Luận văn tôt nghiệp CHƯƠNG I: VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT DÙNG TRONG VIỆC ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ I.1 ĐIỀU KHIỂN TRANSISTOR: - Transistor được dùng để đóng cắt dòng điện có cường độ tương đối lớn. Vậy chúng chỉ làm việc ở hai trạng thái: - Trạng thái đóng (dẫn bão hòa) để đóng mạch điện. - Trạng thái mở (ngưng dẫn) để cắt mạch điện. Khi transistor hoạt động với thời gian dẫn bão hòa hay ngắt tương đối dài còn gọi là chế độ khóa của transistor. I.1.1 Chế độ khóa của Transistor. -Transistor làm việc ở chế độ khóa như một khóa điện tử đóng mở mạch nhanh với tốc độ nhanh (10 -9 s ÷ 10 -6 s) do đó có nhiều đặc điểm khóa với chế độ khuếch đại. Transistor ở chế độ khóa thì điện áp đầu ra có hai trạng thái sau: V ra =1 khi V vào = 0. (I.1) V ra = 0 khi V vào = 1. - Chế độ khóa của transistor được xác đònh bởi chế độ điện áp hay dòng điện một chiều cung cấp từ ngoài qua một mạch phụ trợ (khóa thường đóng hay thường mở) việc chuyển trạng thái khóa thường đïc thực hiện nhờ một tín hiệu xung có cực tính thích hợp tác động tới đầu vào. Những đặc điểm chủ yếu của chế độ khóa được xét như hình I.1. HìnhI-1:Mạch khóa dùng Transistor -Ban đầu khi V vào =0, transistor ở trạng thái mở, dòng điện ra I c = 0 lúc không có tải R t , khi transistor được coi là hở mạch V ra = V nguồn khi cho xung điều khiển có cực tính dương tới đầu vào V vào = 1 transistor chuyển sang trạng thái đóng (bão hòa) điện áp ra thỏa mãn điều kiện ở (I.1) V ra = 0 ở trạng thái bão hòa để duy SVTH: Lê Trần Vónh Phú Trang 1 + V n g u o àn R C R 3 Luận văn tôt nghiệp trì khả năng điều khiển và để tránh điện tích cực nền quá lớn, dòng điện cực nền ban đầu phải cao để chuyển sang trạng thái dẫn nhanh chóng, ở chế độ khóa dòng điện nền phải giảm cùng qui luật như dòng điện thu để tránh hiện tượng chọc thủng tiếp giáp BC. Trạng thái đóng mạch I B lớn I C do tải giới hạn Trạng thái hở mạch I B =0 Hình I.2: Đặc tuyến transistor ở chế độ khóa. I.1.2 MẠCH TR GIÚP MỞ: Hình I.3 :Mạch trợ giúp mở. Khi transistor chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở. Mạch trợ giúp mở gồm các phần tử C, D 1 , R 1 . Dòng điện tải là i, vì thời gian chuyển trạng thái rất ngắn nên xem I=const trong mỗi lần chuyển trạng thái. Ban đầu V CE = V CE bảo hòa ≈ 0, i C =I, i D = 0. SVTH: Lê Trần Vónh Phú Trang 2 t2 t1 i D t t t i D I V I i C 0 0 0 V + i c V v a øo i i i 1 D D 2 R t D 1R 1 C Luận văn tôt nghiệp Khi cho xung áp tâm tác động vào cực nền của Transistor dòng I C giảm tuyến tính từ 1 xuống 0 trong khoảng thời gian t 1 . Nếu không có mạch trợ giúp mở i C + i D = I = const (I.2). Vừa lúc i C bắt đầu giảm thì i D tăng lên ngay, D 2 làm chuyển mạch tải V CE = V+0,6V (I.3). Nếu có mạch trợ giúp thì ta có: i C + I 1 = I = const (I.4). vừa lúc i C bắt đầu giảm tuyến tính thí i 1 cũng bắt đầu tăng tuyến tính tụ C được nạp điện. Khi t=t 1 , i C = 0, V C (t 1 ) = V CE << V Sau t 1 , tụ điện C được nạp bằng dòng I Cho đến khi V C = V lúc này diode D 1 mới cho dòng chảy qua thời gian tổng cộng của quá trình chuyển trạng thái mở là t 2 . Trong thực tế người ta chọn C sao cho: 2t 1 < t 2 < 5t 1 Trong đó: T 1 là thời gian cần thiết để i C giảm từ I xuống 0, cho trong sổ tay tra cứu SVTH: Lê Trần Vónh Phú Trang 3 (I.5) C icI dt dVc − = C I dt dVc = V tI t V CIi 2 2 1 . C (I.7) .: đúng gần tính được C dung Điện = ≈= Luận văn tôt nghiệp I.1.3 MẠCH TR GIÚP ĐÓNG: Ta có sơ đồ mạch như sau Hình I.4: Mạch trợ giúp đóng - Mạch trợ giúp đóng gồm L 1 , D 3 , R 2 có chức năng hạn chế sự tăng trưởng của dòng i C trong khoảng thời gian cần thiết để V CE giảm từ giá trò V xuống V CE bão hòa = 0 cho trong sổ tay tra cứu. - Thời gian tổng cộng của quá trình đóng là :tΣ - Điện cảm L 1 được tính gần đúng bằng biểu thức Trong thực tế người ta chọn L 1 sao cho: 2 tđ <t Σ <5tđ Điện trở R 2 có tác dụng hạn chế dòng điện do sức điện động tự cảm trong L 1 tạo ra trong mạch L 1 ,R 2 ,D 3 trong khoảng thời gian t 2 chuyển sang trạng thái mở T. Như vậy phải thỏa mãn điều kiện: Điện trở R 1 có nhiệm vụ hạn dòng điện phóng của tụ C SVTH: Lê Trần Vónh Phú Trang 4 8)-(I . 1 I tV L Σ = 9)-(I 2 2 1 t R L > + V n V v T D 2 D 1R 1 C L 1 R 2 D 3 R t * Khi Transistor từ trạng thái mở sang trạng thái đóng Luận văn tôt nghiệp Trong mạch CTR 1 trong khoảng thời gian đóng t Σ như vậy phải thỏa mãn điều kiện R 1 C>t Σ . I.2 ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR: I.2.1: Các yêu cầu cơ bản về mạch điều khiển: Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi Thyristor. Nó đóng vai trò chủ yếu trong việc quyết đònh chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi. Yêu cầu đối với mạch điều khiển đa dạng gồm các bước chính sau: • Yêu cầu về độ lớn xung điều khiển. - Mỗi Thyristor đều có một đặc tính đầu vào đó là quan hệ giữa áp trên cực khiển và dòng điện chạy qua cực khiển V đk =f(i đk ). Do sai lệch về thông số chế tạo và điều kiện làm việc mà ngay cả các Thyristor cùng loại cũng có những đặc tính đầu vào khác nhau. Yêu cầu độ lớn điện áp và dòng điện điều khiển là: - Giá trò lớn nhất không vượt quá giá trò cho phép ở sổ tay tra cứu. -Giá trò nhỏ nhất phải đảm bảo mở được tất cả các Thyristor cùng ở mọi điều kiện làm việc. -Tổn hao công suất trung bình trên cực điều khiển phải nhỏ hơn trò cho phép. • Yêu cầu về độ rộng xung: - Căn cứ vào đặc tuyến V-A của Thyristor ta thấy tồn tại xung điều khiển phải đảm bảo cho dòng qua Thyristor tăng từ 0 đến giá trò I C khi Thyristor mở bằng xung điều khiển quá trình mở có thể xem là quá trình tăng điện tích ở lớp bán dẫn P nối với cực điều khiển, khi các điện tử tự do ở lớp bán dẫn này tăng đến mức nhất đònh thì điện trở thuận của Thyristor giảm đột ngột Thyristor mở. Độ lớn điện tích tích lũy ở lớp bán dẫn P nối với cực điều khiển phụ thuộc vào độ rộng xung điều khiển. Thông thường độ rộng xung điều khiển không nhỏ hơn 5µs và tăng độ rộng xung điều khiển cho phép giảm nhỏ biên độ xung điều khiển. • Yêu cầu về độ dốc sườn trước của xung: Độ dốc sườn trước của xung càng cao thì việc mở Thyristor càng tốt. Đặc biệt trong khi mạch có nhiều Thyristor mắc nối tiếp và song song. Thông thường yêu cầu về độ dốc xung điều khiển là: • Yêu cầu về sự đối xứng của xung trong các kênh điều khiển. Ở các bộ biến đổi nhiều pha, nhiều Thyristor độ đối xứng xung điều khiển giữa các kênh sẽ quyết đònh chất lượng đặc tính ra của hệ. Nếu không đối xứng, SVTH: Lê Trần Vónh Phú Trang 5 11)-(I s}{A/ 1,0 µ > dt di đk Luận văn tôt nghiệp các xung điều khiển của Thyristor của bộ biến đổi nhiều pha sẽ gây ra sự mất cân bằng giá trò trung bình của dòng qua Thyristor. • Yêu cầu về độ tin cậy: Mạch điều khiển phải đảm bảo làm việc tin cậy trong mọi hoàn cảnh như t 0 thay đổi, nguồn tín hiệu nhiễu tăng. Do vậy yêu cầu: - Điện trở ra của kênh điều khiển phải nhỏ để Thyristor không tự mở khi dòng rò tăng. - Xung điều khiển ít phụ thuộc vào dao động nhiệt độ, dao động điện áp nguồn. - Cần khử được nhiễu cảm ứng (ở khâu so sánh, ở biến áp xung tần ra) để tránh mở nhầm. • Yêu cầu về lắp đặt: - Thiết bò dễ thay thế, dễ lắp ráp điều chỉnh. - Dễ lắp lẫn và mỗi khối có khả năng làm việc độc lập. I.2.2 Nguyên tắc xây dựng và phân loại mạch điều khiển Thyristor. Mạch điều khiển có nhiệm vụ gia công và biến đổi các tín hiệu điều khiển (điện áp DC) thành các chuỗi xung để đưa vào điều khiển Thyristor, được biểu diễn như hình I.5 Hình I.5 Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor. Đối tượng cần điều khiển là bộ biến đổi Thyristor T và được đặc trưng bởi đại lượng được điều khiển ở a (có thể là dòng, áp, nhiệt độ, tốc độ). N là khối biểu thò nhiễu bên ngoài (do mô men tải, nhiệt độ môi trường). Bộ cảm biến CB sẽ đưa tín hiệu b được so sánh với tín hiệu chủ đạo CĐ. Sai lệch tín hiệu của tín hiệu θ 0 -b là x sẽ điều khiển thiết bò chấp hành CH, thiết bò CH có nhiệm vụ khử sai lệch X, hoặc cực tiểu nó bằng cách tạo ra góc điều khiển θ để điều khiển bộ biến đổi Thyristor T. Hoạt động của thiết bò chấp hành CH được đồng bộ nhờ tín hiệu e phát ra từ nguồn đồng bộ ĐB. Mạch điều khiển Thyristor có thể phân loại theo nhiều cách. Các mạch điều khiển Thyristor đều dựa theo nguyên lý thay đổi góc pha và theo đó ta có nguyên lý khống chế ngang và khống chế đứng. SVTH: Lê Trần Vónh Phú Trang 6 Đ B C H T C B C Đ N e a b θ 0 θ Luận văn tôt nghiệp Khống chế ngang là phương pháp tạo ra góc θ thay đổi bằng cách dòch chuyển điện áp ra hình sin theo phương pháp ngang so với điện áp ban đầu hình (I- 6). Hình I-6: Sơ đồ nguyên lý và độ thò điện áp mạch khống chế ngang. Khống chế đứng là tạo ra góc θ thay đổi bằng cách dòch chuyển điện áp của chủ đạo theo phương thẳng đứng so với điện áp răng cưa, phương pháp này lại chia ra: Phương pháp khống chế không đồng bộ và phương pháp khống chế đồng bộ. Khống chế đồng bộ là khống chế để tạo ra xung điều khiển Thyristor đồng bộ với nhau nhờ nguồn pha phát tín hiệu đồng bộ, còn khống chế không đồng bộ là việc tạo ra các xung điều khiển Thyristor độc lập với nhau. phương pháp khống chế đứng hiện đang được dùng phổ biến vì độ chính xác cao và khoảng điểu khiển rộng (từ 0 0 – 180 0 ). SVTH: Lê Trần Vónh Phú Trang 7 V r V c a c a b c θ V c V R b C V R B A Luận văn tôt nghiệp Phương pháp khống chế đứng được biểu diễn như hình I-7. Hình I-7: Sơ đồ khối mạch khống chế đứng và dạng điện áp ra của nó. I.2.3 Các khối của mạch điều khiển Thyristor. a> Khối phát tín hiệu đồng bộ: ĐB Vì điều khiển Thyristor theo nguyên lý điều khiển pha nên cần có khối đồng bộ pha giữa điện áp điểu khiển và điện áp Anod – Cathode của Thyristor. Các mạch phát tín hiệu đồng bộ điển hình như sau: SVTH: Lê Trần Vónh Phú Trang 8 V 3 V V V 0 0 0 t t t θ V 6 V 4 Đ B S o s a ùn h T a ïo h ì n h K h u e ác h đ a ïi B i e án a ùp r a V 4 V 5 V 6 V 3 V 2 V V 1 T a ïo x u n g Luận văn tôt nghiệp • Khối phát tín hiệu đồng bộ dùng tụ và diode. Hình I-8. Hình I-8: Sơ đồ khối phát tín hiệu đồng bộ dùng tụ diode. Trong đó: V d : Điện áp xoay chiều đồng pha với điện áp trễ Anod – Katod của transistor. V n :nguồn điện áp một chiều. V c : Điện áp đồng bộ lấy ra. Khi V D >0 thì D 1 , D 2 phân cực ngược. Tụ C được nạp về nguồn V n . Khi V c = V d (ở t 2 ) thì C phóng điện qua R 2 và Đ 2 . Khi V d <0 áp tr6n tụ C là ∆V C cho đến khi Đ 1 khóa. Khi i d - i n =0 (tại t 1 ) tụ C bắt đầu được nạ chu kỳ mới θ nằm khoảng t 1 ÷t 2 . • Khối phát tín hiệu đồng bộ dùng tụ và transistor:I-10. Hình I-10: Khối phát tín hiệu đồng bộ dùng tụ và transistor. SVTH: Lê Trần Vónh Phú Trang 9 V đ t 1 t 2 0 t ∆V C V n g V v V c i n B A V đ D 2 D 1 C R 2 R 1 V n V c v V V đ R 2 D 2 C R 3 R 1 9)-(I V V arcsin Góc đmax đ(t1) = θ Luận văn tôt nghiệp Trong đó: V đ : Điện áp nguồn xoay chiều đồng pha với điện áp trên Anot và Katot của thyristor. V n : Điện áp điện một chiều. V c : Điện áp đồng bộ lấy ra khi V đ >0. Transistor T bão hòa. V C =∆v (∆v sụt áp trên Transistor). Khi V d >0 Transistor T khóa, tụ C được nạp qua R 1 , R 3 từ V n . Ta có: Nên chọn R 1 >>R 3 đề t nạp >> t phóng . V đk : Điện áp điều khiển. b. Bộ phát xung chủ đạo: Bộ phát xung chủ đạo có nhiệm vụ phát ra các xung với tần số cố đònh hoặc thay đổi để làm nguồn tín hiệu chủ đạo trong các mạch điều khiển Thyristor. Bộ phát xung chủ đạo dùng Transistor một tiếp giáp(I-11). SVTH: Lê Trần Vónh Phú Trang 10 T t 1 t 2 V đk V đ V ∆V V n + V r B 1 B 2 V V B B B 1 T u E I e i c R R 2 R 1 C 14)-(I 1ln.)(R 13)-(I 1ln R2)C(R1t 31         −+=         −+= n đk n c nạp V V CR V V ωθ [...]... đã có xung mở Cặp Thyristor Th1 ,Th6 sẽ cho dòng chảy qua khi VAC>0 và khi đã có xung mở Mỗi Thyristor đều có góc dẫn θ=π Điện áp trên tải pha A Va= VmSinϕ Vm Sin(ϕ −α) Z Khi Thyristor mở thì điện áp trên các đoạn O1,O2, O3,O4, O5,O6 là Va= VmSinϕ Trong khoảng O2O3 Dòng điện ia = VAB 3 = Vm Sin(ϕ +π 6 ) 2 2 Trong khoảng O4O5 Va = Va = VAB 3 = Vm Sin(ϕ −π 6 ) 2 2 Trong khoảng O6O7 các Thyristor ở pha A... αmin) cà đã khởi động Trigger pha trước (T 1, T2, T3) Tín hiệu ra của T1, T2, T3 qua các tụ vi phân C1, C2, C3 sẽ đưa vào các mạch khuyếch đại xung KX và mạch ra KR Mỗi một khối đầu ra KR đều có hai đầu vào: đầu vào (+) để tạo xung đầu ra, đầu vào (-) để khử xung ra (được nối vào KX của pha trước) Các xung ở sau C1,C3,C5 được dẫn vào các phần tử logic L8 sau đó qua phần tử tạo xung F để cho tín hiệu vào... khi cuộn sơ cấp của máy biến áp xung chuyển mạch - Khi có xung âm T1,T2 mở sẽ có dòng qua dây quấn sơ cấp của máy biến áp xung BAX và ở cuộn thứ cấp sẽ có xung ra khi xung vào tắt thì T 1,T2 cùng khóa và xung ra cũng tắt * Biến áp xung thường làm biến áp của bộ khuyếch đại tạo xung, có các chức năng sau: - Tạo xung đúng theo yêu cầu - Tạo sự phù hợp điện áp mạch tạo xung và điện áp cực điều khiển Thyristor... sau: VA= VmSinϕ Điện áp dây của lưới điện VAB = 3Vm Sin(ϕ + π 6 ) VAC = 3Vm Sin(ϕ − π 6 ) VBC = 3Vm Sin(ϕ − π 2 ) Giá trò của điện áp trên tải mỗi pha phụ thuộc vào góc mở θ và góc lệnh pha α, khi điều khiển đối xứng tức là các Thyristor đều có cùng góc mở θ như nhau vì thế ở đây chỉ xét điện áp trên tải pha A • Như sơ đồ của đồ thò điện áp ta thấy rằng: Cặp Thyristor Th1, Th6 sẽ cho dòng chảy qua khi VAB... sử dụng để điều khiển các sơ đồ Thyristor cụ thể ta có thể lựa chọn một trong những mạch đã có sẵn Máy phát xung: có loại máy phát 2 xung lệch nhau 180 0 và có khả năng điều chỉnh pha, máy phát 3 kênh với các xung lệch nhau 120 0, máy phát 6 kênh với các xung lệch nhau 600 - Các bộ khuyếch đại và tạo xung :các bộ này cung cấp xung có độ dài 180 0- θ hoặc 210 -θ (θ: là góc điều khiển) - Các bộ điều... cung cấp cho khối đồng bộ - Các mạch điều khiển Thyristor dùng vi mạch đều dùng nguyên lý khống chế đứng, trong đó lại chia ra mạch khống chề đồng bộ và mạch khống chế không đồng bộ - Sơ đồ khối trùng hợp dùng vi mạch khống chế chỉnh lưu 3 pha theo nguyên lý đồng bộ như hình (I-17) 1 2 3 4 2 3 4 σ 1 Đ e án m a ïc h t a ïo xung σ 1 2 3 4 σ V đk a Hệ thống khống chế đồng bộ: Hệ thống khống chế gồm 3. .. dụng trong một số thiết bò nâng vận chuyển để điều chỉnh tốc độ và tạo ra trạng thái hãm khi hạ tải trọng Nhược điểm của phương pháp này là tổn thất năng lượng nhiều dòng điện làm việc lớn trong khi moment nhỏ do đó khả năng chòu tải của động cơ kém Các trò số điện áp thứ tự thuận và ngược xác đònh theo phương trình  1    Vt = Vab + aVbc + a 2Vca 3 1     Vn = Vab + a 2Vbc + Vca 3 1 3 Trong. .. N4 N2 T3 ĐK3 a ĐK6 b ĐK5 ĐK2 c f r V r B ie á n đ o åi ĐKĐ Hình II-6: Bộ biến tần trực tiếp dùng Thyristor Khi điều khiển theo nhóm thì mỗi nhóm được mở trong nửa chu kỳ điện áp đầu ra Xét sự làm việc pha a theo đồ thò sau SVTH: Lê Trần Vónh Phú Trang 28 Luận văn tôt nghiệp Va( V) t(s) a T1 T2 Tr Va( V) b Đồ thò điện áp một pha của biến tần trực tiếp Trong khoảng thời gian t1: nhóm T1 mở, còn trong khoảng... nghòch lưu khi điều khiển xung SVTH: Lê Trần Vónh Phú Trang 33 Luận văn tôt nghiệp Hoạt động mạch như sau: Trong ½ chu kỳ của điện áp ra ta đóng cắt Thyristor một số lần nhất đònh giá trò trung bình của điện áp ra phụ thuộc vào tỷ số thời gian đóng mở Trạng thái một tương ứng với tất cả hai Thyristor T 1 và T2 cùng dẫn Dòng điện đi từ nguồn qua T1 và T2 pha a và pha c, điện áp Vac=V0 Nếu ta cho T2 ngưng... ~ b Th3 R R Th4 Đ K Đ A a Th1 P H A ÙT X U N G V đk Hình II.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ dùng bộ điều chỉnh Thyristor • Sơ đồ điều chỉnh điện áp ba pha và đồ thò điện áp khi θ > π/6 VA 1 0 VB VC 3 5 wt θ 6 2 4 Hình II.2 : Sơ đồ điều chỉnh điện áp 3 pha SVTH: Lê Trần Vónh Phú Trang 18 Luận văn tôt nghiệp Đồ thò điện áp • Các cuộn dây Stator của động cơ không đồng bộ là một dạng trở kháng Điện áp pha của . O 1 ,O 2 , O 3 ,O 4 , O 5 ,O 6 là V a =V m Sinϕ Trong khoảng O 2 O 3 Trong khoảng O 4 O 5 Trong khoảng O 6 O 7 các Thyristor ở pha A sẽ bò khóa. SVTH: Lê Trần Vónh Phú Trang 19 ) (3 ) (3 ) (3 2 6 6 π π π ϕ ϕ ϕ −= −= += SinVV SinVV SinVV mBC mAC mAB )(. trong những mạch đã có sẵn. Máy phát xung: có loại máy phát 2 xung lệch nhau 180 0 và có khả năng điều chỉnh pha, máy phát 3 kênh với các xung lệch nhau 120 0 , máy phát 6 kênh với các xung. biểu thức Trong thực tế người ta chọn L 1 sao cho: 2 tđ <t Σ <5tđ Điện trở R 2 có tác dụng hạn chế dòng điện do sức điện động tự cảm trong L 1 tạo ra trong mạch L 1 ,R 2 ,D 3 trong khoảng