
0

220V
R0
GND

2.Đồ thị dạng điện áp ra .
Chương III : Thiết kế bộ chỉnh lưu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Sinh vêªn : ũò Quang TếÕn - ớíp ЧЧH3 - K47
40
U
0
0
t
t
t
t
U
1
U
2
U
3
0
0
2U
bh
H×nh3.5: §å thÞ d¹ng ®iÖn ¸p ra kh©u ®ång 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 được đưa vào cổng không đảo của khuếch đại
thuật toán U1A thông qua điện trở R3 . Sau khâu khuếch đại thuật toán U1A
Chương III : Thiết kế bộ chỉnh lưu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Sinh vêªn : ũò Quang TếÕn - ớíp ЧЧH3 - K47
41
ta được điện áp ra tại điểm (1) là U
1
có dạng chuỗi xung hình chữ nhật
dương âm kế tiếp ,có biên độ U
1
= U
bh
.
Chuỗi xung hình chữ nhật này được đưa sang khâu vi phân gồm có tụ C
7

và điện trở R
6
.
- Khi U
1
= - U
bh
thì tụ C
7
được 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
chưa 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
.
Như vậy ta có điện áp ra sau khâu vi phân là U

2
có dạng chuỗi xung kim
tam giác dương âm kế tiếp .
Chuỗi xung kim U
2
được đưa tới khâu khuếch đại thuật toán U1B thông
qua hai điốt D
3
và D
4
mắc song song ngược .
- Ở nửa chu kỳ đầu khi U
2
> 0 thì điốt D
3
sẽ thông . Điện áp được đưa 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 dương .
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 .
Chương III : Thiết kế bộ chỉnh lưu điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Sinh vêªn : ũò Quang TếÕn - ớíp ЧЧH3 - K47
42
+ Khi U
1
= -U
bh
thì U
2
= U

GND
= 0 .
+ Khi U
1
tăng đột ngột từ -U
bh
→+U
bh
. có nghĩa U
1
biến thiên một
khoảng 2U
bh
thì điện tích trên hai bản cực của tụ C
7
chưa kịp thay đổi nên
U
2
= 2U
bh
. Sau đó U
1
= +U
bh
thì tụ C
7
sẽ phóng điện qua điện trở R
6
về đất
.

- Hằng số thời gian phóng của tụ C
7
là T
1
.
T
1
= R
6
.C
7
.
Chọn T
1
= 0,5 (ms) .
C
7
= 0,47(μF) .
R
6
=
6
3
10.47,0
10.5,0
−
−
= 1,06.10
3
(Ω) .

Chọn R
6
= 1,5 (kΩ) .
R
3
= 5 (kΩ) .
R
4
= 10 (kΩ) .
R
5
= 10 (kΩ) .
R
7
= 5 (kΩ) .
Chọn D
3
, D
4
loại 1N4148 có các thông số sau :
I
đm
= 300 (mA) .
U
ngmax
= 30 (V) .
Chọn khuếch đại thuật toán U1A loại LM324 có các thông số sau :
U
ng
= (3 ÷ 32) (V) .

P
1
= 900 (mW) .
I
ra
= 40 (mA) .
K = 100 (dB ).

Chọn khuếch đại thuật toán U1B loại LM324 .
3.3.3.2.Khâu tạo điện áp răng cưa .