GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Giới thiệu về động cơ điện một chiều
Như ta đã biết máy phát điện một chiều có thể dùng làm máy phát điện hoặc động cơ điện Động cơ điện một chiều là thiết bị quay biến đổi điện năng thành cơ năng Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Động cơ điện một chiều được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và giao thông vận tải Động cơ điện một chiều gồm những loại sau đây:
- Động cơ điện một chiều kích từ song song
- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
Hình 1.1: Động cơ điện 1 chiều
1.1.1.Cấu tạo Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần : Phần tĩnh (stator) và phần động (rôtor) a) Phần tĩnh (stator)
Gồm các phần chính sau:
- Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện Cực từ được gắn chặt vào vỏ nhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện.
- Cực từ phụ: đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều
- Gông từ: Dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy.
+ Cơ cấu chổi than. b) Phần quay (rotor)
Gồm các bộ phận sau:
- Lõi sắt phần ứng: dùng để dẫn từ thông thường dùng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm phủ cách điện ở hai đầu rồi ép chặt lại Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào
- Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua Thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện tròn, trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấn được cách điện với rãnh của lõi thép.
- Cổ góp: hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn Đuôi vành góp có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng.
+ Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy.
+ Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục máy thường làm bằng thép Cacbon tốt
Hình 1.2: Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều
Stato của motor điện 1 chiều thường là 1 hoặc gồm nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, (có thể dùng bằng nam châm điện), còn rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện 1 chiều Đồng thời, bộ phận chỉnh lưu có nhiệm vụ là làm đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là chuyển động liên tục Bộ phận này sẽ gồm có 1 bộ cổ góp và 1 bộ chổi than được mắc tiếp xúc với cổ góp của động cơ.
Khi trục quay của một động cơ điện 1 chiều được kéo bằng 1 lực tác động từ bên ngoài, động cơ sẽ hoạt động tương tự như 1 chiếc máy phát điện 1 chiều để nhằm tạo ra một sức điện động cảm ứng có tên là Electromotive force (EMF) Trong hoạt động, phần rotor quay sẽ phát ra 1 điện áp (hay còn gọi là sức phản điện động) có tên là counter EMF (CEMF) hoặc còn được gọi là sức điện động đối kháng
Sức điện động này hoạt động tương tự như sức điện động được phát ra khi động cơ được sử dụng với chức năng giống như 1 chiếc máy phát điện Lúc này, điện áp đặt trên động cơ sẽ gồm 2 thành phần chính là: sức phản điện động cùng với điện áp giáng tạo ra do điện trở ở bên trong của các cuộn dây phần ứng
Dòng điện chạy qua motor DC lúc này sẽ được tính bằng công thức sau:
Và công suất cơ sẽ được tính bằng công thức:
1.1.3.Ưu nhược điểm 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.
- Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều
Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải , cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ). Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn Nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.
+) Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải Nếu như bản thân động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần ) rất đắt tiền thì động cơ điện một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao.
R u R f +) Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp - chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ.
Khi cho điện áp một chiều vào, 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 quy tắc bàn tay trái.
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau Do có phiếu góp chiều 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 quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều sđđ Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động Khi đó ta có phương trình: U = Eư
Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ
- Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng
- Phương pháp thay đổi từ thông
- Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng
1.2.1.Phương phá 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, Φ=Φđm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng. Độ cứng của đường đặc tính cơ:
+) Ta thấy khi điện trở càng lớn thì càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó càng mềm hơn.
Hình 1.3: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ Ứng với Rf = 0 ta có độ cứng tự nhiên 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.
- 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 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.
1.2.2.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 mà
1. phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông không tải lý tưởng
Hình 1.4: 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.
- 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
+) 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.
1.2.3.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].
Hình 1.5: 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:
Eb - Eư = Iư(Rb +Rưđ)
- 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
M dm min 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: o max o min 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 1.6: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp
Bộ biến đổi AC/DC
Mạch chỉnh lưu cầu bao gồm nhiều thiết bị khác nhau: Máy biến áp, bộ lọc, cầu diode và bộ điều chỉnh Chúng được gọi là nguồn cung cấp DC cho các thiết bị, linh kiện điện tử.
- Khối đầu tiên là một máy biến áp có nhiệm vụ làm thay đổi biên độ điện áp đầu vào. Phần lớn các mạch điện tử hiện nay đều sử dụng biến áp 220V/12V để giảm điện áp xoay chiều đầu vào từ 220V xuống 12V.
- Tiếp theo là một bộ chỉnh lưu cầu diode sử dụng 4 hoặc nhiều diode tùy thuộc theo từng loại bộ chỉnh lưu cầu Khối này sẽ có nhiệm vụ tạo ra dòng điện một chiều DC vì biên độ điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu vẫn còn dao động Để có thể đưa được nguồn
DC đầu ra ổn định thì việc lọc là điều vô cùng cần thiết.
- Khối cuối cùng của nguồn cung cấp DC mạch chỉnh lưu cầu là một bộ điều chỉnh điện áp đầu ra Chúng có nhiệm vụ đó là giảm được điện áp và duy trì mức độ ổn định của điện áp đầu ra mà không có sự thay đổi ở điện áp đầu vào.
Hình 1.7 Sơ đồ khối nguồn chỉnh lưu
Trong nửa chu kỳ (+) của diode dạng sóng AC đầu vào D1 và D2 được phân cực thuận, D3 và D4 phân cực ngược Khi điện áp được đến điện áp ngưỡng của D1 và D2 lúc này dòng tải sẽ được đi qua như hiển thị ở hình với đường dẫn màu đỏ
- Ở nửa chu kỳ (-) của dạng sóng AC đầu vào, Diode D3 và D4 sẽ được phân cực thuận, D1 và D2 phân cực ngược Dòng tải lúc này sẽ chạy qua D3 và D4
- Chúng ta có thể thấy với cả 2 chu kỳ của điện áp AC đầu vào thì hướng dòng tải đều giống nhau khi đi qua diode và đều theo 1 hướng, có nghĩa là dòng điện đi theo 1 chiều Do đó, bằng việc sử dụng 1 bộ chỉnh lưu cầu thì dòng điện xoay chiều AC đầu vào sẽ được chuyển đổi thay dòng điện 1 chiều DC.
Hình 1.8: Nguyên lí làm việc của mạch chỉnh lưu
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khái niệm về chỉnh lưu công suất
Mạch chỉnh lưu là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều nhằm cung cấp cho phụ tải điện một chiều. b.Phân loại
Theo số pha: một pha, ba pha, m pha
Theo loại van: diode hoặc thyristor
Mạch chỉ dùng toàn diode là chỉnh lưu không điều khiển.
Mạch chỉ dùng toàn Thyristor là chỉnh lưu có điều khiển.
Một nửa thyristor, một nửa diode là chỉnh lưu bán điều khiển
Phân loại theo sơ đồ mắc: Anode chung hoặc Cathode chung
Luật dẫn của van công suất trong các mạch chỉnh lưu
Hình 2.1: Nhóm nối chung Cathode Điện áp anode của diode nào dương hơn thì diode ấy dẫn Khi đó điện thế điểm A bằng điện thế anode dương nhất
Hình 2.2: Nhóm nối chung Anode
21 Điện áp cathode van nào âm hơn hơn thì diode ấy dẫn Khi đó điện thế điểm K bằng điện thế anode âm nhất.
Cấu trúc mạch chỉnh lưu,các thông số cơ bản
Trong thực tế các mạch chỉnh lưu có nhiều loại và khá đa dạng về hình dáng cũng như tính năng Tuy nhiên về cơ bản cấu trúc trong bộ biến đổi thường có các bộ phận sau:
- Biến áp nguồn nhằm biến đổi điện áp từ cao xuống thấp hoặc ngược lại.
- Van công suất chỉnh lưu, các van này có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn một chiều.
- Mạch lọc nhằm lọc và san phẳng dòng điện hay điện áp nguồn để mạch chỉnh lưu có chất lượng tốt hơn.
- Mạch đo lường trong bộ chỉnh lưu thường dùng để đo dòng điện, điện áp.
- Mạch điều khiển là bộ phận rất quan trọng trong các bộ chỉnh lưu có điều khiển, nó quyết định độ chính xác, ổn định và chất lượng bộ chỉnh lưu.
- Phụ tải của mạch chỉnh lưu thường là phần ứng động cơ điện một chiều, kích từ máy điện một chiều, xoay chiều, cuộn hút nam châm điện, các tải có sức điện động E, đôi khi tải là các đèn chiếu sáng hay các điện trở tạo nhiệt vv.
- Hình 1.10 trình bày cấu trúc của một bộ chỉnh lưu.
Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc của bộ
Các mạch chỉnh lưu một pha
2.4.1 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển a Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng
Hình 2.4 Sơ đồ chỉnh lưu và dạng sóng điện áp và dòng điện b Nguyên lý làm việc
- Giả Sử mạch làm việc ở chế độ xác lập , lý tưởng và điện áp cấp vào mạch chỉnh lưu: u2=√ 2 U 2 sin ω t (v)
- Trong nửa chu kỳ đầu 0< ω t < π , khi đó u2 ≥ 0, van D được phân cực thuận nên van D dẫn điện Ta có : uD = 0, u2 =ud , iD = id = U 2
- Trong nửa chu ký sau π ≤ ω t ≤ 2 π khi đó u2 ≤0, van D bị phân cự ngược nên van D không dẫn điện Ta có uD = u2 ≤0, ud = 0,iD = id = 0
- Các chu kì tiếp theo nguyên lý hoạt động tương tự Từ nguyên lý làm việc xây dựng được dạng sóng dòng điện và điện áp trong mạch như hình vẽ 1.11 c Các biểu thức dòng và áp
- Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu :
- Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA:
- Dòng điện trung bình qua diode D:
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên 2 đầu diode D khi khóa:
2.4.2 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ không điều khiển a Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng
Hình 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu và dạng điện áp ra trên tải b Nguyên lý làm việc
- Giả sử mạch làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng và điện áp đặt vào cuộn sơ cấp máy biến áp là hình sin Khi đó phía thứ cấp MBA suất hiện 2 điện áp u21 và u22 bằng nhau về giá trị hiệu dụng nhưng ngược nhau về pha.
- Ở nửa chu kỳ dương của điện áp u21 diode D1 được phân cực thuận cho dòng điện chạy qua tải nên iD1 = id, ud = u21, uD1 = 0 Còn u22 âm, nên D2 bị phân cực ngược, khóa lại do vậy iD2 = 0 , uD2 = u22 – u21.
- Ở nửa chu kỳ âm của điện áp u21 , diode D1 bị phân cực ngược nên khóa lại Khi đó u22 dương , nên D2 được phân cực thuận cho dòng điện chạy qua tải nên iD2 = id, ud = u22, uD2 = 0 Còn u22 âm, nên D2 bị phân cực ngược, khóa lại do vậy iD1 = 0 , uD1 u21 – u22
Như vậy cả 2 nửa chu kỳ D1 và D2 luân phiên đóng mở, cung cấp điện cho tải trong cả chu kỳ Từ nguyên lý làm việc ta xây dựng được dạng sóng dòng điện và điện áp trong mạch như hình vẽ 1.12 c Công thức tính toán trong mạch
- Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu trên tải:
- Giá trị trung bình của dòng điện tải:
- Dòng hiệu dụng sơ cấp máy biến áp:
Khi van dẫn ta có, dòng điện tức thời qua thứ cấp máy biến áp: i2 = i21 = √ 2 U 2
Nhận thấy dòng điện qua thứ cấp máy biến áp là dòng điện hình sin, nên suy ra i1 = m.i2 ; Với m là tỷ số máy biến dòng.
Vậy giá trị hiệu dụng của dòng điện sơ cấp máy biến áp được xác định:
- Điện áp ngược lớn nhất đặt trên mỗi van diode:
2.4.3 Mạch chỉnh lưu hình cầu1 pha không điều khiển a Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng
Hình 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu toàn bán kỳ và dạng điện áp ra trên tải
Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, xét điều kiện lý tưởng và điện áp phía thứ cấp u2 = √ 2 U 2 sin ω t (v).
- Trong nửa chu kỳ đầu ω t = 0 đến π , điện áp u2 dương, khi đó cặp van D1 và D2 được phân cực thuận, nên dẫn điện Còn cặp van D4 và D3 bị phân cực ngược nên không dẫn điện cho dòng điện chạy qua tải Khi đó ta có: uD1 = uD2 = 0;uD4 = uD3 = - u2 ≤
0; ud = u2 ≥0; iD1 = iD2= id; iD4 = iD3 = 0.
- Trong nửa chu kỳ sau ω t = π đến 2 π , điện áp - u2 dương, khi đó cặp van D1 và
D2 bị phân cực ngược, nên không dẫn điện Còn cặp van D4 và D3 phân cực thuận nên dẫn điện cho dòng điện qua tải Khi đó ta có: uD4 = uD3 = 0; uD1= uD2 = u2 ≤0; ud = - u2 ≥0; iD4 = iD3 = id ; iD1 = iD2 = 0.
Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự c Các biểu thức dòng và áp
- Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu :
- Giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu :
- Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA khi đó xẽ là:
- Dòng hiệu dụng qua mỗi van diode:
- Dòng điện hiệu dụng qua sơ cấp máy biến áp:
1 : Là tỷ số máy biến dòng ) -Dòng điện trung bình qua diode D:
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên 2 đầu diode D khi khóa:
2.4.4 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển a Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng
* Trường hợp tải thuần trở
Hình 2.7 Mạchh chỉnh lưu một pha dùng SCR và dạng điện áp ra trên tải thuần trở R b Nguyên lý làm việc
- Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng, điện áp phía thứ cấp u2
=√ 2U2 sin ω t và góc điều khiển α = π 6.
- Trong khoảng ω t = 0 đến α , có u2 > 0, và uT > 0, tuy nhiên T vẫn chưa dẫn, do chưa có xung điều khiển mở Khi đó ta có: uT = u2; ud = 0; iT = id= 0.
- Đến thời điểm ω t = α , phát xung điều khiển mở van T, lúc này T có đủ hai điều kiện kích mở nên dẫn điện Ta có: ud = u2; uT = 0; iT = id
- Đến thời điểm ω t = π , u2 = 0 và có xu hướng âm Lúc này van T bị phân cực ngược nên khoá Như vậy trong khoảng ω t = π đến 2π, ta có: uT = u2; ud = 0; iT = id= 0.
- Đến thời điểm ω t= 2 π , u2 = 0 và có xu hướng dương dần, van T được đặt điện áp thuận tuy nhiên van T vẫn chưa dẫn , do chưa có xung điều khiển kích mở Như vậy trong khoảng ω t= 2 π đến 2 π + α , ta có: uT = u2; ud = 0; iT = id= 0.
- Đến thời điểm ω t = 2 π + α , phát xung điều khiển mở van T, lúc này T dẫn điện Ta có: ud = u2; uT = 0; iT = id
- Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự. c Một số biểu thức tính toán
- Điện áp trung bình trên tải :
- Dòng điện trung bình qua tải và Thyristor :
- Dòng điện hiệu dụng qua Thyristor :
- Điện áp thuận lớn nhất trên van T:
- Điện áp ngược lớn nhất trên van T:
2.4.5 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ có điều khiển a Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng
Hình 2.8 Mạch chỉnh lưu hình tia có điều khiển và dạng sóng b Nguyên lý làm việc
- Giả sử L = ∞ , điện áp phía sau thứ cấp u21 = - u22 = √ 2 U 2 sin ω t, xét mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng.
- Trong khoảng 0 ≤ θ 2 π + α thì van T2 và D2 dẫn.
Quá trình các chu kỳ sau được lặp lại tương tự.
- Qua đây ta thấy khi mạch làm việc có hai đoạn có hiện tượng dẫn thẳng hàng của hai van: T1 và D1; van T2 và D2 Do đó khoảng thời gian này điện áp trên tải bị ngắn mạch ud = 0 (v) Các đoạn khác ud bám theo điện áp nguồn Như vậy dòng điện qua tải id vẫn liên tục còn dòng điện qua máy biến áp nguồn thì gián đoạn Điều này có lợi về mặt năng lượng vì năng lượng không cần lấy từ nguồn mà vẫn duy trì được trong tải. c Các biểu thức tính toán:
- Điện áp trung bình trên tải :
- Dòng trung bình qua một van bán dẫn :
- Dòng điện hiệu dụng chảy qua van diode và thiristor :
- Dòng điện hiệu dụng chảy qua thứ cấp máy biến áp:
- Điện áp ngược và điện áp thuận lớn nhất rơi trên van thyritstor :
• Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha bán điều khiển mắc đối xứng
Hình 2.13 Mạch chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển mắc đối xứng b Nguyên lý làm việc
Trong sơ đồ các diode được mở tự nhiên ở các nửa chu kỳ: D1 mở khi u2 âm, D2 mở khi u2 dương Các thyritstor được mở theo góc kích xung α Còn các van được khóa theo nhóm khi D1 dẫn thì T1 khóa khi T1 dẫn thì D1 khóa, khi D2 dẫn thì T2 khóa và ngược lại Như vậy trong một chu kỳ điện áp lưới các van được dẫn trong các khoảng sau:
Các chu kỳ sau quá trình lặp lại tương tự
Hình 2.14 Dạng sóng điện áp và dòng c Các biểu thức tính toán
- Điện áp trung bình trên tải :
- Dòng trung bình qua một van thyritstor dẫn :
- Dòng trung bình qua một van diode dẫn :
- Dòng điện hiệu dụng chảy qua van diode và thiristor:
- Dòng điện hiệu dụng chảy qua thứ cấp máy biến áp:
- Điện áp ngược và điện áp thuận lớn nhất rơi trên van thyritstor và diode :
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT MẠCH
Các thông số yêu cầu
Thiết kế chế tạo mạch chỉnh lưu cầu một pha có điện áp trung bình đầu ra một chiều
U d = 0 – 220 V; dòng điện trung bình đầu ra I d = 1.1 A
Lựa chọn sơ đồ mạch chỉnh lưu
Như ta đã biết để điều chỉnh điện áp của tải thì ta phải lựa chọn mạch lực để điều khiển Tùy thuộc vào yêu cầu điều chỉnh, điện áp tải ta đưa ra phương án chọn mạch lực điều khiển tải hợp lý, phù hợp với yêu cầu đề tài đưa ra Ta chọn mạch chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển hai thyristor mắc K chung cho đề tài bởi các lý do :
- Sơ đồ mạch lực, mạch điều khiển đơn giản
- Điện áp ra sau khi chỉnh lưu ổn định
Có thể sử dụng sơ đồ cấu trúc như hình 1.10 bỏ đi khối mạch đo lường
Tính toán các thông số của mạch điện
3.3.1 Tính toán, chọn van công suất
Hai thông số cần quan tâm nhất khi chọn van bán dẫn cho chỉnh lưu là điện áp và dòng điện, các thông số còn lại là những thông số tham khảo khi lựa chọn.
Khi đã đáp ứng được hai thông số cơ bản trên các thông số còn lại có thể tham khảo theo gợi ý sau:
- Loại van nào có sụt áp dư nhỏ hơn sẽ có tổn hao nhiệt ít hơn.
- Dòng điện rò của loại van nào nhỏ hơn thì chất lượng tốt hơn.
- Nhiệt độ cho phép của loại van nào cao hơn thì khả năng chịu nhiệt tốt hơn.
- Điện áp và dòng điện điều khiển của loại van nào nhỏ hơn, công suất điều khiển thấp hơn.
- Loại van nào có thời gian chuyển mạch bé hơn se nhạy hơn Tuy nhiên, trong đa số các van bán dẫn, thời gian chuyển mạch thường tỷ lệ nghịch với tổn hao công suất.
Các van động lực được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là: Dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm việc Các thông số cơ bản của van động lực được tính như sau: a.Điện áp ngược của van: Điện áp làm việc :
Ulv = √ 2 × U 2 = √ 2 × 220 = 311.12 V Để có thể chọn van theo điện áp hợp lí, thì điện áp ngược của van cần chọn phải lớn hơn điện áp làm việc được tính từ công thức trên, qua một hệ số dự trữ điện áp ku:
Uđm = ku × Ulv = 1.8 × 933.4 80.6 A k u thường được chọn trong khoảng 1.6-2.0 Ở đây chọn k u là 1.8. b.Tính dòng điện của van:
- Dòng điện làm việc của van dược chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua van theo sơ đồ đã chọn (Ilv = IRMS).
- Dòng điện hiệu dụng được tính:
Trong đó: I RMS - Dòng điện hiệu dung của van Để van bán dẫn có thể làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, cần phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lí Theo điều kiện toả nhiệt đã được chọn, tiến hành tính thông số dòng điện định mức của van cần có.
Dòng điện định mức của van (Iđmv) có thể chọn theo gợi ý sau: khi không có cánh toả nhiệt và tổn hao trên van áp < 20W, được chọn dòng điện làm việc tới 10% Iđmv (Iđmv
>l0), khi có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt cho phép van làm việc tới 40% Iđmv
(Iđmv > 2,5Ilv), khi có cánh toả nhiệt đủ diện tích bề mật và có quạt thông gió có thể cho phép van làm việc tới 70%Iđmv (Iđmv>1,4Ilv), khi có điều kiện làm mát bằng nước có thể cho phép làm việc gần tới 100% Iđmv.
Vì quá trình thông gió tự nhiên không được tốt lắm, do đó khi tổn hao trên van ∆Pv
= ∆Uv.Ilv cỡ khoảng 100 W/van trở lên, việc đối lưu không khí tự nhiên xung quanh cánh toả nhiệt xảy ra chậm, nhiệt độ toả ra môi trường không kịp
Vì vậy ta chọn làm mát khi có cánh tỏa nhiệt với đủ diện tích bề mặt cho phép van làm việc 40%Iđmv (Iđmn >2.5Ilv).
-Dòng điện định mức của van cần chọn :
Từ những thông số trên chọn thysirtor TYN1225
Datasheet TYN1225 (xem phần phụ lục)
- Về phần diode chọn diode HER508
Datasheet HER508 (xem phần phụ lục)
3.3.2.Tính toán,chọn phần tử bảo vệ
Các nguyên nhân gây quá dòng điện cho van:
- Ngắn mạch bản thân van.
Chọn cầu chì: Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các thyristor
- Dòng điện định mức của dây chảy nhóm 1CC là:
=> Vậy chọn cầu chì nhóm 1CC loại 1.25 (A)
Với điện áp sau lọc có độ nhấp nhô chọn tụ có điện áp = 400v với tụ điện dung càng cao thì tụ lọc càng phẳng nên ta chọn tụ có giá trị Uc = 600v và điện dung C = 1000 μFF vì trên thị trường có sẵn loại này
3.3.3 Lựa chọn, tính toán, chọn phần tử mạch điều khiển a.Một số phương án lựa chọn mạch điều khiển
Phương án 1: Sử dụng IC thuật toán rời rạc thông qua các khâu:
- Khâu tạo điện răng cưa
- Khâu khuếch đại và biến áp xung Các khâu được thể hiện qua hình 3.1
Hình 3.1 Các khâu của mạch điều khiển khi dùng IC thuật toán rời rạc
- Mạch phức tạp phải thông qua nhiều khâu
- Chất lượng điều khiển không cao
Phương án 2: Dùng IC tích hợp TCA 785
Hình 3.2 Các khâu khi dùng IC tích hợp TCA785 Đối với việc điều khiển điện áp một chiều ta có thể sử dụng vi mạch tích hợp TCA 785 để đơn giản mạch điều khiển.
- Mạch đơn giản, ít khâu điều khiển
- Tạo ra điện áp đối xứng
- Chất lượng điện áp ra như mong muốn
Kết luận: Từ việc so sánh ưu nhược điểm của 2 phương án trên ta chọn phương pháp 2 (Sử dụng mạch tích hợp TCA 785) b.Tính toán, thiết kế mạch điều khiển
Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor TYN1225:
Điện áp điều khiển: Uđk= Ug= 1,5(V)
Dòng điện điều khiển: Iđk= 40 (mA)
TCA 785 do hãng SIEMEN chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiết bị chỉnh dòng điện áp xoay chiều.
IC TCA 785 (có tích hợp các khâu đồng pha, so sánh, tạo xung, sửa xung, khuyếch đại) tạo ra 2 xung điều khiển đến kích mở cho Thyristor TYN1225 ( T1 và T2).
Vi mạch TCA 785 là vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của một mạch điều khiển: Tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa, so sánh và tạo xung TCA 785 do hang Simen chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiêt bị điều chỉnh dòng xoay chiều. Đặc trưng:
- Dễ phát hiện việc chuyển qua điểm không
- phạn vi ứng dụng rộng rãi
- Có thể dung làm chuyển mạch điẻm không
- Có thể hoạt động 3 pha (3 IC)
Tạo ra xung điều khiển mở thyristor với góc mở α giảm dần để tăng điện áp tải đến điện áp phóng điện. c.Hình ảnh kí hiệu
Kí hiệu các chân của TCA 785 được thể hiện trong hình 3.3
Hình 3.3 Hình ảnh,sơ đồ chân TCA 785 e.Chức năng
Chân Kí hiệu Chức năng
5 VSYNC Tín hiệu đồng bộ
9 R9 Điện áp tạo xung răng cưa
10 C10 Tụ tạo xung răng cưa
12 C12 Tụ tạo độ rộng xung
13 L Tín hiệu điều khiển xung ngắn, xung rộng
16 VS Điện áp nguồn nuôi g.Dạng tín hiệu
Dạng tín hiệu của TCA 785 được thể hiện trong hình 3.4
Hình 3.4 Dạng tín hiệu của TCA 785 f.Sơ đồ cấu tạo
Hình 3.5 Sơ đồ cấu tạo TCA 785 i.Các thông số của TCA 785
Giá trị max Đơn vị
Dòng tiêu thụ IS 4,5 6,5 10 MA Điện áp vào điều khiển , chân 11trở kháng vào
Biên độ răng cưa Điện trở mạch nạp
Thời gian sườn ngăn của xung răng cưa
Tín hiệu cấm vào, chân 6
V Độ rộng xung ra, chân 13
V Xung ra chân 14,15 Điện áp mức cao Điện áp mức thấp Độ rộng xung hẹp Độ rộng xung rộng
V V μAs μAs/n F Điện áp điều khiển Điện áp chuẩn
Góc điều khiển ứng với điện áp chuẩn
Tính toán các phần tử bên ngoài
=>1 chu kì xung răng cưa : T1 = 10ms.
Thời điểm phát xung: tTr V 11 R 9 C 10
R 9 Điện áp trên tụ: V10 V ref K.t
TCA 785 do hãng SIEMEN chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiết bị chỉnh dòng điện áp xoay chiều.
Có thể điều chỉnh góc α từ 0 0 đến 180 0 điện Thông số chủ yếu của TCA là:
- Điện áp nguồn nuôi: US= 15V
- Dòng điện tiêu thụ: IS= 10mA
- Điện áp răng cưa: URC max= (US- 2) V Điện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa: R9= (20 ¿ 500) kΩ Điện áp điều khiển: U11 = - 0,5 ¿ (US – 2) V
Dòng điện đồng bộ: IS = 200 ( μF A)
Tần số xung ra: f = (10 ¿ 500) Hz
Chọn giá trị ngoài thực tế: C10 = 104, C12 = 473, R9 = 33kΩ
- Điện áp điều khiển chọn VR2 = 50kΩ
- Khâu đồng pha chọn Rđồng pha = 1mΩ k Nguyên lí làm việc của TCA 785
TCA 785 là một vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của một mạch điều khiển:
“tề đầu” điện áp đồng bộ tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và tạo xung ra Nguồn nuôi qua chân 16 Tín hiệu đồng bộ đượclấy qua chân số 5 và số 1 Tín hiệu điều khiển được đưa vào chân 11 Một bộ nhận biết điện áp 0 sẽ kiểm tra điện áp lấy vào chuyển trạng thái và sẽ chuyển tín hiệu này đến bộ phận đồng bộ Bộ phận đồng bộ này sẽ
43 điều khiển tụ C10; Tụ C10 sẽ được nạp đến điện áp không đổi (quyết định bởi R9). Khi điện áp V10 đạt đến điện áp V11 thì một tín hiệu sẽ được đưa vào khâu logic Tuỳ thuộc vào biên độ điện áp điều khiển V11, góc mở α có thể thay đổi từ 0 đến 180 o Với mỗi nửa chu kì song một xung dương xuất hiện ở Q1, Q2 Độ rộng trong khoảng 30- 80μAs. Độ rộng xung có thể kéo dài đến 180 o thông qua tụ C12
Nếu chân 12 nối đất thì sẽ có xung trong khoảng α đến 180 o
Nguyên lí hoạt động của khâu tạo xung điều khiển Thyristor được thể hiện trong hình 3.6
Hình 3.6 Khâu tạo xung của TCA 785 Điện áp lưới sau khi qua máy biến áp được hạ xuống 12VAC đưa vào chân số 5 và chân số 1 qua điện trở R Tín hiệu điều khiển Vdk được đưa vào chân 11 so sánh với điện áp răng cưa tạo bởi tụ C10 cho ta xung điều khiển thyristor có góc mở α tăng dần ở đầu ra chân 14 và 15 Khi xảy ra ngắn mạch chân 16 nhận được tín hiệu cấm, tại chân
14 và 15 không còn tín hiệu đầu ra.
3.3.4.Tính toán,chọn phần tử cách ly
Sơ đồ khối
Khối tạo xung điều khiểnKhối b Chức năng của từng khối
• Khối nguồn: Cấp nguồn cho toàn bộ mạch và tải.
• Khối tạo xung điều khiển: Tạo ra xung điều khiển lệch pha nhau 180 độ ,điều khiển góc mở của thyristor.
• Khối chỉnh lưu : Biến đổi dòng điện,điện áp xoay chiều sang dòng điện,điện áp một chiều.
• Khối tải : Là động cơ điện một chiều.
Sơ đồ nguyên lý mạch điện
Sơ đồ nguyên lý của mạch được thể hiện qua hình 3.9
Hình 3.9 Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển
3.5.2 Nguyên lý làm việc toàn mạch
- IC TCA 785 (có tích hợp các khâu dồng pha, so sánh, tạo xung, sửa xung ,khuyếch đại) tạo ra 2 xung điều khiển đến kích mở cho Thyristor TYN1225 ( T1 và T2).
- Chân 11 của TCA là chân nhận điện đáp điều khiển ( từ 0 đến 11V) để thay dổi góc kích mở của Thyristor từ 0 đến 180 độ.
- Mạch lực ta dùng mạch cầu chỉnh lưu bán điều khiển.
Giả sử ta đạt một điện áp diều khiển có thể thay đổi từ 0 đến 11V vào chân 11 của
IC TCA785, ở chân 14 và 15 của IC TCA785 sẽ xuất ra một chuỗi xung có thể thay đổi từ 0 đến 180 độ
- Nguyên lí hoạt động của mạc lực:
+ Giả sử ở một bán kì ta có điện áp + đặt vào AC_IN2, diện áp âm là ở AC_IN1 Lúc này ở mạch điều khiển sẽ tạo ra một xung (với góc anpha tuỳ vào điện áp điều khiển) tới kích mở T2 Dòng điện có chiều từ AC_IN2, qua tải, qua T2 về âm nguồn. + Ở bán kì còn lại thì AC_IN1 là + và AC_IN2 là âm Lúc này ở mạch điều khiển sẽ xuất ra một xung tới kích mở T1 Dòng điện có chiều từ AC_IN1 qua qua D8, qua tải, qua T1, qua cầu chì về AC_IN2.
+ Vậy dòng điện có một chiều cố định từ DC_OUT2 về DC_OUT1 và có thể điều chỉnh được từ 0 đến 220V DC
Hình 3.10 Sơ đồ mạch in