Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong xu thế công nghiệp hóa và hiện đại hóa, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào các dây chuyền sản xuất tự động đòi hỏi các hệ thống truyền động điện phải đáp ứng yêu cầu cao về khả năng giám sát, điều chỉnh tốc độ mượt mà và đảo chiều quay chính xác. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập (KTĐL) là thiết bị có đặc tính cơ và dải điều chỉnh tốc độ thuận lợi, thường được ứng dụng trong các hệ thống truyền động công nghiệp công suất lớn đòi hỏi chất lượng điều chỉnh tĩnh và động cao.
Đồ án môn học Điện tử công suất - Truyền động điện tại Khoa Điện, Bộ môn Tự động hóa, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội tập trung giải quyết bài toán kỹ thuật thiết kế bộ biến đổi bán dẫn công suất và hệ thống điều khiển tương ứng nhằm cấp nguồn và điều khiển đảo chiều cho động cơ điện một chiều.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác lập cụ thể như sau:
- Tổng quan cơ sở lý thuyết về hệ truyền động điện, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều kích từ độc lập, van bán dẫn Thyristor, các cấu hình bộ biến đổi chỉnh lưu - động cơ (hệ T-Đ) có đảo chiều và chế độ nghịch lưu phụ thuộc.
- Thiết kế cấu trúc sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển cho hệ truyền động T-Đ đảo chiều sử dụng hai bộ chỉnh lưu cầu 3 pha thyristor đối xứng đấu song song ngược.
- Tính toán, lựa chọn các thiết bị bán dẫn mạch lực, máy biến áp chỉnh lưu, các thiết bị bảo vệ quá dòng, quá áp và tính toán chi tiết thông số linh kiện cho từng khâu trong mạch điều khiển.
- Ứng dụng phần mềm chuyên ngành (PSIM, Matlab Simulink Power...) để mô phỏng dạng sóng dòng điện, điện áp trên tải và trên van ở các chế độ làm việc (chế độ chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc, đảo chiều, hãm tái sinh) nhằm đánh giá độ chính xác của quá trình thiết kế.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ truyền động điện Thyristor - Động cơ (T-Đ) có đảo chiều dùng 2 bộ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng điều khiển chung cấp nguồn cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập có các thông số định mức: công suất định mức $P_{đm} = 22\text{ kW}$, điện áp định mức $U_{đm} = 400\text{ V}$, dòng điện định mức $I_{đm} = 60\text{ A}$, tốc độ định mức $n_{đm} = 780\text{ vòng/phút}$, điện áp kích từ định mức $U_{ktđm} = 200\text{ V}$, dòng điện kích từ định mức $I_{ktđm} = 10\text{ A}$.
- Phạm vi nghiên cứu:
- Không gian: Bộ môn Tự động hóa, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội.
- Thời gian thực hiện: Từ ngày 07/03/2023 đến ngày 23/05/2023 (thời lượng 11 tuần theo tiến độ đào tạo khóa 15).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án dựa trên các khối kiến thức nền tảng của kỹ thuật Điện tử công suất và Lý thuyết Truyền động điện tự động:
- Cấu trúc hệ thống truyền động điện tổng quát: Bao gồm Bộ biến đổi (BBĐ), Động cơ điện (Đ), Khâu truyền lực (TL), Cơ cấu sản xuất (CCSX) và Khối điều khiển (ĐK). Hệ thống được phân loại theo loại động cơ (một chiều, xoay chiều không đồng bộ, xoay chiều đồng bộ), theo tính năng điều chỉnh (có điều chỉnh, không điều chỉnh) và theo thiết bị biến đổi (hệ F-Đ, hệ CL-Đ/T-Đ).
- Mô hình động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Vận hành dựa trên định luật cảm ứng điện từ và lực điện từ. Phương trình cân bằng điện áp phần ứng $U = E_ư + R_ư I_ư$, trong đó sức điện động $E_ư$ tỉ lệ thuận với từ thông $\Phi$ và tốc độ quay $n$. Khi khởi động, mạch kích từ luôn phải đảm bảo từ thông cực đại ($\Phi_{max}$) để tạo mômen mở máy lớn và tránh hiện tượng dòng phần ứng $I_ư$ tăng vọt gây quá tải cháy động cơ.
- Linh kiện bán dẫn công suất Thyristor: Cấu trúc 4 lớp bán dẫn P1-N1-P2-N2 với 3 lớp tiếp giáp J1, J2, J3 và 3 cực (Anôt - A, Catôt - K, Cực điều khiển - G). Van mở khi đặt điện áp thuận $U_{AK} > 0$ đồng thời có xung dòng điều khiển $I_G$ đủ biên độ và thời gian; van duy trì dẫn khi dòng qua van lớn hơn dòng duy trì và chỉ khóa lại khi điện áp $U_{AK} \le 0$ hoặc dòng qua van giảm về 0.
- Nguyên lý chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng và nghịch lưu phụ thuộc: Điện áp chỉnh lưu trung bình $U_d$ được điều khiển bằng cách thay đổi góc mở $\alpha$. Khi góc mở $\alpha < 90^\circ$, bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu, truyền công suất từ nguồn xoay chiều sang tải một chiều ($P = U_d I_d > 0$). Khi tăng góc mở $\alpha > 90^\circ$, điện áp trung bình đổi dấu ($U_d < 0$), bộ biến đổi chuyển sang chế độ nghịch lưu phụ thuộc, cho phép hãm tái sinh và trả năng lượng từ động cơ về lưới điện xoay chiều.
- Phương pháp điều khiển phối hợp tuyến tính cho 2 bộ biến đổi song song ngược: Hai bộ biến đổi $G_1$ và $G_2$ được phát xung điều khiển đồng thời theo quy luật góc mở $\alpha_1 + \alpha_2 = 180^\circ$. Khi một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lưu thì bộ còn lại ở trạng thái nghịch lưu phụ thuộc sẵn sàng tiếp nhận năng lượng hãm. Sự chênh lệch điện áp tức thời giữa hai bộ sinh ra dòng điện tuần hoàn ($i_{cc}$), được hạn chế bằng cách lắp đặt các cuộn kháng cân bằng ($L_{cb}$).
Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp phân tích giải tích và tổng hợp mạch: Phân tích nguyên lý hoạt động của từng khối chức năng trong mạch động lực và mạch điều khiển.
- Phương pháp tính toán kỹ thuật điện tử công suất: Tính chọn dòng điện, điện áp làm việc cực đại, áp dụng các hệ số dự trữ an toàn ($K_{dtu}, K_i$) để xác định chính xác thông số van bán dẫn và thiết bị bảo vệ.
- Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập mô hình hệ thống trên phần mềm mô phỏng mạch điện để kiểm chứng dạng sóng điện áp, dòng điện trên van và tải ở các góc điều khiển khác nhau.
- Nguồn dữ liệu: Yêu cầu thông số tải động cơ DC 22 kW từ nhiệm vụ đồ án, các công thức giải tích chuyên ngành điện tử công suất và bảng tra cứu thông số kỹ thuật (datasheet) của các linh kiện bán dẫn thực tế.
Thiết kế và tính toán kỹ thuật
Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm hai phần chính: Mạch động lực (mạch lực) kèm hệ thống bảo vệ và Mạch điều khiển phát xung đồng bộ.
(Chế độ Thuận: Chỉnh lưu / Nghịch lưu) (22 kW - 400V) (Chế độ Nghược: Nghịch lưu / Chỉnh lưu)
1. Thiết kế mạch động lực và các thiết bị bảo vệ
- Cấu hình mạch lực: Sử dụng 2 bộ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng (mỗi bộ gồm 6 Thyristor) đấu song song ngược cấp nguồn cho phần ứng của động cơ một chiều kích từ độc lập. Cuộn kích từ được cấp nguồn từ bộ nguồn một chiều độc lập $U_{kt} = 200\text{ V}$.
- Thiết bị bảo vệ tích hợp:
- Aptomat: Bố trí ở đầu vào mạch lực để đóng cắt nguồn điện và tự động bảo vệ khi xảy ra quá tải, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp hoặc ngắn mạch trong chế độ nghịch lưu.
- Cầu chì tác động nhanh: Mắc nối tiếp với từng nhánh thyristor nhằm bảo vệ quá dòng điện tức thời cho van bán dẫn.
- Mạch dập $R_1 - C_1$ song song với từng thyristor: Triệt tiêu hiện tượng quá điện áp do quá trình tích tụ điện tích và biến thiên dòng điện ngược đột ngột ($di/dt$) sinh ra khi van chuyển mạch khóa.
- Mạch lọc $R_2 - C_2$ đầu vào: Mắc song song ở đầu vào bộ biến đổi nhằm hấp thụ các xung điện áp gai từ lưới điện do quá trình đóng cắt phụ tải cảm kháng lớn hoặc ngắt máy biến áp non tải.
2. Thiết kế mạch điều khiển
Mạch điều khiển phát xung được thiết kế theo nguyên tắc "thẳng đứng tuyến tính" bao gồm 4 khâu chức năng nối tiếp:
- Khâu đồng pha: Lấy tín hiệu điện áp xoay chiều từ lưới để tạo điện áp tựa $U_{đf}$ (dạng răng cưa) đồng bộ về pha với điện áp anôt của thyristor, đảm bảo dải biến thiên tuyến tính phủ hết $180^\circ$ của nửa chu kỳ.
- Khâu so sánh: Sử dụng vi mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amp) có hệ số khuếch đại vô cùng lớn để so sánh điện áp tựa $U_{đf}$ với điện áp điều khiển $U_{đk}$, xác định chính xác thời điểm lật trạng thái phát xung mở van tại điểm $U_{đf} = U_{đk}$.
- Khâu tạo xung chùm và phối hợp logic: Tích hợp bộ dao động đa hài hoặc vi mạch định thời IC 555 để tạo chuỗi xung tần số cao ($f_x = 3\text{ kHz}$), sau đó kết hợp với tín hiệu từ khâu so sánh qua cổng logic AND. Giải pháp phát xung chùm giúp mở van thyristor chắc chắn, giảm kích thước máy biến áp xung và giảm công suất tỏa nhiệt ở tầng khuếch đại.
- Khâu khuếch đại và phân phối xung: Sử dụng cấu hình tranzitor Darlington kết hợp tụ nối tầng và biến áp xung (BAX) lõi ferit có diode bảo vệ để cách ly mạch điều khiển với mạch lực và khuếch đại đủ biên độ công suất xung kích mở cực $G$ của thyristor.
3. Bảng tổng hợp thông số tính chọn linh kiện và thiết bị
| Hạng mục / Thiết bị |
Đại lượng tính toán |
Giá trị tính toán |
Thông số kỹ thuật / Mã linh kiện lựa chọn |
Ghi chú kỹ thuật |
| Thyristor mạch lực |
Điện áp ngược cực đại ($U_{max}$)
Điện áp ngược chọn van ($U_{nv}$)
Dòng làm việc hiệu dụng ($I_{lv}$)
Dòng định mức van ($I_{đm_van}$) |
$418,67\text{ V}$
$753,6\text{ V}$
$34,64\text{ A}$
$110,8\text{ A}$ |
SCI50C80 (Mỹ)
- Điện áp ngược cực đại: $U_n = 800\text{ V}$
- Dòng định mức: $I_{đm} = 150\text{ A}$
- $di/dt = 400\text{ A}/\mu\text{s}$, $dv/dt = 1000\text{ V}/\mu\text{s}$
- Dòng điều khiển: $I_g = 150\text{ mA}$
- Nhiệt độ làm việc cực đại: $T_{max} = 150^\circ\text{C}$ |
Hệ số dự trữ điện áp $K_{dtu} = 1,8$
Hệ số dự trữ dòng điện $K_i = 3,2$
Làm mát bằng cánh tản nhiệt tự nhiên |
| Aptomat mạch lực |
Dòng tính toán ($I_{TT}$) |
$72,37\text{ A}$ |
Aptomat có dòng định mức $\ge 75\text{ A}$ |
$I_{TT} = \frac{P}{\sqrt{3} U \cos\varphi}$ với $U = 380\text{ V}, \cos\varphi = 0,8$ |
| Bảo vệ RC van |
Điện trở $R_1$, Tụ điện $C_1$ |
$R_1 \in [5 \div 30],\Omega$
$C_1 \in [0,25 \div 4],\mu\text{F}$ |
$R_1 = 5,1,\Omega$
$C_1 = 0,25,\mu\text{F}$ |
Mắc song song từng van thyristor để dập quá áp chuyển mạch |
| Bảo vệ RC lưới |
Điện trở $R_2$, Tụ điện $C_2$ |
$R_2 \in [5 \div 30],\Omega$
$C_2 = 4,\mu\text{F}$ |
$R_2 = 12,5,\Omega$
$C_2 = 4,\mu\text{F}$ |
Mắc song song đầu vào để lọc xung điện áp lưới |
| Yêu cầu xung điều khiển |
Điện áp, dòng điện xung
Độ rộng xung, tần số xung |
- |
$U_{đk} = 3,0\text{ V}$, $I_{đk} = 200\text{ mA}$
$t_m = 50,\mu\text{s}$, $t_x = 167,\mu\text{s}$ ($30^\circ\text{ điện}$)
$f_x = 3\text{ kHz}$, $\Delta\alpha = 4^\circ$, $U_{nguồn} = \pm 12\text{ V}$ |
Mức sụt biên độ xung $S_x = 0,15$ |
| Biến áp xung (BAX) |
Tỉ số biến áp ($m$)
Điện áp sơ/thứ cấp ($U_1/U_2$)
Dòng điện sơ/thứ cấp ($I_1/I_2$) |
$m = 3$
$U_2 = 3\text{ V}, U_1 = 9\text{ V}$
$I_2 = 200\text{ mA}, I_1 = 66,6\text{ mA}$ |
Lõi Ferit HM hình xuyến
- Biến thiên cảm ứng từ: $\Delta B = 0,3\text{ T}$
- Biến thiên cường độ từ trường: $\Delta H = 30\text{ A/m}$
- Độ từ thẩm: $\mu_{tb} = 8 \cdot 10^{-6}\text{ H/m}$ |
Không có khe hở không khí |
| Tranzitor khuếch đại xung |
Dòng cực góp ($I_{C3}$) |
$66,6\text{ mA}$ |
2SC9111 (N-P-N Silic)
- $U_{CBO} = 40\text{ V}$, $U_{EBO} = 4\text{ V}$
- $I_{Cmax} = 500\text{ mA}$, $P_C = 1,7\text{ W}$
- $T_1 = 175^\circ\text{C}$ |
Tầng khuếch đại công suất xung cuối cùng |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về hệ truyền động điện
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về cấu trúc các hệ truyền động điện (TĐĐ) hiện đại, phân loại theo đặc tính động cơ (DC, không đồng bộ, đồng bộ), theo khả năng điều chỉnh và bộ biến đổi. Tác giả đi sâu phân tích cấu tạo gồm stato (cực từ chính bằng lá thép kỹ thuật điện dày $0,5 \div 1\text{ mm}$, cực từ phụ, gông từ) và rôto (lõi sắt dày $0,5\text{ mm}$, dây quấn, vành đổi chiều/cổ góp cách điện bằng mica dày $0,4 \div 1,2\text{ mm}$) cùng nguyên lý sinh mômen của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Phần tiếp theo trình bày cấu tạo bán dẫn 4 lớp của linh kiện Thyristor, các điều kiện kích mở và khóa van. Phân tích nguyên tắc xây dựng hệ truyền động T-Đ đảo chiều chỉ ra 4 phương án chính:
- Một bộ biến đổi cấp phần ứng kết hợp đảo chiều dòng kích từ.
- Một bộ biến đổi cấp phần ứng kết hợp công tắc tơ chuyển mạch đảo chiều phần ứng.
- Hai bộ biến đổi cấp phần ứng điều khiển riêng (loại trừ dòng tuần hoàn nhưng mạch điều khiển phức tạp, thời gian trễ lớn).
- Hai bộ biến đổi nối song song ngược điều khiển chung (độ tác động nhanh, đảo chiều êm, chuyển đổi linh hoạt sang chế độ hãm tái sinh).
Tác giả lựa chọn cấu hình hai bộ biến đổi nối song song ngược điều khiển chung tuyến tính với ràng buộc $\alpha_1 + \alpha_2 = 180^\circ$. Chương này cũng phân tích chi tiết hiện tượng dòng điện tuần hoàn $i_{cc}$ chạy khép kín giữa hai bộ chỉnh lưu và việc đưa cuộn kháng cân bằng $L_{cb}$ vào mạch để triệt tiêu thành phần dòng điện không mong muốn này.
Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển, mạch lực
Chương 2 trình bày chi tiết các giải pháp thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển:
- Sơ đồ mạch động lực hoàn chỉnh tích hợp thiết bị đóng cắt bảo vệ quá tải/ngắn mạch (Aptomat), mạch dập xung điện áp chuyển mạch RC mắc song song từng van, mạch lọc xung điện áp đường dây mắc ở đầu vào, và cầu chì bảo vệ quá dòng cho van.
- Cấu trúc mạch điều khiển phát xung được phân tích qua 4 khâu chức năng:
- Khâu đồng pha: So sánh các sơ đồ đồng pha dùng linh kiện rời, sơ đồ có phần biến thiên tuyến tính trọn nửa chu kỳ, sơ đồ dùng bộ ghép quang (Optocoupler không cần biến áp đồng pha) và sơ đồ sử dụng vi mạch khuếch đại thuật toán cho chất lượng điện áp tựa tối ưu.
- Khâu so sánh: Phân tích hạn chế của tầng so sánh tranzitor rời (vùng nhạy cảm vài mV gây lệch điểm mở) và chứng minh ưu điểm vượt trội của khếch đại thuật toán (Op-Amp) với hệ số khuếch đại cực lớn giúp phát xung chuẩn xác tại $U_{đf} = U_{đk}$.
- Khâu tạo xung chùm: Trình bày mạch dao động đa hài và mạch định thời sử dụng vi mạch NE555, kết hợp cổng logic AND nhằm phát xung chùm có tần số cao, giảm dòng tổn hao công suất trên biến áp xung.
- Khâu khuếch đại xung: So sánh sơ đồ khuếch đại dùng tranzitor đơn, sơ đồ Darlington và sơ đồ có tụ nối tầng giúp hạn chế thời gian mở thông dòng dư thừa, giảm kích thước dây quấn sơ cấp biến áp xung.
Chương 3: Tính chọn các thiết bị
Chương 3 thực hiện toàn bộ quy trình tính toán số trị cụ thể từ các thông số định mức của động cơ DC 22 kW:
- Xác định điện áp ngược cực đại van phải chịu $U_{max} = 418,67\text{ V}$, áp dụng hệ số dự trữ $K_{dtu} = 1,8$ tính ra điện áp ngược yêu cầu $U_{nv} = 753,6\text{ V}$. Dòng điện hiệu dụng qua van $I_{lv} = 34,64\text{ A}$, kết hợp hệ số dự trữ dòng điện $K_i = 3,2$ cho ra dòng định mức $I_{đm} = 110,8\text{ A}$. Từ đó lựa chọn Thyristor mã hiệu SCI50C80 của Mỹ ($U_n = 800\text{ V}, I_{đm} = 150\text{ A}, di/dt = 400\text{ A}/\mu\text{s}, dv/dt = 1000\text{ V}/\mu\text{s}, I_g = 150\text{ mA}, T_{max} = 150^\circ\text{C}$).
- Tính toán dòng điện aptomat mạch lực đạt $I_{TT} = 72,37\text{ A}$.
- Tính toán thông số mạch dập xung chuyển mạch van chọn $R_1 = 5,1,\Omega, C_1 = 0,25,\mu\text{F}$ và mạch lọc xung lưới chọn $R_2 = 12,5,\Omega, C_2 = 4,\mu\text{F}$.
- Tính toán chi tiết kênh điều khiển từ yêu cầu xung mở thyristor ($U_{đk} = 3\text{ V}, I_{đk} = 200\text{ mA}, t_m = 50,\mu\text{s}, t_x = 167,\mu\text{s}, f_x = 3\text{ kHz}, U = \pm 12\text{ V}$):
- Biến áp xung: Tỉ số biến áp $m = 3$, điện áp sơ cấp $U_1 = 9\text{ V}$, dòng điện sơ cấp $I_1 = 66,6\text{ mA}$, vật liệu ferit HM hình xuyến có $\Delta B = 0,3\text{ T}, \Delta H = 30\text{ A/m}, \mu_{tb} = 8 \cdot 10^{-6}\text{ H/m}$.
- Tầng khuếch đại: Chọn Tranzitor loại 2SC9111 (N-P-N silic, $U_{CBO} = 40\text{ V}, U_{EBO} = 4\text{ V}, I_{Cmax} = 500\text{ mA}, P_C = 1,7\text{ W}, T_1 = 175^\circ\text{C}$) làm việc ở chế độ xung với dòng colectơ $I_{C3} = 66,6\text{ mA}$.
Chương 4: Dùng phần mềm mô phỏng dạng sóng dòng điện, điện áp trên tải, trên van ở các chế độ làm việc và đánh giá kết quả
Chương 4 thực hiện mô phỏng hệ thống truyền động điện T-Đ có đảo chiều trên phần mềm chuyên dụng (PSIM / Simulink Power). Nội dung tập trung khảo sát các dạng sóng điện áp chỉnh lưu $U_d$, dòng điện phần ứng $I_d$, điện áp ngược trên van thyristor ở các chế độ:
- Chế độ động cơ quay thuận ($\alpha_1 < 90^\circ, \alpha_2 > 90^\circ$, bộ biến đổi $G_1$ chỉnh lưu, $G_2$ nghịch lưu phụ thuộc).
- Chế độ hãm tái sinh giảm tốc độ và chế độ động cơ quay ngược ($\alpha_1 > 90^\circ, \alpha_2 < 90^\circ$, bộ biến đổi $G_2$ chỉnh lưu, $G_1$ nghịch lưu phụ thuộc).
- Đánh giá sự biến thiên của dòng điện tuần hoàn và kiểm chứng tính đáp ứng của các khâu bảo vệ RC, cuộn kháng cân bằng đã tính toán trong chương 3.
Kết quả và đóng góp
- Kết quả kỹ thuật cụ thể:
- Hoàn thành thiết kế hệ thống truyền động điện T-Đ đảo chiều điều khiển chung cho động cơ DC kích từ độc lập 22 kW ($400\text{ V}, 60\text{ A}, 780\text{ vòng/phút}$).
- Xác lập bảng thông số kỹ thuật đầy đủ cho mạch lực: 12 van Thyristor SCI50C80 ($800\text{ V}, 150\text{ A}$), Aptomat bảo vệ $72,37\text{ A}$, các module mạch RC dập xung ($5,1,\Omega - 0,25,\mu\text{F}$ và $12,5,\Omega - 4,\mu\text{F}$).
- Xác lập bảng thông số mạch điều khiển phát xung chùm $3\text{ kHz}$ qua cổng AND: Biến áp xung tỉ số $m = 3$ lõi ferit HM và tầng khuếch đại tranzitor 2SC9111.
- Giải pháp kỹ thuật đề xuất:
- Áp dụng nguyên tắc điều khiển phối hợp tuyến tính $\alpha_1 + \alpha_2 = 180^\circ$ giúp hệ thống chuyển đổi trạng thái quay thuận - hãm tái sinh - quay ngược diễn ra liên tục, đáp ứng tác động nhanh và êm.
- Sử dụng phương pháp phát xung chùm qua cổng AND kết hợp tụ nối tầng ở mạch khuếch đại giúp giảm tải nhiệt trên biến áp xung và tranzitor, nâng cao độ tin cậy mở van.
- Đóng góp so với chương trình học phần:
- Cung cấp tài liệu thiết kế có tính hệ thống cao từ khâu phân tích lý thuyết, thiết kế sơ đồ nguyên lý phân tầng, đến quy trình tính chọn thông số linh kiện bán dẫn thực tế và kiểm chứng mô phỏng.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Sơ đồ điều khiển chung sinh ra dòng điện tuần hoàn $i_{cc}$ giữa hai bộ chỉnh lưu, bắt buộc phải lắp thêm 4 cuộn kháng cân bằng $L_{cb}$, làm tăng kích thước, khối lượng và chi phí chế tạo hệ thống.
- Mạch điều khiển tương tự sử dụng linh kiện rời và Op-Amp có số lượng linh kiện nhiều, dễ chịu ảnh hưởng bởi hiện tượng trôi điểm không và nhiễu nhiệt môi trường so với các bộ điều khiển kỹ thuật số hiện đại.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Chuyển đổi cấu trúc mạch điều khiển phát xung tương tự sang mạch điều khiển số sử dụng vi điều khiển chuyên dụng, DSP hoặc PLC để tối ưu hóa kích thước và nâng cao độ chính xác góc mở $\alpha$.
- Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển vòng kín (kết hợp các mạch vòng điều chỉnh tốc độ và điều chỉnh dòng điện) nhằm nâng cao độ ổn định tĩnh và chất lượng quá độ của hệ truyền động khi phụ tải thay đổi đột ngột.
Giá trị tham khảo
Báo cáo đồ án môn học là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:
- Đối tượng tham khảo: Sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử khi thực hiện đồ án môn học Điện tử công suất, Truyền động điện hoặc đồ án tốt nghiệp chuyên ngành về thiết kế bộ biến đổi bán dẫn và điều khiển động cơ điện một chiều.
- Nội dung trọng tâm cần tham khảo:
- Quy trình giải tích tính chọn van bán dẫn Thyristor theo điện áp ngược và dòng điện hiệu dụng có xét đến hệ số dự trữ an toàn.
- Thiết kế chi tiết mạch bảo vệ quá áp RC cho linh kiện bán dẫn công suất.
- Sơ đồ nguyên lý phân tầng mạch điều khiển phát xung chùm (Đồng pha $\rightarrow$ So sánh Op-Amp $\rightarrow$ Tạo xung chùm IC 555 $\rightarrow$ Khuếch đại Darlington/BAX).
Câu hỏi thường gặp
1. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập trong đồ án có các thông số kỹ thuật định mức nào?
Động cơ được thiết kế có công suất định mức $P_{đm} = 22\text{ kW}$, điện áp phần ứng định mức $U_{đm} = 400\text{ V}$, dòng điện phần ứng định mức $I_{đm} = 60\text{ A}$, tốc độ quay định mức $n_{đm} = 780\text{ vòng/phút}$, điện áp kích từ định mức $U_{ktđm} = 200\text{ V}$ và dòng điện kích từ định mức $I_{ktđm} = 10\text{ A}$.
2. Tại sao đồ án lựa chọn phương pháp điều khiển chung cho hai bộ biến đổi song song ngược và quan hệ giữa hai góc mở $\alpha_1, \alpha_2$ được xác lập như thế nào?
Phương pháp điều khiển chung được lựa chọn vì phù hợp với hệ thống dải công suất lớn, có tần số đảo chiều cao, thực hiện quá trình đảo chiều và chuyển đổi sang chế độ hãm tái sinh êm, tác động nhanh. Mối quan hệ góc mở giữa hai bộ biến đổi tuân theo quy luật phối hợp tuyến tính $\alpha_1 + \alpha_2 = 180^\circ$ (hay $\alpha_1 + \alpha_2 = \pi$), đảm bảo một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lưu thì bộ kia sẵn sàng ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc.
3. Loại Thyristor nào được tính chọn cho mạch lực và các thông số định mức của van là gì?
Mạch lực sử dụng loại Thyristor SCI50C80 của Mỹ với các thông số định mức: Điện áp ngược cực đại $U_n = 800\text{ V}$, Dòng điện định mức $I_{đm} = 150\text{ A}$, Tốc độ biến thiên dòng điện cho phép $di/dt = 400\text{ A}/\mu\text{s}$, Tốc độ biến thiên điện áp cho phép $dv/dt = 1000\text{ V}/\mu\text{s}$, Dòng điều khiển cực cổng $I_g = 150\text{ mA}$ và Nhiệt độ làm việc cực đại $T_{max} = 150^\circ\text{C}$.
4. Mạch bảo vệ quá điện áp cho van và đầu vào mạch lực được tính chọn với thông số RC cụ thể ra sao?
Mạch dập xung quá điện áp do chuyển mạch van mắc song song với từng thyristor sử dụng điện trở $R_1 = 5,1,\Omega$ và tụ điện $C_1 = 0,25,\mu\text{F}$. Mạch lọc xung điện áp đột biến từ lưới xoay chiều mắc ở đầu vào sử dụng điện trở $R_2 = 12,5,\Omega$ và tụ điện $C_2 = 4,\mu\text{F}$.
5. Khâu khuếch đại cuối cùng trong mạch điều khiển sử dụng linh kiện tranzitor nào và thông số kỹ thuật ra sao?
Tầng khuếch đại xung cuối cùng sử dụng Tranzitor công suất loại 2SC9111 (N-P-N silic) làm việc ở chế độ xung với các thông số: Điện áp $U_{CBO} = 40\text{ V}$, $U_{EBO} = 4\text{ V}$, Dòng cực góp cực đại $I_{Cmax} = 500\text{ mA}$, Công suất tiêu tán cực góp $P_C = 1,7\text{ W}$, Nhiệt độ tiếp giáp cực đại $T_1 = 175^\circ\text{C}$ và Dòng làm việc colectơ $I_{C3} = 66,6\text{ mA}$.
Kết luận
Báo cáo đồ án môn học của nhóm sinh viên Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế hệ truyền động điện T-Đ có đảo chiều sử dụng hai bộ chỉnh lưu cầu 3 pha thyristor đối xứng điều khiển chung cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập $22\text{ kW}$. Đề tài thực hiện đầy đủ các bước từ cơ sở lý thuyết, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển phát xung chùm, tính toán chi tiết thông số linh kiện bán dẫn (Thyristor SCI50C80, Tranzitor 2SC9111, Biến áp xung ferit HM) đến các mạch bảo vệ quá dòng, quá áp RC. Đây là tài liệu học thuật có tính ứng dụng cao, đáp ứng đầy đủ các chuẩn đầu ra kỹ thuật của học phần Điện tử công suất và Truyền động điện.
