1. Đề tài: Thiết kế hệ truyền động điện TĐ : Sử dụng chỉnh lưu thyristor cầu 3 pha đối xứng , động cơ 1 chiều kích từ động lập có thông số: Uđm = 400V; Iđm=20A; Pđm=7,2Kw; Uktđm=400V; Iktđm=5A; nđm= (500+134)=634 vph.
TỔNG QUAN CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN T-Đ
Cấu tạo và nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
1.1.1 Động cơ điện một chiều a Cấu tạo
Hình 1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều
Hình 2.2 Động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều cấu tạo gồm hai thành phần chính: gồm phần tĩnh và phần quay. b Phần cảm (stator)
Phần cảm là phần tạo ra từ trường tĩnh của động cơ gồm có các phần sau đây:
+ Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường, nó gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ
+ Lõi sắt kích từ được làm bằng lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon ghép lại và tán chặt.
+ Dây quấn kích từ: được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối và và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ.
- Cực từ phụ: được đặt giữa các cực chính và dùng để cải thiện đổi chiều, lõi thép thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn giống như cực từ chính.
- Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy.
Chổi than là các thanh than chì tiếp xúc với cổ góp để truyền dòng điện một chiều vào rôto Vị trí đặt chổi than nằm ở vị trí trung tính hình học của động cơ.
Phần ứng là phần cho dòng điện một chiều chạy trong nó, tương tác giữa dòng điện I và từ thông sinh ra mômen quay Nó gồm ba phần chính:
- Lõi thép : là các lá thép kĩ thuật điện (Fe - Si) mỏng ghép lại với nhau, trên có xẻ rãnh để đặt các bối dây.
- Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua, nó được cấu tạo gồm các dây đồng tròn được ghép thành các phần tử (bối dây), các bối dây được ghép theo kiểu dây quấn xếp đơn hay dây quấn phức tạp tuỳ yêu cầu mômen lớn hay nhỏ.
- Cổ góp là bộ phận dùng để đưa dòng điện vào roto của động cơ điện Nó gồm nhiều lá đồng mỏng cách điện với nhau Các lá đồng này được lắp vào các đầu mút của các cuộn dây roto và nối với nguồn điện bên ngoài Khi có dòng điện chạy qua, các lá đồng sẽ di chuyển trong từ trường của stato, tạo ra lực từ và làm cho roto quay.
Ngoài ra còn có các bộ phận khác gồm cánh quạt dùng để làm ngội máy, trục máy
Tùy theo phương pháp kích từ người ta chia động cơ một chiều thành các dạng kích từ nối tiếp, kích từ song song, kích từ hỗn hợp, kích từ độc lập.
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (a), kích từ song song(b), kích từ hỗn hợp(c), và kích từ độc lập(d).
Hình 1-4: Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (a), kích từ song song(b), kích từ hỗn hợp(c), và kích từ độc lập(d).
Khi nguồn điện một chiều có công suất rất lớn và điện áp không đổi, mạch kích từ thường được mắc song song với mạch phần ứng Trong trường hợp này, động cơ điện được gọi là động cơ kích từ song song.
1.1.2 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Động cơ điện phải có hai nguồn năng lượng
- Nguồn kích từ cấp vào cuộn kích từ đẻ sinh ra từ thông kích từ
- Nguồn phần ứng được đưa vào hai chổi than để đưa vào hai cổ góp của phần ứng
Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi điện trong dây quấn phần ứng có điện Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay Chiều của lực được xác định bằng qui tắc bàn tay trái
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau.
Do có phiếu góp nhiều dòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi.
Khi quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiều của suất điện động được xác định theo qui tắc bàn tay phải, ở động cơ một chiếu sđđ Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động Phương trình cân bằng điện áp :
U = Eư + Rư.Iư +Iư.di/dt
- Phương trình đặc tính cơ: là phương trình biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ (n) và mômen (M) của động cơ có dạng chung : ω = K Φ U u − R u + R f
Thông qua phương trình này, ta có thể thấy được sự phụ thuộc của tốc độ độngcơ và mômen động cơ và các thông số khác (mômen, từ thông ), từ đó đưa raphương án để điều chỉnh động cơ (tốc độ) với phương án tối ưu.
Với những điều kiện Uư = const, It = const thì động cơ hầu như không đổi,
Đặc tính cơ của động cơ là đường thẳng thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa mô men và tốc độ Đường đặc tính này thường giao với trục tung tại hai điểm: giao điểm dưới ứng với mô men ngắn mạch và giao điểm trên ứng với tốc độ không tải.
Người ta đưa thêm đại lượng β= Δ M Δω để đánh giá độ cứng Đặc tính càng dốc càng cứng ( β càng lớn) tức là mômen biến đổi nhiều nhưng tốc độ biến đổi ít và ngược lại Đặc tính càng ít dốc càng mềm tức là mômen biến đổi ít nhưng tốc độ biến đổi nhiều thay đổi. Để hiểu được nguyên lý và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tối ưu, trước hết ta đi xét đặc tính của động cơ điện Đó là quan hệ giữa tốc độ quay với mômen(hoặc dòng điện) của động cơ.
- Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ: nếu động cơ vận hành ở chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông định mức và không nối thêm các điện kháng, điện trở vào động cơ).Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có các điểm làm việc định mức có giátrị Mđm, ωđm.đm.
- Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn hoặc nối thêm các điện trở, điện kháng. Để so sánh các đặc tính cơ với nhau, người ta đưa ra khái niệm độ cứng của đặctính cơ: β=∆Μ/∆ωđm (tốc độ biến thiên mômen so với vận tốc) Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Sơ đồ kích từ độc lập được thể hiện như dưới đây:
Hình 4.4 Sơ đồ kích từ độc lập
Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau: gọi là động cơ điện kích từ độc lập.
Phương trình đặc tính cơ xuất phát:
+Uư: Điện áp phần ứng
+Eư: sức điện động phần ứng
+Rư: điện trở kháng phần ứng: Rư=rư +rcf +rb +rct
+rư: điện trở cuộn dây phần ứng.
+rcf: điện trở cuộn cực từ phụ.
+ri: điện trở cuộn bù.
+rct: điện trở tiếp xúc của chổi điện.
+Rf: điện trở phụ trong mạch phần ứng.
+Iư: dòng điện mạch phần ứng.
+Eư được xác định theo biểu thức sau:
+ p: số đôi cực từ chính.
+ N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
+ A: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng.
+ Φ : từ thông kích từ dưới một cực từ.
Trong đó K là hệ số cấu tạo của động cơ.
Biểu thức (*) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác mômen điện từ của động cơ được xác định M dt = K Φ.I u
Thay vào (*) ta được : ωđm.= U n
Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen điện từ bằng M.
K Φ−R n+ R f ¿ ¿ Đây là phương trình đặc tính cơ điện một chiều kích từ độc lập
Ta có đồ thị hình vẽ :
+Iư=0 hoặc M=O ta có ωđm.= R U n n +R f =ω 0 Đây là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ
M = K Φ.I nm = M nm Mômen ngắn mạch ω= U n
Từ đó có thể tốc độ động cơ điện một chiều phụ thuộc vào các đại lượng là: Uư,
R, I Như vậy thông qua các đại lượng biến thiên này mà ta có thể điều khiển được tốc độ động cơ một chiều.
Giới thiệu về mạch chỉnh lưu và Thyristor
1.2.1 Tổng quan về chỉnh lưu
Mạch chỉnh lưu là mạch điện cho phép chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC) Chỉnh lưu giống như một cái van chỉ cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều nhất định.
Hình 5.5 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu
Phân loại mạch chỉnh lưu:
– Phân loại theo loại linh kiện bán dẫn trong mạch
+ Mạch chỉnh lưu không điều khiển sử dụng diode
+ Mạch chỉnh lưu có điều khiển sử dụng SCR hay thyristor
+ Mạch chỉnh lưu bán điều khiển sử dụng diode và SCR
– Phân loại theo số pha nguồn cấp: một pha, hai pha, ba pha, 6 pha…
– Phân loại theo sơ đồ mắc linh kiện có hai loại
Mạch chỉnh lưu hình tia là loại mạch chỉnh lưu có số lượng linh kiện bằng số pha của nguồn cấp Đặc điểm của mạch này là tất cả các linh kiện đều được đấu chung một đầu với nhau, có thể là đấu cực âm chung hoặc cực dương chung.
+ Sơ đồ mạch cầu: Ở sơ đồ này số lượng linh kiện bán dẫn nhiều gấp đôi số nguồn cấp cho mạch Trong đó một nửa số linh kiện mắc chung cực âm, một nửa kia lại mắc chung nhau cực dương.
=> Như vậy, khi gọi tên một mạch chỉnh lưu người ta dùng 3 dấu hiệu trên để chỉ cụ thể mạch đó Ví dụ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển là mạch chỉnh lưu mắc theo kiểu sơ đồ cầu, nguồn cấp cho mạch là 3 pha và sử dụng cả diode và SCR.
1.2.2 Tổng quan về Thyristor a Cấu tạo
Là dụng cụ bán dẫn gồm 4 lớp bán đẫn loại P và N ghép xen kẽ nhau và có 3 cực anốt, catốt và cực điều khiển riêng G
Kí hiệu : b Nguyên lý hoạt động
Khi nối thyristor với nguồn một chiều E > 0, điện trường bên ngoài tác động cùng chiều với điện trường nội tại E1 của mặt ghép J2, tạo ra vùng cách điện mở rộng ngăn cản dòng điện chạy qua tiristor Do đó, thyristor không dẫn mặc dù được đặt dưới điện áp dương.
+Mở Thyristor : Nếu cho một xung điện áp dương Ug tác động vào cực G
(dương so với K ) thì các electron từ N2 chạy sang P2 Đến đây một số ít trong chúng chảy về nguồn Ug và hình thành dòng điều khiển Ig chảy theo mạch G1 - J3 -
K - G , còn phần lớn điện tử dưới sức hút cuả điện trường tổng hợp của mặt J2 lao vào vùng chuyển tiếp này chúng được tăng tốc do đó có động năng rất lớn sẽ bẻ gảy các liên kết giữa các nguyên tử Si, tạo nên các điện tử tự do mới Số điện tử này lại tham gia bắn phá các nguyên tử Si khác trong vùng chuyển tiếp Kết quả của các phản ứng dây chuyền này làm xuất hiện càng nhiều điện trường chạy vào vùng N1 qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài, gây nên hiện tượng đẫn điện ào ạt làm cho J2 trở thành mặt ghép dẫn điện bắt đầu từ một diểm nào đó ở sung quanh cực rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép với tốc độ lan truyền khoảng
Có thể hình dung như sau : Khi dặt Thyristor ở UAK > 0 thì Thyristor ở tình trạng sẵn sàn mở cho dòng chảy qua, nhưng nó còn đợi tín hiệu Ig ở cực điều khiển, nếu Ig > Igst thì Thyristor mở.
- Một trong những biện pháp đơn giản nhất để mở Thyristor được trình bày trên hình vẽ.
Khi đóng mở K, nếu Ig > Igst thì T mở ( Ig (1,1 1,2 ) Igst )
Một khi Thyristor đã mở thì tín hiệu Ig không còn tác dụng nữa Để khoá Thyristor có 2 cách :
Giảm dòng điện làm việc I xuống giá trị dòng duy trì Idt
Đặt một điện áp ngược lên Thyristor UAK < 0, hai mặt J1, J3 phân cực ngược,
J2 phân cực thuận Những điện tử trước thời điểm đảo cực tính UAK < 0 đang có mặt tại P1, N1,P2, bây giờ đảo chiều hành trình, tạo nên dòng điện ngược chảy từ Catốt về Anốt và về cực âm của nguồn điện áp ngoài.
Ban đầu, trong quá trình chuyển mạch từ thời điểm t0 sang t1, dòng điện ngược chiều khá lớn, sau đó các tiếp điểm J1, J3 trở nên cách điện Một số ít electron vẫn còn giữa hai mặt tiếp xúc, hiện tượng khuếch tán sẽ làm số electron này dần dần giảm đi cho đến khi hết, khi đó J2 sẽ khôi phục tính chất của tiếp điểm điều khiển.
- Thời gian khoá toff được tính từ khi bắt đầu xuất hiên dong điện ngược bằng 0 (t2) đây là thời gian mà sau đó nếu đặt điện áp thuận lên Thyristor thì Thyristor vẫn không mở, toff kéo dài khoảng vài chục s Trong bất kỳ trường hợp nào cũng không được đặt tiristor dưới điện áp thuận khi Thyristor chưa bị khoá nếu không sẽ có nguy cơ gây ngắn mạch nguồn Trên sơ đồ hình (b), việc khoá Thyristor bằng điện áp ngược được thực hiện bằng cách đong khoá K còn sơ đồ (c) cho phép khóa Thyristor một cách tự động Trong mạch hình (c) khi mở Thyristor này thì tiristor kia sẽ khoá lại Giả thuyết cho một xung điện áp dương đặt vào G1T1 mở dẫn đến xuất hiện 2 dòng điện : Dòng thứ nhất chảy theo mạch : +E - R1-T1 - - E,còn dòng thứ 2 chảy theo mạch +E - R2 -T1- -E.
Tụ C được nạp điện đến giá trị E với bản cực dương tại B và bản cực âm tại A Khi tác động một xung điện áp dương vào G2 để mở T2, điện thế tại điểm B sẽ được đặt vào cực catốt của T1 Điều này dẫn đến T1 được đặt dưới điện áp Uc = -E, khiến T1 bị khóa lại.
-T2 mở lại xuất hiện 2 dòng điện : Dòng thứ nhất chảy theo mạch : + E - R1-C -
T2 - -E Còn dòng thứ hai chảy theo mạch : +E - R2 - T2 - -E.
- Tụ C được nạp ngược lại cho đến giá trị E, chuẩn bị khoá T2 khi ta cho xung mở T1
1.2.2.3.Điện dung của tụ điện chuyển mạch
- Trong sơ đồ hình (b), (c) một câu hỏi được đặt ra là : Tụ điện C phải có giá trị bằng bao nhiêu thì có thể khoá được Thyristor
Như đã nói ở trên khi T1 mở cho dòng chảy qua thì C được nạp điện đến giá trị E bản cực “+” ở phía điểm B tại thời điểm cho xung mở T2 (cả 2 Thyristor điều mở), ta có phương trình mạch điện.
Viết dưới dạng toán tử Laplace :
Từ đó ta có : U c t E 1 2 e at U T 1
Thời gian toff là khoảng thời gian kể từ khi mở T2 cho đến khi UT1 bắt đầu trở thành dương, vậy ta có :
toff : ; I : Ampe ; E : Volt ; C : F d) Đặt tính Volt - Ampe của Thyristor : Đoạn 1 : Ứng với trạng thái khoá của Thyristor, chỉ có dòng điện rò chảy qua
Thyristor khi tăng U lên đến Uch (điện áp chuyển trạng thái ), bắt đầu quá trình tăng nhanh chống của dòng điện Thyristor chuyển sang trạng thái mở. Đoạn 2 : Ứng với giai đoạn phân cực thuận của J2 Trong giai đoạn này mỗi lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với mọt lượng giảm lớn của điện áp đặt lên Thyristor, đoạn này gọi là đoạn điện trở âm. Đoạn 3 : Ứng với trạng thái mở của Thyristor Khi này cả 3 mặt ghép đã trở thàng đẫn điện Dòng chảy qua Thyristor chỉ còn bị hạn chế bởi điện trở mạch ngoài Điện áp rãi trên Thyristor rất lớn khoảng 1V Thyristor được giử ở trạng thái mở chừng nào I còn lớn hơn dòng duy trì IH. Đoạn 4 : Ứng với trạng thái Thyristor bị đặt dưới điện áp ngược Dòng điện rất lớn, khoảng vài chục mA Nếu tăng U đên Ung thì dòng điện ngược tăng lên nhanh chống, mặt ghép bị chọc thủng, Thyristor bị hỏng Bằng cách cho Ig lớn hơn 0 sẽ nhận được đặt tính Volt – Ampe với các Uch nhỏ dần đi.
Tổng quan chung về hệ truyền động điện T-Đ
1.2.1 Cấu trúc của hệ thống truyền động điện và phân loại
Định nghĩa hệ thống truyền động điện:
Hệ truyền động điện tự động (TĐĐ TĐ) là một tổ hợp các thiết bị điện, điện tử, v.v phục vụ cho cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu công tác trên các máy sản suất, cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ.
Hình 6.6 Mô tả cấu trúc chung của hệ TĐĐ TĐ
BBĐ: Bộ biến đổi; ĐC: Động cơ điện; MSX: Máy sản xuất; R và RT: Bộ điều chỉnh truyền động và công nghệ; K và KT: các Bộ đóng cắt phục vụ truyền động và công nghệ; GN: Mạch ghép nối; VH: Người vận hành.
1.2.2 Cấu trúc của hệ TĐĐ TĐ gồm 2 phần chính:
- Phần lực (mạch lực): từ lưới điện hoặc nguồn điện cung cấp điện năng đến bộ biến đổi (BBĐ) và động cơ điện (ĐC) truyền động cho phụ tải (MSX) Các bộ biến đổi như: bộ biến đổi máy điện (máy phát điện một chiều, xoay chiều, máy điện khuếch đại), bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hoà), bộ biến đổi điện tử, bán dẫn (Chỉnh lưu tiristor, bộ điều áp một chiều, biến tần transistor, tiristor) Động cơ có các loại như: động cơ một chiều, xoay chiều, các loại động cơ đặc biệt.
Phần điều khiển (mạch điều khiển) bao gồm các cơ cấu đo lường các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công nghệ và cho người vận hành Đồng thời, một số hệ TĐĐ TĐ khác có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác hoặc với máy tính.
1.2.3 Phân loại hệ thống truyền động điện tự động:
- Truyền động điện không điều chỉnh: thường chỉ có động cơ nối trực tiếp với lưới điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định.
- Truyền động có điều chỉnh: tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà ta có hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ, hệ truyền động điện tự động điều chỉnh mô men, lực kéo, và hệ truyền động điện tự động điều chỉnh vị trí Trong hệ này có thể là hệ truyền động điện tự động nhiều động cơ
- Theo cấu trúc và tín hiệu điều khiển mà ta có hệ truyền động điện tự động điều khiển số, hệ truyền động điện tự động điều khiển tương tự, hệ truyền động điện tự động điều khiển theo chương trình
- Theo đặc điểm truyền động ta có hệ truyền động điện tự động động cơ điện một chiều, động cơ điện xoay chiều, động cơ bước, v.v.
- Theo mức độ tự động hóa có hệ truyền động không tự động và hệ truyền động điện tự động.
- Ngoài ra, còn có hệ truyền động điện không đảo chiều, có đảo chiều, hệ truyền động đơn, truyền động nhiều động cơ,…v.v.
Một số hệ truyền động cơ bản
1.3.1 Hệ F- Đ (Hệ thống máy phát- Động cơ một chiều).
- Hệ thống máy phát – động cơ (F – Đ) là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi là máy phát điện 1 chiều kích từ độc lập Máy phát này thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha điều chỉnh quay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi.
- Tính chất của máy phát điện được xác định bởi hai đặc tính:
+ Đặc tính từ hóa: là sự phụ thuộc giữa sức điện động của máy phát vào dòng điện kích từ
+ Đặc tính tải: là sự phụ thuộc của điện áp trên 2 cực của máy phát điện vào dòng điện tải.
Hình 7.7 Điều chỉnh tốc độ động cơ ĐMĐL dùng máy phát
Nguyên lý làm việc: Động cơ sơ cấp(ĐK) quay với tốc độ ω F , kéo phần ứng của máy phát F trong khi đã được cáp kích từ với dòng kích từ iKF nên sẽ phát ra điện áp U ở 2 đầu phần ứng , động cơ 1 chiều được cấp kích từ với dòng kích từ iKD nên sẽ quay với tốc độ ω D có
3 phương pháp điều chỉnh tốc độ ω D là :
- Điều chỉnh dòng kích từ iKF
- Điều chỉnh dòng kích từ iKD
Các chế độ làm việc:
- Điện áp máy phát (điều chỉnh kích từ máy phát ).
Phương pháp điều chỉnh chính của hệ F-Đ là điều chỉnh dòng kích từ máy phát
- Đảo chiều kích từ máy phát (hay dùng)
- Đảo chiều kích từ động cơ.
- Hãm động năng : thực hiện bằng cách điều chỉnh điện áp kích từ = 0.
- Hãm tái sinh : sảy ra khi giảm điện áp để đảo chiều quay hoặc mô men tải có tính chất thế năng
- Hệ F-Đ có đặc tính cơ cứng và có các trạng thái làm việc rất linh hoạt
- Đặc tính của hệ F-Đ rất tốt , thích hợp với nhiều loại tải
- Hệ F-Đ cho phép quá tải lớn hơn , phạm vi điều chỉnh rộng
- Trong hệ F-Đ chứa nhiều máy điện giá thành cao , khi làm việc gây tiếng ồn , không gian lắp đặt lớn nên ít dùng hệ F-Đ.
1.3.2 Hệ T-Đ.(Truyền động thyristor-Động cơ một chiều)
MTX tai Ui nguon xoay chieu 220V
Hình 8.8 Sơ đồ nguyên lý hệ T-Đ không đảo chiều
- Bộ biến đổi gồm : chỉnh lưu có điều khiển hoặc chỉnh lưu bán điều khiển.
- Tồn tại các loại chỉnh lưu sau:
- Cầu 3 pha đối xứng và không đối xứng.
- Cầu 1 pha đối xứng và không đối xứng.
Udo phụ thuộc mạch chỉnh lưu 0 0
Vậy nguyên tắc điều chỉnh tốc độ hệ T- Đ là điều chỉnh góc phát xung trong mạch chỉnh lưu
Tùy theo góc α và điện cảm của cuộn kháng lọc, tải động cơ mà mạch chỉnh lưu có thể làm việc ở hai chế độ dòng tải liên tục và dòng tải gián đoạn.
Các chế độ làm việc của hệ T-Đ không đảo chiều
Ed> 0=>0< α< πa 2 ĐTC thuộc góc phần tư thứ 1.
- Mạch chỉnh lưu làm việc ở chế độ chỉnh lưu phụ thuộc
Năng lượng của hệ : cơ năng của tải (động cơ) biến thành điện năng qua chỉnh lưu trả về lưới ĐTC trong chế độ này nằm ở góc phần tư thứ tư.
- Hãm ngược : được thực hiện bởi mô men cản năng lượng được tiêu hao trên điện trở dây quấn.
Trên mặt phẳng ĐTC thì đường hãm động năng là đường đi qua gốc tọa độvới hệ T-Đ không đảo chiều thì đặc tính điều chỉnh thuộc góc phần tư thứ
Các phương pháp đảo chiều :
- Phương pháp đảo chiều điện áp phần ứng
- Phương pháp đảo chiều điện áp kích từ
- Đảo chiều bằng tiếp điểm công tắc tơ
- Đảo chiều bằng cách sử dụng hai bộ điều chỉnh mắc theo kiểu thuận nghich
Đảo chiều bằng tiếp điểm công tắc tơ:
Hình 9.9 Sơ đồ đảo chiều bằng công tắc tơ
Phương pháp này đơn giản nhưng không tốt khó khăn cho nhứng yêu cầu như : hãm tái sinh.
Đảo chiều bằng cách sử dụng hai bộ chỉnh lưu mắc theo kiểu thuận nghịch
Hình 10.10 Sơ đồ mắc 2 bộ chỉnh lưu theo kiểu thuận nghịch
Hệ này có hai phương pháp điều khiển :
- Phương pháp điều khiển riêng : Hai mạch chỉnh lưu làm việc độc lập, mạch này làm việc thì mạch kia nghỉ.
- Phương pháp điều khiển chung: Cả hai mạch chỉnh lưu cùng làm việc nhưng chế độ làm việc của hai mạch khác nhau ( mạch này làm việc ở chế độ chỉnh lưu thì mạch kia làm việc ở chể độ nghịch lưu , nhưng phải đảm bảo α 1+ α 2
=π Đây cũng là điều kiện chống dòng cân bằng chạy giữa hai mạch chỉnh lưu.
Hệ thống truyền động trực tiếp (T-Đ) nổi bật với cấu trúc gọn nhẹ, cho phép sử dụng nguồn điện trực tiếp từ lưới Ưu điểm này giúp hệ thống dễ dàng điều khiển, cho phép tự động hóa ở mức độ cao Ngoài ra, hệ T-Đ còn sở hữu hiệu suất năng lượng cao, tiết kiệm điện năng đáng kể.
Điểm yếu của hệ thống truyền tải điện ở chế độ tải nhỏ là dễ xảy ra hiện tượng dòng tải gián đoạn Do đó, trong chế độ này, cần áp dụng các phương pháp điều chỉnh phù hợp để đảm bảo vận hành ổn định Một trong những phương pháp hiệu quả là điều chỉnh thích ứng, cho phép hệ thống thích nghi với nhiều chế độ tải khác nhau.
1.3.3 Hệ xung áp – động cơ 1 chiều
Điều chỉnh xung áp đơn (Loại A: tải R, L, E)
Hình 11.11 Sơ đồ nguyên lý xung áp đơn (loại A)
Hình 1.6: mô tả sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xung áp (XA-Đ) loại A ( còn gọi là bộ băm xung loại A) trong đó điện áp và dòng điện của động cơ uD , i chỉ có giá trị dương Khi khóa s thong ta có uD = uN; i= iN, khi khóa S ngắt iN=0; uD=0 và i= iDo do tác dụng duy trì dòng điện của điện cảm L Các giá trị trung bình của điện áp và dòng điện phần ứng UD, I và do đó sđđ E của động cơ khi đóng và ngắt khóa liên tục sẽ được xác định nếu biết luật đóng , ngắt khóa và các thong số của mạch Nếu đóng ngắt khóa S với tần số không đổi thì hoạt động của mạch tương tự như của chỉnh lưu một pha , một nửa chu kỳ.
Điều chỉnh xung áp đảo chiều Để hệ truyển động có thể làm việc ở chế độ hãm tái sinh, có thể dùng sơ đồ điểu chỉnh xung áp loại B (Hình 1-7) trong đó dòng điện phần ứng có thể đảo dấu , song sđđ động cơ chỉ có chiều dương Khi khóa S 1 và van D 1 vận hành dòng điện phần ứng luôn luôn dương công suất điện từ của động cơ là
P đ t =I E0 thì sẽ có dòng điện chảy ngược lại chiều ban đầu do trong mạch chỉ có nguồn duy nhất sđđ E, công suất điện từ của động cơ P đ t =I E>0 công suất này được tích vào điện cảm L Khi S2 ngắt trên điện cảm L sinh ra sđ đ tự cảm ∆UL > 0 , cùng chiều với sđ đ quay E , tổng hai sđđ này trở nên lớn hơn điện áp nguồn UN làm van D2 dấn dòng ngược về nguồn và trả lại nguồn phần năng lượng đã tích lũy trong điện cảm L trước đó
Hình 12.12 Sơ đồ bộ điều chỉnh xung áp loại B
1.3.4 Truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ dùng biến tần nguồn áp
Dưới đây là sơ đồ mạch điều khiển nghịch lưu cầu 3 pha nguồn áp (Biến tần nguồn áp).
Hình 13.13 Biến tần nguồn áp
- Nguyên tắc điều khiển như sau:
Điều chỉnh biên độ điện áp: Phương pháp này dễ kiểm soát nhưng chất lượng đầu ra không cao, gây ra xung vuông và sóng hài lớn dẫn đến tổn hao phụ Điều chế độ rộng xung (PWM) là một kỹ thuật điều khiển công suất linh hoạt, cho phép điều chỉnh biên độ điện áp trong một phạm vi rộng.
- Ưu điểm: trong một nửa chu kỳ có nhiều xung (không có song hài…) + Điều khiển từ thông
1.3.5 Truyền động điều chỉnh động cơ không đồng bộ dùng biến dòng chuyển mạch tự nhiên
- Sơ đồ nguyên lý: do vi tri
Hình 14.14 Sơ đồ nguyên lý mạch lực hệ TĐ BBĐ-Động cơ không đồng bộ dùng biến tần nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên
Mạch lực của hệ truyền động được trình bày trên hình 1.9 bao gồm:
- Chỉnh lưu thyristor (CL) , cuộn lọc (Ld)và nghich lưu thyristor (NL)
- Để đảm bảo NL làm việc được trong chế độ chuyển mạch tự nhiên , động cơ phải ở chế độ quá kích từ Lúc đó NL thực chất là chỉnh lưu làm việc trong chế độ nghịch lưu bị động với điện áp động cơ, vì vậy trong mạch nghịch lưu không có các phần tử chuyển mạch.
Điều chỉnh tốc độ truyền động điện
Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động điện tự động nhằm đáp ứng nhu cầu công nghệ của máy sản xuất.Điều chỉnh tốc độ truyền động điện là dùng các phương pháp thuần túy điện , tác động lên bản than hệ thong truyền động điện (nguồn và động cơ điện) để thay đổi tốc độ quay của trục động cơ điện.
Tốc độ làm việc của truyền động điện do công nghệ yêu cầu và được gọi là tốc độ đặt , hay tốc độ mong muốn Trong quá trình làm việc, tốc độ động cơ thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ thực so với tốc độ đặt Trong các hệ truyền động điện tự động thường dùng các phương pháp khác nhau để ổn định tốc độ động cơ Để đánh giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cơ bản , các chỉ tiêu này cũng được tính đến khi thiết kế hoặc chỉnh định các hệ thống truyền động điện.
- Sai tốc độ : là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ.
- Độ trơn điều chỉnh tốc độ
- Dải điều chỉnh tốc độ: là tỉ số giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với momen tải.
- Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải.
1.4.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Thực tế có 2 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều
- Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ.
1.4.2 Nguyên lý điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng Để điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ 1 chiều cần có các thiết bị nguồn như máy phát điện 1 chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển… Các thiết bị này có chức năng biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành 1 chiều có sức điện động Eb điều chỉnh được 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 là Rb và điện cảm Lb ≠ 0 (hình 1-10):
Hình 15.15 Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập
Phương trình đặc tính của hệ thống ở chế độ xác lập.
Do từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ học cũng không đổi, điều này có nghĩa là tốc độ không tải của động cơ phụ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển.
U đ k của hệ thống ,do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để.
1.4.3 Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh momen điện từ của động cơ M = K ∅ đ m Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là phi tuyến. i k = e k r b +r k +ω k d∅ dt
Trong đó: r k - điện trở dây quấn kích thích r b - điện trở nguông điện áp kích thích ω k -số vòng dây cả dây quấn kích thích. Ở chế độ xác lập ta có: i k = e k r b +r k ∅ =f [ i k ]
Thường khi điều chỉnh thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức từ thông dịnh múc và được gọi là đặc tính cơ bản (đôi khi chính là đặc tính tự nhiên) Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện.Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi.Để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép , kết quả là momen trên trục động cơ giảm rất nhanh ngay cả khi giữ nguyen dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ cũng giảm nhanh khi giảm từ thông kích thích.
Hình 16.16 Sơ đồ thay thế và đặc tính điều chỉnh từ thông động cơ
1.4.4 Ổn định tốc độ làm việc của hệ truyền động điện một chiều
Thực chất ta tìm cách nâng cao độ cưng ĐTC tĩnh Muốn vậy hệ TĐ Đ phải có cấu trúc là hệ kín ( có các mạch phản hồi).
Ổn định tốc độ bằng phương pháp phản hồi dương dòng điện
Hình 1.12: Sơ đồ ồn định tốc độ bằng phương pháp phản hồi dương dòng điện.
Uph- tín hiệu phản hồi dòng điện
Udk- tín hiệu điều khiển
DC- động cơ một chiều
Ổn định tốc độ bằng phương pháp phản hồi âm điện áp
Hình 17.17 Sơ đồ ồn định tốc độ bằng phương pháp phản âm điện áp
Uphu- tín hiệu phản hồi điện áp
Udk- tín hiệu điều khiển
DC- động cơ một chiều
Ổn định tốc độ bằng phương pháp phản hồi âm tốc độ
Udw MDK nguon xoay chieu DC
Hình 18.18 Sơ đồ ồn định tốc độ bằng phương pháp phản âm tốc độ
Uphw- tín hiệu phản hồi dòng điện
Udk- tín hiệu điều khiển
DC- động cơ một chiều
1.4.5 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều Động cơ điện xoay chiều được dùng rất phổ biến trong một dải công suất rộng vì có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ vận hành, nguồn điện sẵn (lưới điện xoay chiều) Tuy nhiên, trong các hệ cần điều chỉnh tốc độ, đặc biệt với dải điều chỉnh rộng thì động cơ xoay chiều được sử dụng ít hơn động cơ một chiều vì còn gặp nhiều khó khăn Gần đây, nhờ sự phát triển của kỹ thuật điện tử, bán dẫn, việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ đã có nhiều khả năng tốt hơn. a, Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto
Phương pháp này chỉ được sử dụng với động cơ rotor dây quấn và được ứng dụng rất rộng rãi do tính đơn giản của phương pháp Sơ đồ nguyên lý và các đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phần ứng như hình 1-15:
Hình 19.19 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB 3 pha bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch roto
- Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ về phía giảm.
- Tốc độ càng giảm, đặc tính cơ càng mềm, tốc độ động cơ càng kém ổn định trước sự lên xuống của mômen tải.
- Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số mômen tải Mômen tải càng nhỏ, dải điều chỉnh càng hẹp.
- Khi điều chỉnh sâu (tốc độ nhỏ) thì độ trượt động cơ tăng và tổn hao năng lượng khi điều chỉnh càng lớn.
- Phương pháp này có thể điều chỉnh trơn nhờ biến trở nhưng do dòng phần ứng lớn nên thường được điều chỉnh theo cấp. b, Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào mạch stato
Thực hiện phương pháp này với điều kiện giữ không đổi tần số Điện áp cấp cho động cơ lấy từ một bộ biến đổi điện áp xoay chiều BBĐ điện áp có thể là một máy biến áp tự ngẫu hoặc một BBĐ điện áp bán dẫn như được trình bày ở mục trước. Hình 1.16 trình bày sơ đồ nối dây và các đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần cảm.
Hình 20.20 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB 3 pha bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch staroto
- Thay đổi điện áp chỉ thực hiện được về phía giảm dưới giá trị định mức nên kéo theo mômen tới hạn giảm nhanh theo bình phương của điện áp.
- Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ thường có độ trượt tới hạn nhỏ nên phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm điện áp thường được thực hiện cùng với việc tăng điện trở phụ ở mạch rotor để tăng độ trượt tới hạn do đó tăng được dải điều chỉnh lớn hơn.
- Khi điện áp đặt vào động cơ giảm, mômen tới hạn của các đặc tính cơ giảm, trong khi tốc độ không tải lý tưởng (hay tốc độ đồng bộ) giữ nguyên nên khi giảm tốc độ thì độ cứng đặc tính cơ giảm, độ ổn định tốc độ kém đi. c, Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số của nguồn xoay chiều
Thay đổi tần số nguồn cấp cho động cơ là thay đổi tốc độ không tải lý tưởng nên thay đổi được đặc tính cơ Tần số càng cao, tốc độ động cơ càng lớn.
Khi điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ thì các thông số liên quan đến tần số như cảm kháng thay đổi, do đó, dòng điện, từ thông, của động cơ đều bị thay đổi theo và cuối cùng các đại lượng như độ trượt tới hạn, mômen tới hạn cũng bị thay đổi Chính vì vậy, điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp thay đổi tần số thường kéo theo điều chỉnh điện áp, dòng điện hoặc từ thông của mạch stator. d, Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực của động cơ Đây là cách điều chỉnh tốc độ có cấp Đặc tính cơ thay đổi vì tốc độ đồng bộ đổi theo số đôi cực. Động cơ thay đổi được số đôi cực là động cơ được chế tạo đặc biệt để cuộn dây stator có thể thay đổi được cách nối tương ứng với các số đôi cực khác nhau Các đầu dây để đổi nối được đưa ra các hộp đấu dây ở vỏ động cơ Số đôi cực của cuộn dây rotor cũng phải thay đổi như cuộn dây stator Điều này khó thực hiện được đối với động cơ rotor dây quấn, còn đối với rotor lồng sóc thì nó lại có khả năng tự thay đổi số đôi cực ứng với stator Do vậy, phương pháp này được sử dụng chủ yếu cho động cơ rotor lồng sóc Các động cơ chế tạo sẵn các cuộn dây stator có thể đổi nối để thay đổi số đôi cực đều có rotor lồng sóc Tỷ lệ chuyển đổi số đôi cực có thể là 2:1, 3:1, 4:1 hay tới 8:1
TỔNG QUAN VỀ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA CÓ ĐẢO CHIỀU
- Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ
- Giữ nguyên dòng kích từ và đảo chiều dòng phần ứng nhưng được phân ra bốn sơ đồ chính :
+ Truyền động dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay bằng cách đảo chiều dòng kích từ
+ Truyền động dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay bằng công tắc từ chuyển mạch ở phần ứng ( từ thông giữ không đổi )
+ Truyền động dùng hai bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riêng + Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối song song điều khiển chung
Tuy nhiên , mổi loại sơ đồ đều có ưu nhược điểm riêng và thích hợp với từng loại tải , trong phần này ta chọn bộ truyền động dùng hai bộ biến đổi nối song song ngược điều khiển chung , bởi nó dùng cho dãi công suất vừa và lớn có tần số đảo chiều cao và thực hiện đảo chiều êm hơn Trong sơ đồ này động cơ không những đảo chiều được mà còn có thể hãm tái sinh
1.5.2 Phương pháp điều khiển chung :
Sơ đồ gồm hai bộ biến đổi G1 và G2 , đấu song song ngược với nhau và các cuộn kháng cân bằng Lc Từng bộ biến đổi có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu hoặc nghịch lưu.
Phương pháp điều khiển kiểu tuyến tính : α 1 + α 2 = π
Lúc này cả hai mạch chỉnh lưu cùng được phát xung điều khiển , nhưng luôn khác chế độ nhau : một mạch ở chế độ chỉnh lưu ( xác định dấu của điện áp một chiều ra tải cũng là chiều quay đang cần có ) còn mạch kia ở chế độ nghịch lưu Vì hai mạch cùng dấu cho một tải nên giá trị trung bình của chúng phải bằng nhau
Nếu dòng điện liên tục ta có : Ud1 = Ud0.cosα1 ;
Ud2 = Ud0.cosα2 ; Vậy : Ud0.cosα1 = Ud0.cosα2 ;
Hay : cosα1 + cosα2 = 0 ; suy ra α1 + α2 = 180 0 ;
Nếu α1 là góc mở đối với G1 , α2 là góc mở đối với G2 thì sự phối hợp giá trị α1 và α2 phải được thực hiện theo quan hệ : α1 + α2 = 180 0 ;
Sự phối hợp này gọi là phối hợp điều khiển tuyến tính (hình 1-17) α2 0 α1 0 α1 00 α2 00
0 uc uc uc1 2 uc4 uc3
Hình 21.21 Sơ đồ phối hợp tuyến tính của α 1 và α 2
Giả sử cần động cơ quay thuận , ta cho G1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu , α1 = 0 →U 90 0 , Ud1 > 0 , bấy giờ α2 > 90 0 , G2 làm việc ở chế độ nghịch lưu ,
Cả hai điện áp Ud1 và Ud2 đều đặc lên phần ứng của động cơ M Động cơ chỉ có thể “nghe theo” Ud1 và quay thuận Động cơ từ chối Ud2 vì các thyristor không thể cho dòng chảy từ catôt đến anôt
Khi α1 = α1 = 90 0 , thì Ud1 = Ud2 = 0 , động cơ ở trạng thái dừng
Giả sử uc là điện áp điều khiển ở bộ điều khiển cần khởi động ĐM quay thuận ta cho uc = uc1 (hình 1-17) α1 = 30 0 , α2 = 180 0 - α1 = 150 0 , Ud1 √ 3
G1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu còn G2 chuẩn bị sẵn sàng để làm việc ở chế độ nghịch lưu Nếu bây giờ cần giảm tốc độ động cơ , ta cho uc = uc2 , các góc mở : α1 = 60 0 , α2 = 180 0 - α1 = 120 0 , U ’ d1 1
Lúc này , do quán tính nên sức điện động E của động cơ vẫn còn giữ nguyên trị só ứng với trạng thái trước đó , E > U’d1 →U bộ biến đổi G1 bị khoá lại
Mặt khác E > |U ’ d2| nên bộ biến đổi G2 làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc , trả năng lượng tích luỷ trong động cơ về nguồn điện xoay chiều Dòng điện phần ứng đổi dấu , chảy từ M vào G2 động cơ bị hãm tái sinh , tốc độ giảm xuống đến giá trị ứng với U ’ d1
Nếu cho điện áp điều khiển uc < 0 thì G2 sẽ làm việc ở chế độ chỉnh lưu , còn
G1 sẽ làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc
Vậy bằng cách thay đổi điện áp điều khiển uc ( uc > 0 hoặc uc < 0 ) ta sẽ thay đổi được góc mở α1 và α2 :
Nếu uc > 0 thì góc dòng α1 nhỏ hơn 90 độ, góc dòng α2 lớn hơn 90 độ khiến bộ chỉnh lưu G1 hoạt động ở chế độ chỉnh lưu Ngược lại, bộ biến đổi G2 hoạt động ở chế độ nghịch lưu và động cơ quay thuận theo hướng ωđm.T.
Nếu hệ số công suất uc < 0, thì góc pha α1 lớn hơn 90 độ, góc pha α2 nhỏ hơn 90 độ, dẫn đến bộ chỉnh lưu G1 hoạt động ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc, còn bộ biến đổi G2 làm việc ở chế độ chỉnh lưu Kết quả là làm cho động cơ quay theo chiều ngược chiều vận hành động cơ (ωđm.N).
Hình 22.22 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha dùng phương pháp điều khiển chung Đặc điểm của chế độ đảo dòng đang xét là có một dòng điện lúc thì chảy từ
G1 vào G2 , lúc thì chảy từ G2 vào G1 mà không qua mạch tải Người ta gọi dòng điện này là “ dòng điện tuần hoàn ”
Dòng điện tuần hoàn làm cho máy biến áp và các thyristor làm việc nặng nề hơn Để hạn chế dòng điện tuần hoàn người ta dùng bốn điện cảm Lc (như hình 1.19) Như thế sẽ làm tăng công suất đặt và giá thành hệ thống Tuy nhiên phương pháp điều khiển chung cho phép điều chỉnh nhanh tối đa
- Xác định dòng điện tuần hoàn i cc
Hình 23.23 Sơ đồ dạng sóng biểu diễn quan hệ giữa α 1 và α 2
Xét trường hợp α1 = 30°, α2 = 180° - α1 = 150°, như hình 1.20 Trong khoảng θ1 đến θ3: có T1 và T6’ dẫn dòng, T2 và T5’ dẫn dòng, nhưng anôt T5’ và catôt T2 có cùng một điện thế, không có dòng chảy từ T5’ sang T2 Chỉ có dòng tuần hoàn chảy từ G1 vào.
G2 qua T1 và T6’ Điện áp tuần hoàn trong khoảng này là : ucc12 = u2a –u2b = √ 6 U 2 sin(θ + π/6) ; Nếu chuyển toạ độ từ O sang O2 , ta có : ucc12 = - √ 6 U 2 sinθ = 2.Xc di cc 12 dθ ; icc12 √ 6.U 2
2X c cosθ + C ; Khi θ = α1 , icc12 = 0 , ta có : α1 300 α2 1500 α1
Tiếp tục xét các khoảng khác , kết quả nhận được cho phép ta kết luận : hoàn icc12 chảy từ G1 vào G2 , và ba xung dòng điện tuần hoàn icc12 chảy từ G2 vào G1
Trị trung bình của dòng điện tuần hoàn :
Phương pháp điều khiển kiểu phi tuyến : α 1 + α 2 = π + ξ Đây là kiểu điều khiển phối hợp không hoàn toàn thì lúc này sẽ có thêm hệ số phi tuyến ξ và ta có : α1 + α2 = π + ξ ; Góc ξ phụ thuộc vào các giá trị của α1 và α2 một cách phi tuyến
Hình 24.24 a ) Sơ đồ điều khiển chung phối hợp kiểu tuyến tính b) Sơ đồ điều khiển chung phối hợp kiểu phi tuyến tính
1.5.3 Phương pháp điều khiển riêng :
Hai mạch chỉnh lưu hoạt động luân phiên, độc lập với nhau Khi một mạch nhận xung điều khiển và hoạt động, mạch còn lại sẽ hoàn toàn ngừng hoạt động do không nhận được xung điều khiển Nguyên lý này đảm bảo sự ổn định và hiệu quả trong quá trình chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.
Id ω0d m 0dm 0dm dm α1mi n 0dm 0dm dm α2ma x 0dm 0dm dm
- ω0dm 0dm 0dm dm α1ma x 0dm 0dm dm α2mi n
Id α1mi n 0dm 0dm dm α2ma x 0dm 0dm dm ω0d m 0dm 0dm dm
- ω0dm 0dm 0dm dm α1ma x 0dm 0dm dm α2mi n 0dm 0dm dm α1 π/2 0dm 0dm dm
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Tổng quan về IC TCA 785
ICA785 là IC điều khiển pha dùng để điều khiển các thyristor, triac và transistor. Xung kích hoạt có thể được dịch chuyển trong một góc pha từ 0 ˚ đến 180 ˚ Các ứng dụng điển hình bao gồm mạch chuyển đổi, bộ điều khiển xoay chiều và bộ điều khiển dòng điện ba pha.
IC này thay thế cho các loại TCA 780 và TCA 780 D.
Vi mạch TCA 785 là vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của một mạch điềukhiển: Tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa, so sánh và tạo xung ra TCA 785do hãng Simen chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiêt bịđiều chỉnh dòng xoay chiều.
- Dễ phát hiện việc chuyển qua điểm không.
- Phạm vi ứng dụng rộng rãi.
- Có thể hoạt động 3 pha (3 IC).
- Mạch thiết kế đơn giản, thi công nhanh dễ điều khiển và hiệu chỉnh.
- Dải điều chỉnh và góc điều khiển rộng.
2.1.2 Đặc tính thông số kỹ thuật TCA 785
Phạm vi ứng dụng lớn
Có thể được sử dụng làm công tắc điểm 0
Có thể hoạt động ba pha (3 IC)
Phạm vi biến đổi dòng điện lớn
Phạm vi nhiệt độ rộng
Hình 2 2 TCA 785 trong thực tế
Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo TCA
Hình 2 3 Thông số của TCA 785
-Vi mạch TCA 785 còn được gọi là công tắc ngưỡng.
-Được bán rộng rãi trên thị trường, vi mạch này do hãng Siemens chế tạo, được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiết bị điều chỉnh dòng điện xoay chiều.
-TCA 785 là vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của một mạch điều khiển:
Bảng 2 1 Bảng chú thích kí hiệu của TCA 785
Output 2 inverted Đầu ra số 2 đảo Output U Đầu ra U
Output 1 inverted Đầu ra số 1 đảo
5 V SYNC Synchronous voltage Điện áp đồng bộ
Inhibit Chân khoá Output Z Đầu ra Z
8 V REF Stabilized voltage Điện áp chuẩn
Ramp resistance Điện trở tuyến tính Ramp capacitance Tụ tuyến tính
11 V 11 Control voltage Điện áp điều khiển
12 C12 Pulse extension Mở rộng xung
Output 1 Đầu ra số 1 Output 2 Đầu ra số 2
16 V s Supply voltage Điện áp nguồn nuôi
+‛‛Tề đầu” điện áp đồng bộ.
+Tạo điện áp răng cưa đồng bộ.
Tín hiệu đồng bộ được tạo ra thông qua trở kháng cao có được từ điện áp dây (V5) Điện áp không được phát hiện bởi bộ phát hiện điện áp không rồi sau đó được chuyển đến thanh ghi đồng bộ.
Thanh ghi đồng bộ này điều khiển bộ tạo dốc(làm dốc xung tín hiệu khiển),tụ C10 trong bộ tạo dốc đó được nạp với dòng cố định (xác định bởi R9).Nếu điện áp dốc (điện áp răng cưa,tam giác) V10 vượt quá điện áp điều khiển V11 (góc mở ) thì tín hiệu điện chuyển thành dạng Logic phụ thuộc vào độ lớn của điện áp điều khiển V11 mà góc mở có thể được dịch chuyển trong khoảng (0 0 180 0 )
Với mỗi 1/2 phần sóng một xung dương cứ 30 s lại xuất hiện tại các đầu ra
Q1,Q2 Giữ sự tồn tại xung có thể đạt tới 180 0 qua tụ C12 Nếu chân 12 nối mass các xung trong khoảng góc ( 180 0 ) sẽ xuất hiện
2 cung cấp tín hiệu ngược với Q1,Q2 Tín hiệu tại +180 0 có thể được dùng điều khiển một bộ Lôgic ngoài có tại chân 3.
Một tín hiệu tương ứng với liên kết NOR của Q1,Q2 có sẵn tại cửa ra QZ
Cổng vào hạn chế có thể được dùng để loại trở hoạt động của các cổng ra Q1,Q2
Chân 13 có thể dùng để mở rộng các đầu ra
2 nhằm lấp đầy độ rộng xung (180 0 - )
V 5 Điện áp đồng bộ Điện áp đỉnh dốc Điện áp dốc Điện áp điều khiển Điện áp dốc min
Chân 12 tới đất Chân 12 tới đất
Hình 2 4 Giản đồ điện áp
Có thể điều chỉnh góc mở α từ 0 0 đến 180 0 điện.
-Thông số chủ yếu của TCA 785:
Dòng điện tiêu thụ: IS = 10 mA
Điện áp răng cưa: Vr max = (VS – 2) V
Điện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa: R9 = 20 k Ω - 500 k Ω
Điện áp điều khiển: V11 = -0,5 – (Us – 2) V
Tần số xung ra: f = 10 – 500 Hz
Dòng điện đầu ra tại chân 14 15 : IQ = - 10 -400 mA
Dòng điện ra đồng bộ : Isync= - 200 + 200 μAA
Dòng điện ra tại chân 2,3,4,7 : IQ = 10 mA
Điện áp ra tại chân 2,3,4,7 : VQ = VS (V)
Nhiệt độ tiếp giáp : TJ = 1500C
Nhiệt độ làm việc : TSTG = - 55 0 C đến 125 0 C
Nhiệt độ xung quanh : TA = - 25 o C đến 850 o C
Hình 2 5 Mạch điều khiển chỉnh lưu cầu 3 pha dùng TCA 785
Tính chọn thông số mạch:
Thông tin từ nhà sản xuất cung cấp ta có: i=U 2
R 9 Với R9 bằng khoảng 200K Ta chọn R9= 220K. ĐIỆN ÁP TỰA
Khi t = t0, U10 = Ucm = U11 Ngưới ta nhận được xung ra ở chân 15 nếu V(t) > 0 hoặc một xung ra ở chân 14 nếu V(t) < 0 t0 = C10 U i 10 = R 9 C 10 U cm
Tụ C12 khuếch đại độ rộng xung ra Có thể chọn C12 = 0 đến 330pF để độ rộng xung từ 30μs đến200μs Ta chọn C1230pF.
Giới thiệu mạch điều khiển
Hình 2 6 Sơ đồ khối điều khiển thyristor
Nguyên tắc điều khiển
Để điều khiển vị trí xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên thyristor, người ta thường sử dụng hai nguyên tắc phổ biến: "Thẳng đứng tuyến tính" và "Thẳng đứng arccos" Nguyên tắc "Thẳng đứng tuyến tính" dựa trên việc biến thiên tuyến tính điện áp điều khiển, trong khi nguyên tắc "Thẳng đứng arccos" sử dụng hàm phản giác arccos để xác định góc kích thyristor.
2.4.1 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 :
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
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
Giữa α và Ucm có quan hệ sau : α = πa
U s max ; Người ta lấy Ucmmax = Usmax ;
2.4.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos:
Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp :
- Điện áp đồng bộ Us , vượt trước UAK = Um Sinωđm.t của thyristor một góc πa
- Điện áp điều khiển Ucm là điện áp một chiều , có thể điều chỉnh được biên độ theo hai chiều dương và âm.
Hình 2 7 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
Hình 2 8 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcoss
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
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
Các khâu cơ bản của mạch điều khiển
Sơ đồ ở hình 3–5a là sơ đồ đơn giản , dể thực hiện với số linh kiện ít nhưng chất lượng điện áp tựa không tốt Độ dài của phần biến thiên tuyến tính của điện áp tựa không phủ hết 180 0 Do đó , góc mở van lớn nhất bị giới hạn Hay nói cách khác , nếu theo sơ đồ này điện áp tải không điều khiển được từ 0 tới cực đại mà từ một trị số khác đến trị số cực đại Để khắc phục nhược điểm trên về dãi điều chỉnh của sơ đồ ở hình 3–5a người ta sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng sơ đồ trên hình 3-5b Theo sơ đồ này , điện áp tựa có phần biến thiên tuyến tính phủ hết nửa chu kỳ điện áp Do vậy khi cần điều khiển điện áp từ không tới cực đại là hoàn toàn có thể đáp ứng được.
Với sự ra đời của các linh kiện ghép quang , ta có thể sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng bộ ghép quang như hình 3-5c Nguyên lý và chất lượng của hai sơ đồ trên hình 3-5b và 3-5c tương đối giống nhau Ưu điểm của sơ đồ trên hình 3-5c ở chổ 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 3-5d mô tả việc taọ điện áp tựa dùng khếch đại thuật toán u1 ura u1 u2
Dưới đây ta gới thiệu một số khâu đồng pha cơ bản :
Hình 2 9 Một số khâu đồng pha điển hình
2.5.2 Khâu so sánh : 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 3-6a 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 Udk = Urc
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
Hình 2 10 Giản đồ của khâu đồng pha là toán như hình 3-6b, 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
Một số sơ đồ khâu so sánh thường gặp như sau. a ) Bằng tranzitor ; b ) Bằng một cổng đảo của khếch đại thuật toán ; c ) Hai cổng khếch đại thuật toán ;
Hình 2 11 Các khâu so sánh thường gặp
Hình 2 12 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
Hình 2 13 Sơ đồ các khâu khếch đại và phân phối xung a)Bằng tranzitor công suất b) Bằng sơ đồ Darlington c) Sơ đồ có tụ nối tầng
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 theo thông số của các Tranzitor
Trong thực tế xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé ( cỡ khoảng 10 đến 200 às ), mà thời gian mở thụng cỏc Tranzitor cụng 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 8-3c 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
2.5.4 Khâu tạo xung chùm : Đối với sơ một đồ mạch , để giảm dòng công suất cho tầng khếch đại và tăng số lượng cho xung kích mở , nhằm đảm bảo cho thyristor mở một cách chắc chắn , người ta hay phát xung chùm cho các thyristor Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khếch đại , ta đưa chèn thêm một cổng AND ( & ) với tín hiệu vào nhận từ tầng so sánh và từ bộ phát xung chùm như hình 3-10
Vi mạch 555 tạo xung đồng hồ ( hình 3-11a ) cho ta chất lượng xung khá tốt và sơ đồ cũng đơn giản Sơ đồ này thường hay gặp trong các mạch tạo xung
Trong thiết kế mạch điều khiển , thường hay sử dụng khếch đại thuật toán
Do đó để đồng dạng về linh kiện , khâu tạo xung chùm cũng có thể sử dụng khếch đại thuật toán như các sơ đồ trên hình 3-11b,c Tuy nhiên ở đây sơ đồ dao động đa hài (hình 3-11b) có ưu điểm hơn về mức độ đơn giản do đó được sử dụng khá rộng rãi trong các mạch tạo xung chữ nhật.
Hình 2 14 Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm
Hình 2 16 a ) :Sơ đồ tạo xung chùm dùng vi mạch 555 b ) Sơ đồ tạo xung chùm đa hài bằng khếch đại thuật toán c ) Sơ đồ tạo xung chùm tạo bằng mạch khếch đại thuật toán. t
Hình 2 15 Đồ thị dạng song của khâu tạo xung chùm
Sơ đồ mạch điều khiển và nguyên lý hoạt động
Từ các khâu đã giớ thiệu ở trên ta chọn được sơ đồ điều khiển một kênh như hình 3-13
Điện áp đầu vào UA trùng pha với anot thyristor, sau khi đi qua A1 sẽ tạo ra chuỗi xung chữ nhật UB Phần điện áp dương của UB đi qua D1 đến A2 sẽ tích phân thành điện áp tựa Urc Ngược lại, phần điện áp âm của UB làm mở thông tranzistor Tr1, tạo nên mạch tắt A2.
( Với Urc = 0 ) trong vùng UB âm Trên đầu ra của A2 ta có chuổi điện áp răng cưa
Urc gián đoạn Điện áp Urc được so sánh với điện áp điều khiển Udk tại đầu vào của A3 Tổng đại số Urc + Udk quyết định dấu điện áp đầu ra của khếch đại thuật toán A3 Trong khoảng thời gian từ 0 →U t1 với Udk > Urc , điện áp UD âm Trong khoảng t1 →U t2 , điện áp Udk và Urc đổi ngược lại , làm cho UD lật lên dương Các khoảng thời gian tiếp theo giải thích điện áp UD tương tự
Mạch đa hài tạo xung chùm A4 cho ta chuổi xung tần số cao , với điện áp UE trên hình 3-13 Dao động đa hài có tần số hàng chục kHz , ở đây chỉ mô tả định tính
Hai tín hiệu UD và UE cùng được đưa tới khâu “AND ” hai cổng vào Khi đồng thời có cả hai tín hiệu dương UD , UE ( Trong các khoảng t1 →U t2 , t4 →U t5 ) ta sẽ có xung UF làm mở thông các Tranzitor, kết quả là ta nhận được chuổi xung nhọn Xdk trên biến áp xung , để đưa tới mở thyristor T Điện áp Ud sẽ suất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên , tai các thời điểm t2 , t4 trong chuổi xung điều khiển , của mổi chu kỳ điện áp nguồn cấp , cho tới cuối bán kỳ điện áp dương anôt
Sau đây là sơ đồ điều khiển chỉnh lưu cầu 3 pha sử dụng các khâu trên:
Hình 2 17 Mạch điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha bằng chùm xung điều khiển
TÍNH CHỌN THIẾT BỊ
Sơ đồ mạch động lực hệ chỉnh lưu cầu ba pha thyristor
Trong phần này, ta ưu tiên sử dụng bộ truyền động có hai bộ biến đổi nối song song ngược được điều khiển chung Hệ thống này phù hợp với dải công suất vừa và lớn, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu tần số đảo.
C B A chiều cao và thực hiện đảo chiều êm hơn Trong sơ đồ này động cơ không những đảo chiều được mà còn có thể hãm tái sinh s
IC TCA 785 do Simens chế tạo được thiết kế để thực hiện chức năng điều khiển mở thyristor hoặc triac IC này có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm cả điều khiển động cơ, điều khiển nhiệt độ và điều khiển ánh sáng Bài viết này sẽ giới thiệu về IC TCA 785 và mô tả cách sử dụng nó để điều khiển thyristor.
Các thông số của động cơ
- Động cơ một chiều kích từ độc lập có các thông số sau:
Tính chọn thyristor dựa vào các yếu tố cơ bản như : dòng điện tải , sơ đồ chỉnh lưu , điều kiện tản nhiệt , điện áp làm việc
- Điện áp ngược lớn nhất mà thyristor phải chịu :
- Điện áp ngược của van cần chọn :
Unv = Kdtu Unmax = 1,8 418,89 = 754 V ; Trong đó : Kdtu : Hệ số dự trữ điện áp , thường chọn Kdtu = 1,8 ;
- Dòng điện làm việc của van đựơc tính theo dòng hiệu dụng :
Ilv = Ihd = khd Id I dm
( do trong sơ đồ cầu ba pha , hệ số dòng điện hiệu dụng : khd 1
- Chọn thyristor làm việc với điều kiện có cánh tản nhiệt và đủ diện tích tản nhiệt , không có quạt đối lưu không khí , với điều kiện có dòng điện định mức của van cần chọn :
Idm = ki Ilv = 3,2 11.54 = 36.928 A ; ki : Hệ số dự trữ dòng điện , chọn ki = 3,2 Để chọn thyristor làm việc với các tham số định mức cơ bản trên , ta tra bảng thông số van , chọn các van có thông số điện áp ngược , dòng điện định mức lớn hơn gần nhất với thông số đã tính Vậy ta chọn thyristor cho mạch động lực loại
TF440-06X có các thông số sau :
- Dòng điện định mức của van: Idm = 400 (A) ;
- Điện áp ngược cực đại của van: UnT = 600 (V) ;
- Đỉnh xung dòng điện : Ipk = 4000 (A) ;
- Độ sụt áp trên thyrisor : ∆UT = 2,0 (V) ;
- Dòng điện của xung điều khiển : Ig = 200 (mA) ;
- Điện áp của xung điều khiển : Ug = 3,0 (V) ;
- Dòng điện rò : Ir = 25 (mA) ;
- Nhiệt độ làm việc cực đại : Tmax = 125 0 C ;
- Dòng điện duy trì : Ih = 70 mA ;
- Tốc độ biến thiên điện áp : du dt = 200 (V/às) ;
- Thời gian chuyển mạch : tcm = 15 (às) ;
Tính toán máy biến áp chỉnh lưu
Để chọn các thiết bị trong mạch động lực cũng như mạch bảo vệ , trước hết cần xác định điện áp ra của bộ biến đổi Thysitor
Chọn máy biến áp ba pha ba trụ có sơ đồ nối dây ∆/Y , làm mát tự nhiên bằng không khí
Máy biến áp là một bộ phận quan trọng của hệ thống điện , thực hiện các chức năng sau
- Biến đổi điện áp nguồn cho phù hợp với yêu cầu sơ đồ phụ tải
- Bảo đảm sự cách ly giữa phụ tải với lưới điện để vận hành an toàn và thuận tiện
- Biến đổi số pha cho phù hợp với số pha của sơ đồ phụ tải
- Tạo điểm trung tính cho sơ đồ hình tia
- Hạn chế dòng điện ngắn mạch trong chỉnh lưu và hạn chế mức tăng dòng Anốt để bảo vệ van
- Cải thiện hình dáng sóng điện lưới làm cho nó đỡ biến dạng so với hình sin , do đó nâng cao chất lượng điện áp lưới
* Tính các thông số cơ bản :
- Tính công suất biểu kiến của máy biến áp :
- Điện áp pha sơ cấp máy biến áp :
- Điện áp pha thứ cấp máy biến áp :
Phương trình cân bằng điện áp khi có tải :
Ud0.cosαmin = Ud + 2∆UV + 2∆Udm + ∆UBA
Trong đó : αmin = 0 0 là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới ;
∆UV = 21 V là sụt áp trên thyristor ;
∆Udm ≈ 0 là sụt áp trên dây nối :
∆UBA = ∆Ur + ∆Ux là sụt áp trên điện trở và điện kháng trên máy biến áp; Chọn sơ bộ :
Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có :
Cos0 0 = 490 V ; Điện áp pha thứ cấp máy biến áp :
- Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp :
- Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp :
* Xác định kích thước của mạch từ
- Tiết điện sơ bộ trụ
Trong đó : kQ : Hệ số phụ thuộc phương thức làm mát , lấy kQ = 6 m : Số trụ của máy biến áp , m = 3 f : Tần số của nguồn xoay chiều , f = 50 Hz
Thay vào ta có : QFe = 6 √ 23100 3.50 = 74,5 cm 2
- Đường kính trụ : d = √ 4.Q πa Fe = √ 4.74 πa ,5 = 9,74 cm Chuẩn hóa đường kính trụ theo tiêu chuẩn : d = 11 cm
- Chọn loại thép kỹ thuật điện , các lá thép có độ dày 0,5 mm
Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ BT = 1 T
- Chọn tỷ số m h d = 2,3 Suy ra h = 2,3d = 2,3 11 = 25,3 cm ( Thông thường m = 2 ÷ 2,5 )
Chọn chiều cao trụ h = 25 cm
- Số vòng dây mổi pha sơ cấp máy biến áp :
- Số vòng dây mổi pha thứ cấp máy biến áp :
- Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp :
Với dây dẫn bằng đồng , máy biến áp khô , chọn J1 = J2 = 2,75 A/mm 2
- Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp :
2, 75 = 3,265mm 2 Chọn dây dẫn thiết diện hình chũ nhật , cách điện cấp B
Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn : S1 = 4 mm 2
Kích thước của dây có kể đến cách điện là : S1cd = a1 × b1 = 1 × 4 mm
- Tính lại mật độ dòng điện trong cuôn sơ cấp :
- Thiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp :
2, 75 = 5,93 mm 2 Chọn dây dẫn có tiết diện chữ nhật , có cách điện cấp B
Chuẩn hoá tiết diện theo chuẩn : S2 = 6 mm 2
Kích thước của dây có kể đến cách điện là : S2cd = a2 × b2 = 1 × 6 mm
- Tính lai mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp :
* Kết cấu dây quấn sơ cấp Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục
- Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp :
= 52 vòng Trong đó : kc : Là hệ số ép chặt , lấy kc = 0,95 h : Chiều cao trụ h = 25 cm hg : Khoảng cách từ gông đế cuộn dây sơ cấp Chọn sơ bộ khoảng cách cách điện gông hg = 1,5 cm
- Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp : n11 W 1
52 = 4,42 lớp Chọn số lớp n11 = 5 lớp
Như vậy có 230 vòng chia thành 5 lớp mỗi lớp 46 vòng.
- Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp : h1 W 11 b 1 k c R.0,4
- Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày :
- Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp : a01 = 1 cm
- Đường kính trong của ống cách điện :
- Đường kính trong của của cuộn sơ cấp :
- Chọn bề dày cách điện giữa các lớp ở cuộn sơ cấp : cd11 = 0,1 mm
- Bề dày cuộn sơ cấp :
- Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp :
- Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp :
- Chiều dài dây quấn sơ cấp : l1 = W1.π.Dtb = π 230 14,424 = 10422.296 cm = 104.22 m
- Chọn bề dày cách điện giữa hai cuộn sơ cấp và thứ cấp : cd0 = 1 cm
* Kết cấu dây quấn thứ cấp
- Chọn sơ bộ cuộn chiềi cao cuộn thứ cấp : h2 = h1 = 21,726 (cm)
- Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp :
- Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp: nl2 ƯW 2 ƯW l 2 7
20 = 5,85 lớp chọn n12 = 6 lớp chọn 5 lớp trong cùng 20 vòng lớp thứ 6 có 17 vòng
- Chiều cao thực tế của cuộn thứ nhất : h2 W l2 b 2 k c 1
- Đường kính trong của cuộn thứ cấp :
- Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp : cd22 = 0,1 mm
- Bề dày cuộn thứ cấp :
- Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp :
- Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp :
- Chiều dài dây quấn thứ cấp: l2 = π.W2.Dtb2 = π 54 20,878 = 3540 cm = 35,4 m
- Đường kính trung bình của các cuộn dây :
* Các thông số của máy biến áp :
- Điện trở trong của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75 o C :
- Điên trở trong của cuộn thứ cấp máy biến áp ở 75 o C :
- Điện trở máy biến áp quy đổi về thứ cấp :
- Sụt áp trên điện trở máy biến áp : Δuur = RBA.Id = 0,026 166 = 4,316 V
- Điện kháng máy biến áp quy đổi về thứ cấp :
- Điện cảm máy biến áp quy đổi về thứ cấp :
- Sụt áp trên điện kháng máy biến áp : Δuux 3 πa XBA.Id 3 πa 0,08.166 = 12,688 V
- Điện áp ngắn mạch tác dụng :
- Điện áp ngắn mạch phản kháng:
- Điện áp ngắn mạch phần trăm :
Tính nguồn nuôi
Ta cần tạo ra nguồn điện áp U ± 12 V để cấp cho MBA xung, nuôi IC
Ta chọn mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển dùng 12 con điôt để tạo ra điện áp – 12 V , và + 12 V như hình 3-17 Điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi là :
2,34 = 5,1 V , ta chọn U2 = 9 V ; Việc xây dựng nguồn ổn áp một chiều bằng thyristor có nhược điểm là chọn
Bảng 3 1 Thông số của máy biến áp động lực
Công suất máy biến áp biểu kiến SBA là 23,1 kVA Điện áp pha sơ cấp U1 là 380 V và điện áp pha thứ cấp U2 là 209 V Dòng điện hiệu dụng sơ cấp I1 là 8,98 A, trong khi dòng điện hiệu dụng thứ cấp I2 là 16,32 A.
Số vòng dây mổi pha sơ cấp W1 = 230 vòng
Số vòng dây mổi pha thứ cấp W2 = 127 vòng Điện trở quy đổi về thứ cấp RBA = 0,026 Ω Điện kháng quy đổi về thứ cấp XBA = 0,08 Ω Điện cảm quy đổi về thứ cấp LBA = 0,255 mH Điện áp ngắn mạch phần trăm Un = 10,5 % 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.
Vì vậy để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi , ta dùng hai vi mạch ổn áp là 7812 và
7912 , các thông số chung của vi mạch này như sau : Điện áp đầu vào : UV = 7 ÷ 35 V ; Điện áp ra : Với IC 7812 thì Ura = + 12 V ;
Với IC 7912 thì Ura = - 12 V ; Dòng điện đầu ra : Ira = 0 ÷ 1 A ;
Tụ điện C4 , C5 , C6 , C7 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao
Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha
- Ta thiết kế MBA dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi Chọn kiểu MBA 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 MBA 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 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
Tính chọn điôt 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 ; 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 ;
Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực
3.5.1 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
∆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 2 0 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 = 80 0 C τ = Tlv - Tmt = 80 - 40 = 40 0 C ; Vậy : Sm = 75,06/(4.80) = 0,2345 m 2 ;
Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh , kích thước mổi cánh là a × b = 16 × 16 (cm × cm )
Tổng diện tích của cánh tản nhiệt
3.5.2 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.I1 = 1,1 3 8.98 = 17,1 A ; Với I1 : là dòng điện sơ cấp máy biến áp k : Hệ số an toàn
Udm = 400 V ; 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
ICD = IdmAP = 40 A ; Cầu dao dùng để tạo khoảng cách an toàn khi sửa chữa hệ truyền động
- 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 20 = 22 A ; Vậy chọn cầu chảy nhóm :
1CC loại 20 A ; 2CC loại 15 A ; 3CC loại 20 A ;
3.5.3 Bảo vệ quá điện áp cho van
Linh kiện bán dẫn nói chung và linh kiện bán dẫn công suất nói riêng , rất nhạy cảm vói sự thay đổi của điện áp Những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới van bán dẫn mà ta cần có phương thức bảo vệ là :
- Điện áp đặt vào van lớn quá thông số của van
- Xung điện áp do chuyển mạch van
- Xung điện áp từ phía lưới điện xoay chiều , nguyên nhân thường gặp là do cắt tải có điện cảm lớn trên đường dây
Xung điện áp cắt tải máy biến áp được tạo ra khi mạch thứ cấp đột ngột bị ngắt, gây ra điện áp cao đột biến Để bảo vệ van bán dẫn được sử dụng trong mạch, tránh quá điện áp làm hỏng van, cần lựa chọn van bán dẫn có điện áp ngược đủ lớn để chịu được xung điện áp này, đảm bảo van hoạt động ổn định và kéo dài tuổi thọ của hệ thống.
- Để bảo vệ quá điện áp của xung điện áp do quá trình đóng cắt các van thyristor được thực hiện bằng cách mắc R – C song song với thyristor Khi có sự cố chuyển mạch , các điên tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điên ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm , làm cho quá điện áp giũa anôt và catôt của thyristor Khi có mạch R – C mắc song song với thyristor , tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên thyristor không bị quá điện áp
- Để bảo vệ cho xung điện áp lưới từ điện áp lưới , ta mắc song song với tải ở đầu vào một mạch R – C nhằm lọc xung Khi xuất hiện xung điện áp trên đường dây , nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn tàon trên điện trở đường dây Trị số R , C phụ thuộc nhiều vào tải
Hình 3.3 Mạch R – C bảo vệ xung điện áp từ lưới
DÙNG PHẦN MỀM PSIM MÔ PHỎNG DẠNG SÓNG DÒNG ĐIỆN, ĐIỆN ÁP TRÊN TẢI, TRÊN VAN Ở CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Mạch mô phỏng
4.1.1 Mạch mô phỏng động lực
Hình 4,1 Mạch mô phỏng động lực
4.1.2 Mạch mô phỏng mạch điều khiển
Hình 4 2 Mạch mô phỏng mạch điều khiển
Từ kết quả mô phỏng ở trên ta thấy các đường đặc tính biểu diễn quan hệ giữa dòng điện và điện áp theo thời gian t thì :
-Ở chế độ khởi động động cơ thì dòng điện khởi động, tốc động cơ, tăng nhanh theo t sau một thời gian thì dòng điện giảm dần về giá trị định mức của động cơ và giữ nguyên giá trị đó trong thời gian hoạt động của động cơ
-Ở chế độ xác lập thì dòng điện động cơ, tốc độ động cơ, không có biến động theo theo thời gian
-Vậy bằng cách thay đổi góc mở α thì ta sẽ thay đổi được điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu làm cho tốc độ của động cơ cũng thay đổi theo
-Vậy bằng cách thay đổi góc α ta không những thay đổi được điện áp đặc vào phần ứng động cơ thay đổi tốc độ động cơ.
Trong quá trình làm đề tài chúng em có sử dụng một số tài liệu tham khảo sau:
[1] Bùi Quốc Khánh- Nguyễn Văn Liễn, Điều chỉnh tự động truyền động điện
[2] Nguyễn Trọng Thuần (2004) , Điều khiển Logic & Ứng dụng,NXB KHKT,Hà Nội.
[3] Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab&Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động,NXB
[4] Nguyễn Phùng Quang (1996), Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha,NXB Giáo dục.
[5] Sách Điện tử công suất
[7] Vi mạch TCA 785 của Simens
[8] Antoni Arias Pujol, Improvements in direct torque control of induction motors
[9] Các nguồn tài liệu khác trên Internet.
