TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT VÀ TRUYỀN THÔNG KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HÓA ĐỒ ÁN MÔN HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Đề tài THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BỘ BIẾN ĐỔI ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU QUAY Sinh viên thực h[.]
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Nguyên lý và cấu tạo động cơ điện một chiều
1.1.1 Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều
- Từ trường của động cơ được tạo ra nhờ các cuộn dây (5) có dòng điện một chiều chạy qua Các cuộn dây này gọi là cuộn cảm (hay cuộn kích từ) và được cuốn quanh các cực từ
(4) Trên hình vẽ động cơ điện một chiều, stator (6) của động cơ có đặt các cuộn cảm nên stator còn gọi là phần cảm Từ trường do cuộn cảm tạo ra sẽ tác dụng một từ lực vào các dây dẫn rotor (7) đặt trong các rãnh của rotor (3) khi có dòng điện chạy qua Cuộn dây này gọi là cuộn ứng Dòng điện đưa vào cuộn ứng qua các chổi than (2) và cổ góp (1) Rotor mang cuộn ứng nên gọi là phần ứng của động cơ.
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo động cơ điện một chiều
- Trong hình vẽ các dây dẫn cuộn ứng ở nửa trên rotor có dòng điện hướng vào, còn các dây dẫn ở nửa dưới của rotor dòng điện hướng ra khỏi hình vẽ Từ lực F tác dụng vào các dây dẫn rotor có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái sẽ tạo ra momen làm quay rotor ngược chiều kim đồng hồ Động cơ trên có 2 cực từ hay một đôi cực (1 cặp cực, P=1).
- Trong thời gian động cơ làm việc, cuộn cảm tạo ra từ trường Фd dọc trục cực từ và phân bố đối xứng với cực từ Mặt phẳng OO trên đó có đặt chổi than, vừa là mặt phẳng chung tính vật lý Đồng thời dòng điện trong cuộn ứng cũng tạo ra từ trường riêng Фn hướng ngang trục cực từ Từ trường tổng cộng trong động cơ mất tính chất đối xứng dọc trục và mặt phẳng trung tính vật lý quay đi một góc Ф (ngược chiều quay của rotor) so với mặt phẳng trung tính hình học.
- Khi mà dòng điện trung tính càng mạnh thì Фn càng mạnh và góc quay β càng lớn Khi đó ta có thể nói phản ứng phần càng mạnh.
- Phản ứng phần ứng là một trong những nguyên nhân gây ra tia lửa điện giữa chổi than và cổ góp cũng như giữa các lá góp trong cổ góp Chúng ta có thể hạn chế ảnh hưởng này nhờ xoay chổi than theo vị trí mặt phẳng trung tính vật lý (tức là theo góc β) Thông thường trong các động cơ điện một chiều hiện nay, người ta thường thê cực từ phụ.
- Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và cuộn dây cực từ phụ sẽ tạo ra từ trường ngang trục so với từ trường chính và ngược chiều với từ trường Фn của cuộn ứng để khử từ trường Фn Nhờ vậy phản ứng phần ứng bị hạn chế và quá trình chuyển mạch trong động cơ sẽ tốt hơn.
- Bởi vì rằng từ trường Фn gây ra phản ứng tỉ lệ với dòng điện phần ứng Iư nên cuộn dây cực từ phụ được mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng Do vậy khi dòng điện phần ứng tăng lên thì cuộn dây cực từ phụ cũng sinh ra từ trường ngược mạnh hơn để khử từ trường Фn.
- Ngoài ra, biện pháp tăng khe hở không khí giữa stator và rotor cũng được áp dụng Cách này dẫn đến sự tăng kích thước động cơ phải tăng cường thêm cuộn kích từ chính vì khe hở không khí lớn sẽ làm yếu từ trường chính.
- Còn đối với các loại động cơ điện một chiều có công suất trung bình và lớn thì biện pháp chính là thêm cuộn dây bù đặt trong rãnh ở các cực từ chính (như hình vẽ) nhằm tạo ra từ thông Фb ngược chiều với Фn làm từ thông ở khe hở không khí không bị méo nữa và cuộn bù cũng được mắc nối tiếp với cuộn ứng.
- Trên đây là nguyên lý làm việc chung của một động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng thì chúng đều hoạt động dựa theo nguyên lý này Và cùng các phương pháp để có thể hạn chế được những nhược diểm của động cơ điện một chiều với các phương pháp đã nêu ở trên.
- Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm 2 phần chính là phần tĩnh (Stator) và phần động (Rotor).
Hình 1.4 Stato a) Cực từ chính
- Vỉ thép được ghép bởi các lá thép kĩ thuật điện (tôn silic) dày 0.5-0.1 mm dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Cực từ chính tạo nên từ trường trong máy Mặt cực giữ dây quấn và phân bố từ trường trên bề mặt phần ứng Cực từ gắn lên vỏ máy bằng bu lông hoặc đinh vít Dây quấn kích từ là dây đồng, các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau
Hình 1.5 Cực từ chính b) Cực từ phụ
- Các cực từ phụ được đặt xen kẽ giữa các cực từ chính để hạn chế tia lửa điện và cải thiện đổi chiều Lõi thép cực từ phụ: thường làm bằng thép đúc, dây quấn bằng đồng bọc cách điện, mắc nối tiếp với dây quấn phần ứng. c) Gông từ (vỏ máy)
- Dùng để gắn các cực từ, làm mạch từ nối liền các cực từ Do vậy vỏ máy được dẫn từ, đây là điểm khác biệt với vỏ máy của máy điện xoay chiều Trong các loại máy điện công suất lớn, gông từ thường làm bằng thép đúc, máy điện công suất nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại, có khi máy nhỏ dùng gang làm vỏ máy. d) Các bộ phận khác
- Nắp máy có gắn vành giá chổi than để nối với mạch điện bên ngoài, giá chổi than gồm các hộp chứa chổi than gắn trên các thanh cách điện với vành đế.
- Các hộp chổi than đặt đối xứng theo chu vi của cổ góp, các chổi than có dấu dương và âm xen kẽ nhau và cách nhau 180 độ điện Các chổi cùng dấu dương hoặc âm được nối chung với nhau bằng các dây điện Vị trí đặt các chổi than là trên vùng trung tính vật lý của động cơ.
Phân loại động cơ điện một chiều
- Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ Theo đó ta có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng:
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ.
Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng.
Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tếp với phần ứng.
Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, một cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng.
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
- Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng
- Phương pháp thay đổi từ thông Ф
- Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng
1.3.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng
- Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
Nguyên lý điều khiển: Trong phương pháp này người ta giữ U = Uđm , Ф = Фđm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng[3].
Giả thiết Uư = Udm = const và Φ = Φđm = const
Ta có phương trình đặc tính cơ tổng quát: ω = K ϕ U ư − R ư + R ưf
(K ϕ) 2 M hay ω = ω0 - ∆ω ; Tốc độ không tải lý tưởng: ω0 = U ư
K ϕ = const ; Độ cứng của đường đặc tính cơ: β=∆ M
Ta thấy khi điện trở càng lớn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó càng mềm hơn.
Hình 1.9 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ
- Ứng với Rf = 0 ta có độ cứng tự nhiên β TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ Như vậy, khi ta thay đổi
Rf ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên.
Hình 1.10 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐCĐMC khi thay đổi điện trở phụ
- Đặc điểm của phương pháp:
Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.
Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm).
Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục.
Đánh giá các chỉ tiêu: Phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà phải điều khiển nhảy cấp Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải, tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh D = ꞷmax / ꞷmin càng nhỏ Phương pháp này có thể điều chỉnh trong dải D = 3 : 1
Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản.
1.3.2 Phương pháp thay đổi từ thông Ф
Giả thiết U= Uđm, Rư = const Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kích từ, thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ.
Bình thường khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa
(Ф = Фmax) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông Ф tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức Nên khi giảm Ф thì tốc độ không tải lý tưởng k Udm o tăng, còn độ cứng đặc tính cơ Ru k 2 giảm, ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên[3].
Giả thiết điện áp phần ứng: Uư = Udm = const ;
Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát: ω = K ϕ U ư − R ưΣ
Trong trường hợp này tốc độ không tải: ω0x = U ư
K ϕ; Độ cứng đặc tính cơ: β = – ( K ϕ x )
Hình 1.11 Đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông
- Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng vượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi Vì vậy muốn giữ cho dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phải giảm Mt theo cùng tỉ lệ.
Hình 1.12 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơkhi thay đổi từ thông Φ.
- Đặc điểm của phương pháp:
Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng.
Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức, việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch.
Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển với công suất không đổi.
Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển: Sai số tốc độ lớn, đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3 : 1 Vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ nên ta có thể điều khiển liên tục với Ф ≈ 1.
Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục và kinh tế ( vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ
(1 ÷ 10)%Iđm) của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp).
Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển.
1.3.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng
- Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển … Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Vì nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không Để đưa tốc động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặc hơn nữa[3].
Giả thiết từ thông Φ = Φdm = const, khi ta thay đổi điện áp phần ứng theo hướng giảm so với Uđm
Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát: ω = K ϕ U ư − R ư
K ϕ dm ; Độ cứng đặc tính cơ: β = (K ϕ dm )
Hình 1.13 Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:
- Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để.
- Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thông cũng được giữ ở giá trị định mức Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mômen khởi động Khi mômen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là: ω max =ω 0 max − M đm ¿β∨¿ ¿ (1-10) ω min =ω 0min − M đm ¿β∨¿ ¿ (1-11)
- Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm
Trong đó KM là hệ số quá tải về mômen Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ có thể viết:
Hình 1.14 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp
- Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị ω 0max , M đm , K M là xác định, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng β Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ Do đó có thể tính sơ bộ được: ω 0max |β| 1
Nhận xét về ưu nhược điểm từng phương pháp
1.4.1 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng
- Ưu điểm: Phương pháp thay đổi điện trở phụ lắp vào phần ứng động cơ có ưu điểm là đơn giản, rẻ tiền, dễ điều chỉnh tốc độ động cơ Hay dùng điều chỉnh tốc độ động cơ cho các phụ tải là thế năng.
- Nhược điểm: Phương pháp này điều chỉnh tốc độ không triệt để Khi điều chỉnh càng sâu thì sai số tĩnh càng lớn; phạm vi điều chỉnh hẹp, dòng phần ứng lớn, công suất điều chỉnh lớn, tổn hao trong quá trình điều khiển lớn Phương pháp này thường được sử dụng cho các máy nâng – vận chuyển có yêu cầu điều chỉnh tốc độ không cao.
1.4.2 Phương pháp thay đổi từ thông Ф
- Ưu điểm: Phương pháp điều chỉnh tốc độ này có thể điều chỉnh vô cấp và cho tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản Tổn thất năng lượng ít.
- Nhược điểm: Việc điều chỉnh từ thông phi tuyến là khó khăn, dòng điện thay đổi khó tính toán chính xác dòng điều khiển và momen tải vậy nên phương pháp này cũng ít dùng.
1.4.3 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng
- Ưu điểm: Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để vô cấp có nghĩa là có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi ở không tải lý tưởng.
- Nhược điểm: Phải cần có bộ nguồn có điện áp thay đổi được nên vốn đầu tư cơ bản và chi phí vận hành cao.
- Dựa vào ưu, nhược điểm của từng phương pháp thay đổi tốc độ động cơ, em chọn phương pháp thay đổi điện áp phần ứng cho bài báo cáo.
Đảo chiều động cơ
Hình 1.15 sơ đồ nguyên lý đảo chiều phần ứng
Hình 1.16 sơ đồ nguyên lý đảo chiều phần kích từ
- Chiều lực từ tác dụng vào dòng điện được xác định theo qui tắc bàn tay trái Khi đảo chiều từ thông hay đảo chiều dòng điện thì lực tư có chiều ngược lại, vậy muốn đảo chiều động cơ điện 1 chiều ta thực hiện 1 trong 2 cách như hình vẽ trên.Và đường đặc tính cơ khi quay thuận và khi quay ngược là đối xứng nhau qua gốc tọa độ.
Khi ta thực hiện 1 trong 2 cách đảo chiều phần ứng động cơ hoặc phần kích từ thì nguyên tăc chung là:
Ta muốn quay thuận thì chỉ việc ấn 2 tiếp điểm thuongf đóng T lại khi đó 2 tiếp điểm thường mở là N sẽ mở ra và dòng điện sẽ đI qua 2 tiếp điểm T Quay thuận.
Ta muốn quay ngược thì chỉ việc nhả 2 tiếp điểm T ra và ấn 2 tiếp điểm thường mở lại khi đó dòng điện sẽ chạy qua 2 tiếp điểm N Quay ngược.
Chọn thông số động cơ
- Công suất định mức của động cơ: Pđm = 1,5 (KW)
- Điện áp địmh mức mạch phần ứng: Uđm = 220 (V)
- Dòng điện định mức mạch phần ứng: Iđm = 6,7 (A)
- Tốc độ định mức của động cơ: nđm = 3000 (v/p).
PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Phương trình đặc tính cơ và cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
- Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi động cơ kích từ song song
Hình 2.1 Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song.
- Khi nguồn điện một có công suất không đủ lớn thì mạch phần ứng và kích từ mắt vào hai nguồn một chiều độc lập nhau, lúc này động cơ được gọi là kích từ độc lập
Hình 2.2.Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập
- Do trong thực tế đặc tính của động cơ điện kích thích độc lập và kích thích song song hầu như là giống nhau, nên ta xét chung đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ điện kích từ độc lập.
- Theo sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập hình (2.2) ta viết được phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng ở chế độ xác lập như sau:
Uư = E + (Rư + Rf) Iư; (2-1) Trong đó Uư: Điện áp phần ứng (V);
E: Suất điện động phần ứng (V);
Rf: Điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω););
Rư: Điện trở ủa phần ứng (Ω);)
Với: Rư = rư + rcf + rcb + rtx ;
Trong đó rư: Điện trở dây phần ứng (Ω);); rcf: Điện trở cực từ phụ (Ω);) ; rcb: Điện trở cuộn bù (Ω);) ; rtx: Điện trở tiếp xúc của chổi điện (Ω););
Sức điện động E của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:
2.π.a. Φ ω = KΦ ω (2.2) Trong đó: p: Số đôi cực từ chính ;
N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng; a: Số mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng; ω: Tốc độ góc (rad/s) ; Φ: Từ thông kích từ chính một cực từ (Wb); Đặt K= P.N
2.π.a : Hệ số kết cấu của động cơ
Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:
9,55 ϕ n=0,105.K ϕ n Trong đó: Kc: Hệ số sức điện động của động cơ
Từ các phương trình trên ta có:
- Đây là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Mặt khác ta có mômen điện từ của động cơ ở chế độ xác lập được xác định theo biểu thức:
Mdt = K Φ Iư ; (2.4) Suy ra Iư M dt
- Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất ma sát trong ổ trục thì ta có thể coi mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen điện từ và ký hiệu là M: Mdt = Mcơ = M ;
- Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Có thể biểu diễn phương trình đặc cơ dưới dạng khác ω = ω0 - ∆ω ; (2.7)
K ϕ ; Gọi ω0 là tốc độ không tải lý tưởng
(K ϕ) 2 M; Gọi ∆ω là độ sụt tốc
- Giả thiết phần ứng được bù đủ từ thông của động cơ Φ = const, thì các phương trình đặc tính cơ điện (2.5) và phương trình đặc tính cơ (2.8) là tuyến tính Đồ thị của chúng được biểu diễn trên đồ thị là những đường thẳng
- Nếu xét đến tất cả các tổn thất thì: M cơ = Mdt ± ∆M;
Hình 2.3 Đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập.
- Theo đồ thị trên khi Iư = 0 hoặc M = 0 thì ta có: ω = ω0 = U ư
K ϕ , lúc này động cơ đạt tốc độ không tải lý tưởng
- Còn khi ω = 0 thì ta có:
- Với Inm, Mnm: Gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch
Hình 2.4 Đặc tình cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Các đặc tính cơ khi hãm động cơ một chiều kích từ độc lập
- Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều với tốc độ, hay còn gọi là chế độ máy phát Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm.
- Hãm tái sinh khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng (ω > ω0) Khi hãm tái sinh, sức điện động của động cơ lớn hơn điện áp nguồn (E > Uư), động cơ làm việc như một máy phát song song với lưới và trả năng lượng về nguồn, lúc này thì dòng hãm và mômen hãm đã đổi chiều so với chế độ động cơ
- Một số trường hợp hãm tái sinh: a) Hãm tái sinh khi ω > ω0: Lúc này máy sản suất như là nguồn động lực quay rôto động cơ, làm cho động cơ trở thành máy phát, phát năng lượng trả về nguồn
Vì E > Uư, do đó dòng điện phần ứng sẽ thay đổi chiều so với trạng thái động cơ:
Mh = KФ Ih < 0 ; Mômen động cơ đổi chiều (M < 0) và trở nên ngược chiều với tốc độ và trở thành mômen hãm (Mh)
Hình 2.5 Hãm tái sinh khi có động lực quay động cơ b) Hãm tái sinh khi giảm điện áp phần ứng (Uư2 ω02) Về mặt năng lượng, do động năng tích luỹ ở tốc độ cao lớn sẽ tuôn vào trục động cơ làm cho động cơ trở thành máy phát phát năng lượng trả lại nguồn (hay còn gọi là hãm tái sinh)
Hình 2.6 Hãm tái sinh khi giảm tốc độ bằng cách giảm điện áp phần ứng. c) Hãm tái sinh khi đảo chiều điện áp phần ứng (+Uư → - Uư):
- Lúc này Mc là dạng mômen thế năng (Mc = Mtn) Khi đảo chiều điện áp phần ứng, nghĩa là đảo chiều tốc độ + ω0 → - ω0, động cơ sẽ dần chuyển sang đường đặc tính có –
Uư, và sẽ làm việc tại điểm B ( | ω B |>|−ω 0 | ) Về mặt năng lượng, do thế năng tích luỹ ở trên cao lớn sẽ tuôn vào động cơ, làm cho động cơ trở thành máy phát và phát năng lượng trả lại về nguồn
- Hãm ngược là khi mômen hãm của động cơ ngược chiều với tốc độ quay của động cơ (M ↑↓ ω) Hãm ngược có hai trường hợp: a) Đưa điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng:
- Động cơ đang làm việc ở điển A ta đưa thêm Rưf lớn vào mạch phần ứng thì động cơ sẽ chuyển sang điểm B, D làm việc ổn định ở điểm E (ω = ωE và ωôđ ↑↓ ωA) trên trên đặc tính cơ có thêm Rưf lớn, và doạn DE là đoạn hãm ngược, động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện, lúc này sức điện động của động cơ đảo dấu nên:
Mh = KФ Ih ; Tại thời điểm chuyển đổi mạch điện thì mômen động cơ nhỏ hơn mômen cản (MB < Mc) nên tốc độ động cơ giảm dần Khi ω = 0, động cơ ở chế độ ngắn mạch
Hình 2.7 a) Sơ đồ hãm ngược bằng cách thêm Rưf. b) Đặc tính cơ khi hãm ngược bằng cách thêm Rưf b) Hãm ngược bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng:
- Động cơ đang làm việc ở điểm A, ta đổi chiều điện áp phần ứng (vì dòng đảo chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để hạn chế) thì động cơ sẽ chuyển sang làm việc tại điểm B, C và sẽ làm việc xác lập ở D nếu phụ tải ma sát Đoạn BC là đoạn hãm ngược, lúc này dòng hảm và mômen hãm của động cơ:
Mh = KФ Ih < 0 ; Phương trình đặc tính cơ: ω = −U Kϕ ư − R ư + R ưf
Hình 2.8 a, Sơ đồ hãm ngược bằng cách đảo chiều Uư b, Đặc tính cơ khi hãm ngược bằng cách đảo chiều Uư
- Ở đây ta chỉ xét hãm động năng kích từ độc lập Động cơ đang làm việc với lưới điện(Điểm A), thực hiện cắt phần ứng động cơ ra khỏi lưới điện và đóng vào một điện trở hãm Rh, do động năng tích luỹ trong động cơ, cho nên động cơ vẫn quay và nó làm việc như một máy phát biến cơ năng thành nhiệt năng trên điện trở hãm và điện trở phần ứng. Phương trình đặc tính cơ khi hãm động năng: ω = −R ư + R h
- Tại thời điểm hãm ban đầu, tốc độ hãm ban đầu ωhđ nên sức điện động ban đầu, dòng điện hãm ban đầu và mômen hãm ban đầu
- Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng ta thấy rằng nếu mômen cản là phản kháng thì động cơ sẽ dừng hẵn (Các đoạn B10 hoặc B20), còn nếu mômen cản là thế năng thì dưới tác dụng của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngược lại (ωôđ1 hoặc ωôđ2)
Các hệ chỉnh lưu Thyritor thường được sử dụng để thay đổi tốc độ động cơ điện
Hình 2.9 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có đảo chiều
Hình 2.10 Sơ đồ dạng sóng chỉnh lưu cầu ba pha (*) Nguyên lý hoạt động:
- Ở đây ta chỉ xét một trường hợp là khi giả thiết Ld =, cho sơ đồ làm việc với một góc điều khiển bằng và cũng giả thiết là sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm bắt đầu xét (t=0):
Giả thiết T5, T6 đang dẫn nên:
- Tại ωt1 = π / 6 + α cho xung điều khiển để mở T1, thyristor này sẽ mở vì Ua > 0 Sự mở T1 làm cho T5 bị khoá một cách tự nhiên vì Ua > Uc, lúc này T6 và T1 dẫn và điện áp trên tải :
- Tại ωt2 =3π / 6 + α cho xung mồi để mở T2 Thyiristor này sẽ mở vì khi T6 dẫn có điện áp Ub tác dụng lên anôt của T2 mà Ub > Uc Sự mở của T2 làm cho T6 bị khoá lại một cách tự nhiên, lúc này T1 và T2 dẫn và điện áp trên tải là:
- Tại ωt3 =5π / 6 + α lúc này ta có Ub > Ua, Uc cho xung mồi để mở T3.Thyrisror này sẽ mở vì Ub > 0 Sự mở T3 làm cho T1 bị khoá lại một cách tự nhiên vì Ub > Ua,lúc này T3 và T2 dẫn và điện áp trên tải là:
- Tại ωt4 =7π / 6 + α lúc này ta có Ub > Ua, Uc cho xung mồi để mở T4 Thyristor này sẽ mở vì khi T2 dẫn có điện áp Uc tác dụng lên anôt của T4 mà Uc > Ua.Sự mở của T4 làm cho T2 bị khoá lại một cách tự nhiên, lúc này T3, T4 dẫn và điện áp trên tải là :
- Tại ωt5 =9π / 6 + α lúc này ta có Uc > Ua, Ub, cho xung mồi để mở T5 Thyristor này sẽ mở vì Uc > 0 Sự mở T5 làm cho T3 bị khoá lại một cách tự nhiên vì Uc > Ub, lúc này T4 và T5 dẫn.Điện áp trên tải là :
- Tại ωt6 π / 6 + α lúc này ta có Uc > Ua, Ub cho xung mồi để mở lại T6 Thyristor này sẽ mở vì khi T4 dẫn có điện áp Ua tác dụng lên anôt của T6 mà Ua > Ub.Sự mở của T6 làm cho T4 bị khoá lại một cách tự nhiên, lúc này T5, T6 dẫn và điện áp trên tải là :
Ta có bảng điều khiển đóng mỏ, mở và dẫn của các van.
Thời điểm Mở Khóa Dẫn ωt1 = π / 6 + α T1 T5 T6,T1 ωt2 =3π / 6 + α T2 T6 T1,T2 ωt3 =5π / 6 + α T3 T1 T2,T3 ωt4 =7π / 6 + α T2 T3,T4 ωt5 =9π / 6 + α T5 T3 T4,T5 ωt6 π / 6 + α T6 T4 T5,T6 Điện áp trung bình trên tải được tính theo công thức :
U m sinωt dωt=3√3 π U fNmax cosa ¿3 π U ffmax cosa=1.35U ffmax cosa
Trong đó : UfN max :Điện áp pha cực đại
Uff max :Điện áp dây cực đại
Dòng điện trung bình trên các van : Ihd = Khd Id
Trong đó : Ihd, Id : Dòng điện hiệu dụng của các van và dòng điện tải
Khd : Hệ số xác định dòng điện hiệu dụng
- Khi góc mở α, dạng sóng biểu diễn trên hình 2.2.1.2 cho thấy điện áp Ud đập mạch bậc sáu ; nhưng khi α lớn, điện áp trên tải sẽ có phần âm, dòng điện trên các thyristor có dạng chữ nhật nhưng dòng điện qua thứ cấp máy biến áp hoàn toàn đối xứng và không có thành phần một chiều tránh cho lõi sắt bị bão hoà Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha được sử dụng rộng rãi bởi dòng trong các dây quấn và dây nguần hoàn toàn đối xứng.
- Giả sử T1, T2 đang dẫn dòng Khi θ = θ1 cho xung điều khiển mở T3, do Lc ≠ 0 nên iT3 không thể tăng đột ngột từ 0 → Id và dòng iT1 cũng không thể giảm đột ngột từ
Id → 0 Cả ba thyristor T1, T3, T5 đều dẫn dòng, hai nguồn ea, eb nối ngắn mạch.
- Nếu chuyển gốc toạ độ từ 0 đến θ1 ta có: e a =√ 2 U 2sin(θ+5π
6+a) Điện áp ngắn mạch :U c =U b −U a =√6.U 2sin(θ+a)
Dòng điện ngắn mạch ic được xác định bởi phương trình :
Hình 2.11 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có hiện tượng trùng dẫn
Hình 2.12 Sơ đồ dạng sóng chỉnh lưu cầu ba pha có trùng dẫn Dòng điện chạy trong T1 là i T 1 = Td - Ic ;
Dòng điện chạy trong T3 là i T 3 = ic ;
Giả thiết quá trình trùng dẫn kết thúc khi θ = θ2 và ký hiệu μ = θ 2 – θ 1 là góc trùng dẫn
Khi θ = μ, i T 1 = 0, ta có biểu thức sau: cosα – cos(μ + α) = 2 X c I d
- Hình dạng điện áp tải Ud trong giai đoạn trùng dẫn trong khoảng θ1 → θ2 T2 dẫn dòng,
T1, T3 trùng dẫn dòng Vậy có thể viết các phương trình sau: ea - ec - 2Lc di T 1 dt = Ud eb – ec - 2Lc di T 3 dt = Ud (2.18) iT3 + iT1 = iT2 = Id =const
Từ 3 phương trình ta rút ra:
- Do trùng dẫn (Lc ≠ 0) nên trị trung bình của điện áp tải bị giảm đi một ∆Uμ, và được xác định như sau:
Từ đó ta có thể xác định được: ∆Uμ 3.X.L c π ; (2.21)
- Ta có ở chế độ chỉnh lưu dòng điện trung bình trên tải Id và điện áp trung bình Ud luôn cùng chiều Công suất tiêu thụ trên tải P =Ud Id luôn dương và chiều của công suất luôn từ phía nguồn xoay chiều chuyển qua tải một chiều, ta nói bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu.
Hình 2.13 a) Chế độ chỉnh lưu b) Chế độ nghịch lưu
- Khi tăng góc mở α, giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu Ud giảm đi nhưng vẫn còn dương Tiếp tục tăng α > π
2 , điện áp chỉnh lưu trung bình đổi dấu Cực M trỏ thành âm (-) và N thành dương (+), điện áp – Ud tăng dần đến khi α = π Vì điện áp Ud đổi chiều trong khi Id có chiều không đổi nên công suất P đổi dấu Điều này có nghĩa là tải một chiều đã trở thành nguồn phát và công suất truyền ngược từ phía tải về nguồn Ta nói bộ biến đổi đã chuyển sang làm việc ở chế độ nghịch lưu Lưu ý rằng ở chế độ nghịch lưu, lưới xoay chiều nhận công suất tác dụng từ phía tải nhưng vẫn tiếp tục cung cấp công suất phản kháng và ảnh hưởng đến dạng sóng, tần số của điện áp xoay chiều ta nói rằng sơ đồ này làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc.
- Để lưới có thể nhận năng lượng từ phía tải thì tải phải là một nguồn phát và điện áp của tải phải lớn hơn điện áp của nguồn để đảm bảo cho van bán dẫn phân cực thuận.Trong trường hợp nghịch lưu phụ thuộc thì ta phải có góc điều khiển α > π/2 ta có điện áp trung bình của nghịch lưu phụ thuộc là Utb < 0.
Phân tích lựa chọn phương án truyền động điện
(*) Chỉnh lưu hình cầu 3 pha có điều khiển
Số xung áp chỉnh lưu trong một chu kì lớn, vì vậy bộ đập mạch của điện áp chỉnh lưu thấp, chất lượng điện áp cao.
Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua mỗi van trong một chu kì thấp, chỉ bằng 1/3 dòng chỉnh lưu.
Do sơ đồ là đối xứng nên không làm lệch pha lưới điện.
Sơ đồ có thể làm việc ở chế độ nghịch lưu.
Vì những yếu tố đã trêu trên em chọn mạch chỉnh lưu là chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển cho bài báo cáo.
Lưới điện BA CL Tải
THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Lựa chọn mạch động lực
Trong đề tài này em chọn sử dụng bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển cầu 3 pha nên ta sẽ đi phân tích bộ biến đổi này
Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc Trong đó:
+BA: có tác dụng chuyển điện áp và số pha chuẩn từ lưới điện sang giá trị điện áp và số pha thích hợp với mạch lực và tải Nếu điện áp, số pha đã cho phù hợp thì không cần ding BA.
+CL: có tác dụng biến đổi điện áp xoay chiều sang 1 chiều.
+MĐK: có tác dụng vào các thời điểm cần thiết nhằm khống chế năng lượng đưa vào.
3.1.2 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không có điốt không
Hình 3.2 Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha
3.1.3 Sơ đồ mạch động lực
Dựa vào hình 3.2, sơ đồ gồm :
- Nguồn cấp 3 pha xoay chiều.
- Các diện trở R, động cơ (Đ), Cuộn kích từ (CKĐ), cuộn kích(CK).
- Một máy biến áp 3 pha.
- Ba pha Thyristor nối với tải như hình.
Khi chưa có D0 Giản đồ điện áp và dòng điện như sau :
Hình 3.3 Giản đồ điện áp
Giới thiệu mạch điều khiển
Hình 3.4 Sơ đồ khối điều khiển thyristor.
- Trong thực tế người ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển sau : “Thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng arccos”, để thực hiện vị trí xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên thyristor
(*) Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính: Theo nguyên tắc này người ta thường dùng hai điện áp:
- Điện áp đồng bộ (Us), đồng bộ với điện áp đặt trên anôt – catôt của thyristor, thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh
- Điện áp điều khiển (Ucm ), là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ Thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh
Do vậy hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là: Ud = Ucm – Us ;
- Khi Us = Ucm thì khâu so sánh lật trạng thái, ta nhận được sường xuống của điện áp đầu ra của khâu so sánh Sườn xuống này thông qua đa hài một trạng thái bền ổn định tạo ra xung điều khiển.
Hình 3.5 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
- Như vậy bằng cách làm biến đổi Ucm, ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh góc α.
Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp :
- Điện áp đồng bộ Us, vượt trước UAK = Um Sinωt của thyristor một góc π/2
- Điện áp điều khiển Ucm là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ theo hai chiều dương và âm.
- Nếu đặt Us vào cổng đảo và Ucm vào cổng không đảo của khâu so sánh thì :
Khi Us = Ucm, ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái.
Hình 3.6 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng acros
- Như vậy, khi điều chỉnh Ucm từ trị Ucm = +Um, đến trị Ucm = -Um ta có thể điều chỉnh được góc α từ 0 đến α
- Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arcos” được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao.
3.2.3 Các khâu cơ bản của mạch điều khiển
- Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa đồng bộ với điện áp lưới, cho phép xác định được góc điều khiển α.
Hình 3.7 Các khâu đồng pha
- Nguyên lý sơ đồ a : Khi điện áp UA > 0 điốt D1 dẫn làm cho tụ c ngắn mạch nên
Urc = 0, khi UA < 0 D1, D2 khoá tụ C nạp với hằng số thời gian nạp tụ R2.C Tụ còn nạp chừng nào | URC| < | UA| tụ bắt đầu xả Từ thời điểm | URC| > | UA| tụ bắt đầu xả Khi nào tụ xả hết điện áp Urc = 0 Độ dài của phần biến thiên tuyến tính của điện áp tựa không phủ hết 180° Do vậy, góc mở van lớn nhất bị giới hạn Hay nói cách khác, nếu điều khiển theo sơ đồ này, điện áp tải không điều khiển được từ 0 tới cực đại mà từ một trị số nào đó đến cực đại
- Nguyên lý sơ đồ hình b: Để khắc phục nhược điểm về dải điều chỉnh ở sơ đồ hình a người ta sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng sơ đồ hình b Khi điện áp UA > 0 tranzitor Tr khoá, tụ C nạp Khi UA < 0 tranzitor dẫn, tụ C xả tạo thành điện áp răng cưa như hình dưới Điện áp tựa có phần biến thiên tuyến tính phủ hết nửa chu kì điện áp Do vậy, khi cần điều khiển điện áp từ 0 tới cực đại là hoàn toàn có thể đáp ứng được.
- Với sự ra đời của các linh kiện ghép quang, có thể sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng bộ ghép quang như Hình-c Nguyên lý và chất lượng điện áp tựa của hai sơ đồ Hình-b,c tương đối giống nhau Đường cong điện áp minh hoạ cho Hình-c tương tự như Hình-b nhưng điện áp nằm phía trên trục hoành (vì ở đây sử dụng tranzitor npn) Ưu điểm của sơ đồ Hình-c là không cần biến áp đồng pha, do đó có thể đơn giản hơn trong việc chế tạo và lắp đặt.
- Các sơ đồ trên đều có chung nhược điểm là việc mở, khoá các tranzitor trong vùng điện áp lân cận 0 là thiếu chính xác, làm cho việc nạp, xã tụ trong vùng điện áp lưới gần 0 không được như ý muốn.
- Ngày nay các vi mạch được chế tạo ngày càng nhiều, chất lượng ngày càng cao, kích thước ngày càng gọn, ứng dụng các vi mạch vào thiết kế mạch đồng pha có thể cho ta chất lượng điện áp tựa tốt Trên sơ đồ mô tả việc taọ điện áp tựa dùng khếch đại thuật toán
(*) Khâu so sánh : Thực hiện việc so sánh hai tín hiệu Uđf và Udk để tạo ra thời điểm phát xung điều khiển vào thyristor Về nguyên tắc sườn trước của xung này càng đứng càng tốt
Một số sơ đồ khâu so sánh thường gặp như sau ta chọn hình 3.8.
Hình 3.8 Các khâu so sánh thường gặp.
Hình a) Bằng tranzitor ; Hình b) Bằng một cổng đảo của khếch đại thuật toán ;
Hình c) Hai cổng khếch đại thuật toán.
- Để xác định được thời điểm cần mở thyristor, cần so sánh hai tín hiệu Udk và Urc, việc so sánh hai tín hiệu đó có thể được thực hiện bằng tranzitor (Tr) như trên hình 3.8.a Tại thời điểm Udk = Urc đầu vào Tr lật trạng thái khoá sang mở ( hay ngược lại từ mở sang khoá ), làm cho điện áp ra cũng bị lật trạng thái, tại đó ta đánh dấu được thời điểm cần mở thyristor
- Với mức độ mở bảo hoà của Tr phụ thuộc vào hiệu Udk ± Urc = Ub, hiệu này có một vùng điện áp nhỏ hàng vài mV, làm cho Tr không làm việc ở chế độ đóng cắt như mong muốn, do đó nhiều khi làm thời điểm mở thyristor bị lệch khá xa so với điểm cần mở tại
- Khếch đại thuật toán có hệ số khếch đại vô cùng lớn, chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ
(cỡ àV) ở đầu vào, đầu ra đó cú điện ỏp nguồn nuụi, nờn việc ứng dụng khếch đại thuộc toán làm khâu so sánh là hợp lý Các sơ đồ so sánh dùng khếch đại thuật toán như Hình
3.8.b,c rất thường gặp trong các sơ đồ hiện nay Ưu điểm hơn hẳn của các sơ đồ này là có thể phát xung điều khiển chính xác tại Udk = Urc.
Hình 3.9 Sơ đồ so sánh hai tín hiệu khác dấu.
- Với nhiện vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor tầng khếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng tranzitor công suất, như hình 3.8a Để có xung dạng kim gửi tới thyristor ta dùng biến áp xung, để có khếch đại công suất ta dùng Tr, điot D bảo vệ Tr và cuộn dây sơ cấp biến áp xung khi Tr khoá đột ngột Mặt dù với ưu điểm đơn giản, nhưng sơ đồ này không được dùng rộng rãi, bởi lẽ hệ số khếch đại của Tranzitor loai này nhiều khi không đủ lớn, để khếch đại được tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang
- Tầng khếch đại cuối cùng bằng sơ đồ Darlington như hình 3.8b, thường hay được dùng trong thực tế Sơ đồ này hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu về khếch đại công suất, khi hệ số khếch đại được nhân lên hteo thông số của các Tranzitor
- Trong thực tế xung điều khiển chỉ cần cú độ rộng bộ ( cỡ khoảng 10 đến 200 às ), mà thời gian mở thông các Tranzitor công suất dài tối đa một nửa chu kỳ cỡ 0,01s, làm cho công suất toả nhiệt dư của Tr quá lớn và kích thước dây quấn sơ cấp biến áp dư lớn Để giảm nhỏ công suất toả nhiệt Tr và kích thước dây quấn sơ cấp máy biến áp xung, ta có thể thêm tụ nối tầng như hình 3.8c Theo sơ đồ này, Tr chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ, nên dòng điện hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần.
Hình 3.10 Sơ đồ các khâu khếch đại và phân phối xung
Hình a) Bằng tranzitor công suất;
Hình b) Bằng sơ đồ Darlington;
Hình c) Sơ đồ có tụ nối tầng
Hình 3.11 Sơ đồ tạo xung chùm dùng khuếch đại thuật toán
Hình 3.12 Đồ thị dạng sóng của khâu tạo xung chum
TÍNH CHỌN THIẾT BỊ
Tính chọn thiết bị mạch động lực
4.1.1 Máy biến áp động lực
- Máy biến áp động lực là thiết bị biến đổi nguồn điện xoay chiều từ lưới điện thành nguồn điện xoay chiều phù hợp để cung cấp cho các bộ biến đổi.
- Công suất MBA : Vì là bộ biến đổi cầu ba pha nên
- Chọn mạch từ ba trụ tiết diện mỗi trụ được tính theo công thức kinh nghiệm sau:
Trong đó k = 4 5 nếu là máy biến áp dầu k = 5 6 nếu là MBA nhỏ
S = công suất biểu kiễn của MBA f = tần số nguồn xoay chiều
- Ở đây ta thiết kế với MBA nhỏ và chọn K=6 ta có:
- Ta có số vòng cuộn sơ cấp MBA là: n = U 1 10
- Điện áp dây thứ cấp là: U2đm Uđm.k1.k2.k3.k4
- Trong đó : k1 : Hệ số sơ đồ chỉnh lưu: k1 = U U 2 d 0
3.√ 6 = 0,43 k2 : Hệ số tính đến sự dao động trong phạm vi cho phép của điện áp lưới k2 = 1,05 1,1; Chọn k2 = 1,05. k3 : Hệ số tính đến góc điều khiển min 0. k3 = 1 1,15; Chọn k3 = 1,15 k4 : Hệ số tính đến sụt áp trên điện trở thuần của nguồn cung cấp và sụt áp trên điện cảm nguồn do chuyển mạch k4 = 1,15 1,25; Chọn k4 = 1,2
- Trị hiệu dụng dòng thứ cấp máy biến áp
I2đm = kI.Iđm = 1,15.6,7 = 10,05 (A) (4.5) Với kI = 1,1 1,2; Chọn kI = 1,15
- Tỉ số MBA là : Kba = U U 1
- Dòng sơ cấp máy biến áp
- Tính toán các thông số của máy biến áp
+ Điện trở dây quấn: rBA = K r U d
Kr : Hệ số phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu và đặc điểm của tải, Tra bảng II-2 ĐTTCSL ta có Kr =2,5 với máy biến áp đấu Y/Y tải cảm kháng, sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha
C : Số trụ của máy biến áp: C = 3 trụ f = 50 Hz : Tần số nguồn cung cấp
+ Điện kháng của cuộn dây máy biến áp
√ 4 3.50 1,1 220.6,7 = 10,3.10 -5 (H) (4.8) Trong đó Kn = 0,1.10 -3 là hệ số phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu và đặc tính phụ thuộc tải tra bảng 22 Điện Tử Công Suất Lớn
+ Điện áp rơi trên điện trở máy biến áp.
+ Điện áp rơi trên điện kháng tải của máy biến áp
+ Điện áp rơi trên các van ( chọn sụt áp trên các van ).
+ Điện áp rơi trên cuộn kháng bộ lọc = 2% điện kháng tải:
+ Điện áp chỉnh lưu không tải là :
- Thyristor là thiết bị bán dẫn để biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện 1 chiều cung cấp cho động cơ 1 chiều kích từ động lập Việc chọn các Thyristor phải dựa vào vào sơ đồ chỉnh lưu Muốn có các van chỉnh lưu làm việc tin cậy và an toàn lâu dài, thì cần phải chọn các van chịu được trong điều kiện làm việc nặng nề nhất, cả khi phụ tải thay đổi vẫn đảm bảo độ tin cậy, chính xác, cụ thể là khi điện áp chỉnh lưu lớn nhất ứng với góc điều khiển = min Điều kiện chọn các Thyristor như sau: [Ung] Kung Ungmax
Trong đó Kđt : Hệ số dự trữ dòng điện qua van, thường Kđt =1,82 chọn Kđt = 2
Kung: Hệ số dự trữ điện áp thường Kung =1,2 1,5 chọn Kung = 1,4.
Ungmax: Giá trị điện áp ngược lớn nhất đặt vào mạch các cực K-A của van.
IT: Giá trị tính toán của dòng điện trung bình qua van đối với sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha.
Trong đó: số pha nguồn (m = 3)
U2: Trị hiệu dụng của điện áp pha thứ cấp máy biến áp động lực
Id: Dòng điện chạy qua động cơ do bộ chỉnh lưu cung cấp (là giá trị trung bình của dòng điện tải) Ta có giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu, đối với sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha được xác định theo biểu thức
[I¿¿tb]≥ K đt I T =2.2,2=4,4(A)¿ (4.12) Như vậy căn cứ vào các kết quả tính toán được và điều kiện để chọn Thyristor tra sách điện tử công suất lớn Thyristor do liên xô chế tạo có các thông số sau.
Hình 4.1 Bảng chọn Thyristor cho sơ đồ chỉnh lưu
4.1.3 Tính chọn thiết bị bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn
- Khi làm việc với dòng điện chạy qua, trên van có sự sụt áp, do đó có tổn hao công suất ∆P, tổn hao nãy sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn Mặt khác van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép TCP nào đó nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng Để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý
Tính toán cánh tản nhiệt:
- Tổn thất công suất trên một Thyristor
- Diện tích bề mặt toả nhiệt
Trong đó: ∆P: Tổn hao công suất (W) τ: Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường
Km: Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ Chọn Km = 8 W/m C
Tlv, Tmt: Nhiệt độ làm việc và nhiệt độ của môi trường ( 0 C) Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 40 0 C Nhiệt độ làm việc cho phép của Thyristor Tcp= 125 0 C Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv 0 C. τ = Tlv - Tmt = 80 - 40 = 40 0 C (4.15)
Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước mổi cánh là: a × b = 16 × 16 (cm × cm) (4.16)
Tổng diện tích của cánh tản nhiệt.
4.1.4 Tính chọn thiết bị bảo vệ quá dòng cho van
- Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch thyistor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu
Idm = k.I = 1,1.√ 3 I 1 =1,1 √ 3.6,7= 12,77 (A) (4.18) Với I1: là dòng điện sơ cấp máy biến áp; k: Hệ số an toàn;
- Aptomat có ba tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện
- Chỉnh định dòng ngắn mạch:
- Chọn cầu dao có dòng định mức:
Cầu dao dùng để tạo khoảng cách an toàn khi sửa chữa hệ truyền động
Như vậy căn cứ vào các kết quả tính toán được và điều kiện để chọn ATM tra sách điện tử công suất lớn ATM do liên xô chế tạo có các thông số sau:
Bảng 4.2 Bảng chọn Aptomat bảo vệ cho sơ đồ
- Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các thyristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu.
Dòng điện định mức dây chảy nhóm 1CC là:
Dòng điện định mức dây chảy nhóm 2CC là:
Dòng điện định mức dây chảy nhóm 3CC là:
I3CC = 1,1 Idm = 1,1.12,77 = 14,1 (A) (4.24) Vậy chọn cầu chảy nhóm:
1CC loại 15A ; 2CC loại 15A ; 3CC loại 20A (4.25)
Tính chọn thiết bị mạch điều khiển
4.2.1 Tính toán các thông số mạch điều khiển
- Sơ đồ một kênh điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha được thiết kế theo sơ đồ hình
(*) Tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khếch đại ngược trở lên. Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở thyristor
Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển: Điện áp điều khiển thyristor: Udk =3,0V;
Dòng điện điều khiển thyristor: Idk= 200 mA;
Thời gian mở thyristor: tm P às; Độ rộng xung điều khiển: tx= 167 às; (tương đương với 30 điện); Tần số xung điều khiển: fx =3 kHz; Độ mất đối xứng cho phép: ∆α = 40; Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U = ± 15 V;
Mức sụt biên độ xung: Sx =0,15.
- Yêu cầu đối với BAX là phải tạo được xung theo yêu cầu, cách ly mạch điều khiển và mạch động lực, dễ dàng phân bố xung tới các cực điều khiển của Tiristor
- Chọn tỷ số biến áp của BAX: Thông thường BAX được thiết kế có tỷ số biến áp là n 2 3 vậy chọn n = 2
- Tính toán với BAX có n = 2 Các xung cần tạo ra có các thông số 𝐼𝑔 = 0.42 (A),
𝑈𝑔 = 10 (V), độ rộng xung điều khiển: 𝑇 𝑥 = 600(𝜇𝑠) = 6 10−4 (𝑠) Mạch từ của BAX chọn vật liệu là 330, loại chữ E, có 3 trụ làm việc trên 1 phần của đặc tính từ hóa
4.2.3 Tính chọn khâu đồng pha
- Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C1 Mặt khác để bảo đảm điện áp tựa có trong nữa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được
Chọn tụ C1 = 0,1 àF, thỡ điện trở R3 = T C r t
= 0.005 0,1.10 −6 = 50 103 (Ω);) ; Vậy R3 = 50 (kΩ);) ; Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch, R3 thường chọn là biến trở lớn hơn
50 kΩ); Chọn tranzitor Tr1 loại A564 có các thông số sau:
- Tranzitor loại P-N-P, làm bằng silic;
- Điện áp giữa colectơ và bazơ khi hở mạch emitơ là: UCBO = 25 V;
- Điện áp giữa emitơ và bazơ khi hở mạch colectơ là: UEBO = 7 V;
- Dòng điện lớn nhất ở colectơ có thể chịu đựng: ICmax = 100 mA;
- Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: Tcp = 1500C ;
- Dòng điện làm việc cực đại của bazơ: IB3 = 0,42 100 = C I = 0,2A;
- Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào bazơ của tranzitor Tr1 và được chọn như sau:
Chọn điện áp xoay chiều đồng pha: UA = 9 V; Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khếch đại thuật toán A1, thường chọn R1 sao cho dòng vào khếch đại thuật toán IV < 1 mA
Khếch đại thuật toán đã chọn loại TL 084.
Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc = ± 12 V thì điện áp vào A3 là UV ≈ 12 V Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1 mA
Do đó ta chọn R4 = R5 = 15 kΩ);, khi đó dòng điện vào A3 là:
(*) Phản hồi âm dòng điện
Ta có hệ số phản hồi âm dòng điện: Β = U imax ¿
I dmax (4.31)Với U * imax = 40(V), Idmax = √2 IT = √2 2,2 = 3,1 A
Thay vào công thức 4.31 ta tính được: β = 3,1 40 = 13 (4.32)
Máy phát tốc là máy điện nhỏ, làm việc ở chế độ máy phát và thực hiện chức năng biến đổi chuyển động của trục thành tín hiệu điện áp ra
Phương trình đặc tính của máy phát tốc:
Trong đó UF: Là điện áp ra của máy phát tốc
K, K1: Là hệ số khuếch đại n: Là vận tốc quay của roto (vòng/phút) α: Là góc quay
Chọn máy phát tốc ZYS-1A có hằng số thời gian: Tω = 0,01 (s), I = 0,8 (A), P = 4,4 W Chọn Ucđ = 5 (V) là điện áp ra của máy phát tốc được đưa vào khâu khuếch đại trung gian
(*) Phản hồi âm tốc độ
Ta có hệ số phản hồi âm tốc độ: γ = U n cđmax max (4.34) Với Ucđmax = 5V, nmax = 3000 v/p
Thay vào công thức 4.34 ta tính được γ = 3000 5 = 0,001
4.2.6 Tính chọn bộ tạo xung chùm
Mỗi kênh điều khiển phải dùng bốn khếch đại thuật toán, do đó ta chọn IC loại TL 084 do hãng Texas Intruments chế tạo các IC này có khếch đại toán
Các thông số của TL 084:
- Điện áp nguồn nuôi: Vcc = ± 15 V;
- Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: U = ± 30 V;
- Công suất tiêu thụ: P = 680 mW = 0,68 W;
- Tổng trở đầu vào: Rin = 106 MΩ);;
- Dòng điện đầu ra: Ira = 30 pA;
- Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: d d u t = 13 V/às;
Hình 4.3 Sơ đồ chân IC TL084
Mạch tạo xung chùm có tần số f = 2 1 f x = 3 kHz, hay chu kỳ của xung chùm:
Chọn tụ C2 = 0,1 àF, cú điện ỏp U = 16 V suy ra R8 = 1,518 Ω);; Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch, ta chọn R8 là biến trở 2Ω);
4.2.7 Tính tầng khuếch đại cuối cùng
Tầng khuếch đại xung sử dụng các Tranzito ngược mắc theo cầu Dalingtor chọn dựa theo thông số của các biến áp xung: U1 = 20 (V), I1 = I2 = 0,21 (A) Tranxito Tr1 làm việc ở chế độ xung, chọn loại 605 có các thông số kỹ thuật sau:
Ta chọn = 20 IB1 = IC/ = 0,21/20 = 0,01 (A) (mA)
Nên cho dòng càng nhỏ thì xung càng ít mất đối xứng chọn thêm tầng khuếch đại trung gian Tr2 làm việc ở chế độ khuếch đạị, loại M25 có các thông số kỹ thuật sau:
VCE = 40 (V), ICmax= 300 (mA), 25, chọn Tr2 có hệ số
- Ta cần tạo ra nguồn điện áp U ± 15 V để cấp cho máy biến áp xung nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ
- Ta chọn mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển dùng 6 con điôt để tạo ra điện áp – 15 V, và + 15 V Điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi là:
U2 = 2,34 15 = 6,4 (V), ta chọn U2 = 9 (V) (4.36) Việc xây dựng nguồn ổn áp một chiều bằng thyristor có nhược điểm là chọn và tính toán phức tạp đòi hỏi phải có kỹ thuật chuyên môn cao Sự ra đời của các vi mạch ổn áp họ 7812 và 7912 cho phép đơn giản hoá quá trình này, vì vậy nó được sử dụng rộng rãi trong thực tế.
Vi mạch IC 7812 thường có ba chân, chân đầu vào, chân đầu ra và chân nối đất Do có nhiều hãng sản xuất ra loại IC này do đó hình dáng bên ngoài và thứ tự của các chân có khác nhau
(*) Sử dụng các đi ốt mắc ngược nhau để tạo ra 2 nguồn 1 chiều +15V và -15V.
Hình 4.4 Sơ đồ nguồn nuôi
4.2.9 Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha
- Ta thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi Chọn kiểu máy biến áp ba pha ba trụ, trên mổi trụ có ba cuộn dây, một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp
- Điện áp lấy ra ở thứ cấp máy biến áp làm điện áp đồng pha, và làm điện áp của nguồn nuôi
- Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha
- Công suất nguồn nuôi cấp cho máy biến áp xung
- Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL084 sử dụng làm khếch đại thuật toán, ta chọn hai IC TL084 để tạo 6 cổng AND
- Công suất máy biến áp xung cấp cho cực điều khiển thyristor
- Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi
- Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy.
- Dòng điện thứ cấp máy biến áp.
- Dòng điện sơ cấp máy biến áp.
4.2.10 Tính chọn điốt cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi
- Dòng điện hiệu dụng qua điôt.
- Điện áp ngược lớn nhất mà điốt phải chịu
- Chọn điôt có dòng định mức.
- Chọn điôt có điện áp ngược lớn nhất
Un = Ku.UNmax = 2.22 = 44 (V) (4.49) Vậy chọn điôt loại KIT 208A có các thông số sau:
+ Dòng điện định mức: Idm = 1,5 (A)
+ Điện áp ngược cực đại của điôt: UN = 100 (V)
