ĐÁNH GIÁ1 Điểm từng tiêu chí và điểm cuối cùng làm tròn đến 0,5 Điểm đánh giá 1 L1.1 Vận dụng được các kiến thức về thiết kế mạch lực, mạch điều khiển bộ biến đổi công suất, hệ truyền đ
TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
1.1.1 Cấu trúc chung của hệ truyền động điện
Truyền động cho một máy, một dây chuyền sản xuất mà dùng năng lượng điện thì gọi là truyền động điện (TĐĐ) Hệ truyền động điện là một tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị điện tử, cơ, thủy lực phục vụ cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho cơ cấu chấp hành trên các máy sản xuất, đồng thời có thể điều khiển dòng năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ của máy sản xuất.
Về cấu trúc, một hệ thống TĐĐ nói chung bao gồm các khâu:
Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống truyền động điện
BBĐ: Bộ biến đổi, dùng để biến đổi loại dòng điện (xoay chiều thành một chiều hoặc ngược lại), biến đổi loại nguồn (nguồn áp thành nguồn dòng hoặc ngược lại), biến đổi mức điện áp (hoặc dòng điện), biến đổi số pha, biến đổi tần số Các BBĐ thường dùng là máy phát điện, hệ máy phát - động cơ (hệ F-Đ), các chỉnh lưu không điều khiển và có điều khiển, các bộ biến tần Đ: Động cơ điện, dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thành điện năng (khi hãm điện) Các động cơ điện thường dùng là: động cơ xoay chiều KĐB ba pha rôto dây quấn hay lồng sóc, động cơ điện một chiều kích từ song song, nối tiếp hay kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, động cơ xoay chiều đồng bộ
TL: Khâu truyền lực, dùng để truyền lực từ động cơ điện đến cơ cấu sản xuất hoặc dùng để biến đổi dạng chuyển động (quay thành tịnh tiến hay lắc) hoặc làm phù hợp về tốc độ, mômen, lực Để truyền lực, có thể dùng các bánh răng, thanh răng, trục vít, xích, đai truyền, các bộ ly hợp cơ hoặc điện từ
CCSX: Cơ cấu sản xuất hay cơ cấu làm việc, thực hiện các thao tác sản xuất và công nghệ (gia công chi tiết, nâng - hạ tải trọng, dịch chuyển ) ĐK: Khối điều khiển, là các thiết bị dùng để điều khiển bộ biến đổi BBĐ, động cơ điện Đ, cơ cấu truyền lực Khối 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 có tiếp điểm (các rơle, công tắc tơ) hay không có tiếp điểm (điện tử,bán dẫn) Một số hệ TĐĐ TĐ khác có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác như máy tính điều khiển, các bộ vi xử lý, PLC Các thiết bị đo lường, cảm biến (sensor) dùng để lấy các tín hiệu phản hồi có thể là các loại đồng hồ đo, các cảm biến từ, cơ, quang Một hệ thống TĐĐ không nhất thiết phải có đầy đủ các khâu nêu trên
Tuy nhiên, một hệ thống TĐĐ bất kỳ luôn bao gồm hai phần chính:
Phần lực: Bao gồm bộ biến đổi và động cơ điện.
Phần điều khiển: Một hệ thống truyền động điện được gọi là hệ hở khi không có phản hồi, và được gọi là hệ kín khi có phản hồi, nghĩa là giá trị của đại lượng đầu ra được đưa trở lại đầu vào dưới dạng một tín hiệu nào đó để điều chỉnh lại việc điều khiển sao cho đại lượng đầu ra đạt giá trị mong muốn.
1.1.2 Phân loại hệ thống truyền động điện a Theo đặc điểm của động cơ điện
Truyền động điện một chiều: Dùng động cơ điện một chiều Truyền động điện một chiều sử dụng cho các máy có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ và mômen, nó có chất lượng điều chỉnh tốt.
Hình 1.2 Hệ truyền động động cơ điện một chiều
Tuy nhiên, động cơ điện một chiều có cấu tạo phức tạp và giá thành cao, hơn nữa nó đòi hỏi phải có bộ nguồn một chiều, do đó trong những trường hợp không có yêu cầu cao về điều chỉnh, người ta thường chọn động cơ KĐB để thay thế
Truyền động điện không đồng bộ: Dùng động cơ điện xoay chiều không đồng bộ. Động cơ KĐB ba pha có ưu điểm là có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha.
Hình 1.3 Hệ truyền động động cơ xoay chiều không đồng bộ có điều chỉnh tốc độ
Tuy nhiên, trước đây các hệ truyền động động cơ KĐB lại chiếm tỷ lệ rất nhỏ do việc điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB có khó khăn hơn động cơ điện một chiều Trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp chế tạo các thiết bị bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử tin học, truyền động không đồng bộ phát triển mạnh mẽ và được khai thác các ưu điểm của mình, đặc biệt là các hệ có điều khiển tần số Những hệ này đã đạt được chất lượng điều chỉnh cao, tương đương với hệ truyền động mộtchiều
Truyền động điện đồng bộ: Dùng động cơ điện xoay chiều đồng bộ ba pha. Động cơ điện đồng bộ ba pha trước đây thường dùng cho loại truyền động không điều chỉnh tốc độ, công suất lớn hàng trăm KW đến hàng MW (các máy nén khí, quạt gió, bơm nước, máynghiền.v.v…)
Hình 1.4 Động cơ đồng bọ và hệ truyền động điện điều khiển.
Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử, động cơ đồng bộ được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi loại giải công suất từ vài trăm W (cho cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, cơ cấu chuyển động của tay máy, người máy) đến hàng MW (cho các truyền động máy cán, kéo tàu tốc độ cao…) b Theo tính năng điều chỉnh
Truyền động không điều chỉnh: Động cơ chỉ quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định, thường chỉ có động cơ nối trực tiếp với lưới điện.
Hình 1.5 Hệ truyền động không điều chỉnh
Truyền có điều chỉnh: Trong loại này, tuỳ thuộc yêu cầu công nghệ mà ta có truyền động điều chỉnh tốc độ, truyền động điều chỉnh mômen, lực kéo và truyền động điều chỉnh vị trí Trong cấu trúc hệ truyền động có điều chỉnh có thể là truyền động nhiều động cơ.Ngoài ra, tùy thuộc vào cấu trúc và tín hiệu điều khiển ta có hệ truyền động điều khiển số, điều khiển tương tự hoặc truyền động điều khiển theo chương trình v.v…
Hình 1.6 Hệ chuyền động có điều chỉnh c Theo thiết bị biến đổi
Hệ máy phát – động cơ (F-Đ): Động cơ điện một chiều được cấp điện từ một máy phát điện một chiều (bộ biến đổi máy điện) Thuộc hệ này có hệ máy điện khuếch đại động cơ (MĐKĐ – Đ), đó là hệ có BBĐ là máy điện khuếch đại từ trường ngang.
Hệ chỉnh lưu – động cơ (CL – Đ): Động cơ một chiều được cấp điện từ một bộ chỉnh lưu (BCL) Chỉnh lưu có thể không điều khiển (Điôt) hay có điều khiển(Thyristor)…
Ngoài các cách phân loại trên, còn có một số cách phân loại khác như truyền động đảo chiều và không đảo chiều, truyền động một động cơ và truyền động nhiều động cơ, truyền động quay và truyền động thẳng, truyền động trực tiếp, truyền động gián tiếp, truyền động bằng nhông truyền, truyền động bằng đai
1.1.3 ứng dụng của hệ truyền động điện.
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Trong nền sản xuất hiện nay, động cơ điện Không Đồng Bộ đang chiếm ưu thế so với động cơ điện một chiều Đó là do sự ra đời của các máy biến tần, tuy vậy việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện Không Đồng Bộ vẫn còn là việc khó khăn.
Do vậy, động cơ điện một chiều với đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt vẫn còn được dùng nhiều trong trong các ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu về động cơ điện một chiều dưới các góc độ:
Nguyên lý hoạt động chung.
Hình 1.7: Nguyên lý hoạt động về động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý của hiện tượng cảm ứng điện từ
Như đã biết thanh dẫn có dòng điện đặt trong từ trường sẽ chịu tác dụng lực từ Vì vậy khi cho dòng điện một chiều đi vào chổi than A và đi ra ở chổi than B thì các thanh dẫn sẽ chịu tác dụng của lực từ Bên cạnh đó do dòng điện chỉ đi vào thanh dẫn nằm dưới cực N và đi ra ở các thanh dẫn chỉ nằm trên cực S nên dưới tác dụng của từ trường lên các thanh dẫn sẽ sinh ra mô men có chiều không đổi và làm cho roto của máy quay.
Khi nguồn điện 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, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập. Để tiến hành mở máy, đặt mạch kích từ vào nguồn Ukt, dây cuốn kích từ sinh ra từ thông Φ Trong tất cả các trường hợp, khi mở máy bao giờ cũng phải đảm bảo có Φmax tức là phải giảm điện trở của mạch kích từ Rkt đến nhỏ nhất có thể Cũng cần đảm bảo không xảy ra đứt mạch kích thích vì khi đó Φ = 0, M = 0, động cơ sẽ không quay được, do đó Eư = 0 và theo biểu thức U = Eư + RưIư thì dòng điện Iư sẽ rất lớn làm cháy động cơ Nếu mômen do động cơ điện sinh ra lớn hơn mômen cản (M > Mc) rôto bắt đầu quay và suất điện động Eư sẽ tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n Do sự xuất hiện và tăng lên của Eư, dòng điện Iư sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm hơn
Những phần chính của động cơ điện một chiều gồm: vỏ, trục, ổ bi, phần cảm (stato), phần ứng (rôto), cổ góp và chổi điện.
Hình 1.8 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều
Stato Đây là phần đứng yên của máy Phần tĩnh bao gồm các bộ phận sau: cực từ chính,cực từ phụ, gông từ và các bộ phận khác. a 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 được làm bằng các lá thép KTĐ hay thép cácbon dày 0.5 đến 1 mm ép 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 thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt lên trên các cực từ Các cuộn dây này được nối nối tiếp với nhau b Cực từ phụ
Cực từ phụ được đặt giữa các cực tù chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép của cực tù phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ nhờ các bulông. c Gông từ
Gông từ được dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ , đồng thời làm vỏ máy d Các bộ phận khác
Ngoài ba bộ phận chính trên còn có các bộ phận khác như: Nắp máy, cơ cấu chổi than.
Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hỏng dây quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện.
Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài
Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than được cố định lên giá chổi than và cách điện với giá đó Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than đúng chỗ
Roto của động cơ điện một chiều bao gồm các bộ phận sau: lõi sắt phần ứng, dây quấn phần ứng, cổ góp và các bộ phận khác. a Lõi sắt phần ứng
Dùng để dẫn từ Thường làm bằng những tấm thép KTĐ (thép hợp kim silix) dày 0.5 mm bôi cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên b Dây quấn phần ứng
Là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ (công suất dưới vài kilowatt) thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép Để tránh khi bị văng ra do sức li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải đai chặt dây quấn Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay ba-ke-lit c Cổ góp
Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều Cổ góp có nhiều phiến đồng có đuôi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một trụ tròn Hai đầu trụ tròn dùng hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành góp có cao hơn một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng. d Các bộ phận khác
Cánh quạt: dùng dể quạt gió làm nguội động cơ Động cơ điện một chiều thường được chế tạo theo kiểu bảo vệ Ở hai đầu nắp động cơ có lỗ thông gió Cánh quạt lắp trên trục động cơ Khi động cơ quay, cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ Gió đi qua vành góp, cực từ, lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội động cơ
Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục động cơ thường được làm bằng thép cacbon tốt.
GIỚI THIỆU VỀ THYRISTOR
Thyristor là linh kiện gồm bốn lớp bán dẫn là P1-N1-P2-N2 liên tiếp tạo nên ba cực : anôt A, catôt K, và cực điều khiển G (Gate) Tại ba vị trí tiếp xúc nhau của các lớp P1-N1-P2-N2 tạo ra các lớp tếp giáp J1, J2, J3
Hình 1.9 Ký hiệu và cấu trúc thyristor
Về lý thuyết có hai loại thyristor :
- Thyristor kiểu N hay thyristor có cực điều khiển G nối với vùng N gần anốt
- Thyiristor kiểu P hay thyristor có cực điều khiển G nối với vùng P gần catôt
+ Thyristor khoá nếu UAK < 0 và sẽ vẫn khoá nếu ta cho UAK >0
+ Thyristor chuyển trạng thái từ khoá sang dẫn nếu đồng thời đảm bảo hai điều kiện UAK > 0 và có dòng điều khiển IG đủ mạnh ( về công suất và thời gian ).
Khi thyristor đã dẫn nếu ngắt dòng điều khiển đi ( cho IG = 0 ) nó sẽ vẫn dẫn chừng nào dòng điện qua van còn lớn hơn một giá trị gọi là dòng điện duy trì
Trong thực tế người ta thường sử dụng thyristor kiểu N nhiều hơn Còn về mặt cấu trúc thyristor được tạo nên từ một đĩa silic đơn tinh thể loại N có điện trở suất rất cao
Trên lớp đêm bán dẫn loại P có cực điều khiển bằng dây nhôm Các chuyển tiếp được tạo nên nhờ kỹ thuật bay hơi của gali Lớp tiếp xúc giũa anôt và catôt làm bằng đĩa môlipdem , tungsten có điểm nóng chảy gần bằng silic Cấu tạo dạng đĩa để dễ tản nhiệt.
HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU - ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU(T-Đ) 13 1 Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ điện một chiều có đảo chiều quay
Hiện nay người ta sử dụng rộng rãi bộ biến đổi van điều khiển để biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành điện một chiều để cung cấp cho các động cơ điện một chiều Tốc độ động cơ điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp chỉnh lưu tức là thay đổi góc mở α của thuyristor Ưu điểm nổi bật của hệ truyền động T - Đ là tác động nhanh không gây ồn ào và dể tự động hoá , do các van bán dẫn có hệ số khếch đại công suất cao , điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập cho hệ thống tự động , điều chỉnh nhiều vùng để nâng cao chất lượng đặc tính tĩnh và đặc tính động của hệ thống
Nhược điểm chủ yếu là do các van bán dẫn có tính phi tuyến , dạng chỉnh lưu của điện áp có biên độ đập mạch gây tổn hao phụ trong van buộc phải dùng hai bộ biến đổi để cung cấp điện cho động cơ có đảo chiều quay
Hệ truyền động T-Đ bao gồm chế độ dòng điện gián đoạn, chế độ dòng liên tục, chế độ nghịch lưu phụ thuộc Hệ truyền động T-Đ có thể được thiết kế với nhiều sơ đồ chỉnh lưu khác nhau, như chỉnh lưu nửa chu kỳ, chỉnh lưu hai nửa chu kỳ, chỉnh lưu hình cầu, chỉnh lưu hình tia, v.v Hệ truyền động T-Đ cần có một hệ thống điều khiển để phát xung điều khiển cho các van bán dẫn, ổn định tốc độ và hạn chế phụ tải của động cơ.
1.4.1 Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ điện một chiều có đảo chiều quay
Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ điện một chiều có đảo chiều quay là một loại hệ truyền động điện được sử dụng để điều khiển tốc độ và hướng quay của một động cơ điện một chiều (DC) bằng cách thay đổi điện áp và dòng điện vào động cơ.
Hệ truyền động này gồm có ba phần chính: nguồn điện xoay chiều (AC), mạch chỉnh lưu và động cơ DC
Nguồn điện AC cung cấp điện áp xoay chiều cho mạch chỉnh lưu, mạch chỉnh lưu chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều cho động cơ DC, và động cơ
DC chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ. Để thay đổi tốc độ quay của động cơ DC, có thể thay đổi giá trị của điện áp một chiều vào động cơ bằng cách sử dụng các phương pháp chỉnh lưu khác nhau, như chỉnh lưu bán sóng, chỉnh lưu toàn sóng, chỉnh lưu xung hoặc chỉnh lưu biến tần Các phương pháp này sẽ tạo ra các dạng sóng điện áp một chiều khác nhau, có thể là điện áp một chiều không biến đổi, điện áp một chiều xung kích hoặc điện áp một chiều biến đổi liên tục Tốc độ quay của động cơ DC tỷ lệ thuận với giá trị trung bình của điện áp một chiều vào động cơ. Để thay đổi hướng quay của động cơ DC, có thể thay đổi pha của dòng điện vào cuộn dây ứng với nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện trong động cơ bằng cách sử dụng các công tắc hoặc rơ le Khi thay đổi pha của dòng điện, hướng từ trường trong cuộn dây cũng thay đổi, làm cho góc giữa từ trường của cuộn dây và từ trường của nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện thay đổi Điều này sẽ làm cho momen xoắn của động cơ thay đổi dấu, làm cho hướng quay của trục quay ngược lại.
Nguyên lý điều khiển Hệ truyển động chỉnh lưu – động cơ điện một chiều có đảo chiều là dùng 2 bộ biến đổi thuận nghịch
Hình 1.10: Sơ đồ khối hệ CL – Đ đảo chiều dùng bộ chỉnh lưu thuận nghịch
Bộ biến đổi sử dụng các bộ chỉnh lưu thyristor: ví dụ chỉnh lưu thyristor hình tia 3pha, chỉnh lưu thyristor cầu 3 pha,chỉnh lưu cầu 1pha… và điều khiển bằng cách phát xung Điều khiển có điều khiển chung và điều khiển riêng: a Hệ T-Đ có đảo chiều điều khiển riêng:
Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển riêng
BĐ 1, BĐ 2 : Bộ biến đổi,
SI1,SI2: Cảm biến dòng điện không của 2 bộ biến đổi
FX1,FX2: mạch phát xung
Tại 1 thời điểm chỉ phát xung điều khiển cho một bộ biến đổi làm việc, còn bộ kia không làm việc. Ưu điểm: do có một bộ biến đổi làm việc nên loại trừ hẳn dòng điện cân bằng chạy khép kín trong hai bộ biến đổi
Nhược điểm: điều khiển phức tạp vì phải lấy tín hiệu không của dòng điện trong các bộ biến đổi để điều khiển. b Hệ T-Đ đảo chiều điều khiển chung
Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển chung
BĐ 1, BĐ 2: bộ biến đổi
Lcb: cuộn kháng cân bằng
Tại một thời điểm cả hai bộ biến đổi cùng làm việc, trong đó một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lưu, bộ biến đổi còn lại làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc. Ưu điểm: hệ thống linh hoạt khi chuyển đổi chế độ, độ tác động nhanh, mạch điều khiển đơn giản
Do cả hai bộ biến đổi đều ở trạng thái thông và điện áp tức thời u d 1 ≠ u d2 nên luôn luôn tồn tại dòng điện cân bằng chảy giữa 2 bộ biến đổi. Để khắc phục dòng điện cân bằng người ta mắc và hệ thống cuộn kháng cân bằng
Ta có ở chế độ chỉnh lưu dòng điện trung bình trên tải Id và điện áp trung bình Ud luôn cùng chiều Công suất tiêu thụ trên tải P = Ud.Id luôn dương và chiều của công suất luôn từ phía nguồn xoay chiều chuyển qua tải một chiều , ta nói bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu
Hình 1.13 chế độ chỉnh lưu
Hình 1.14.chế độ nghịch lưu
Khi tăng góc mở α , giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu Ud giảm đi nhưng vẫn còn dương Tiếp tục tăng α > π 2 , điện áp chỉnh lưu trung bình đổi dấu
Cực M thành âm ( - ) và N thành dương ( + ) , điện áp – Ud tăng dần đến khi α π Vì điện áp Ud đổi chiều trong khi Id có chiều không đổi nên công suất P đổi dấu Điều này có nghĩa là tải một chiều đã trở thành nguồn phát và công suất truyền ngược từ phía tải về nguồn Ta nói bộ biến đổi đã chuyển sang làm việc ở chế độ nghịch lưu
Lưu ý rằng ở chế độ nghịch lưu , lưới xoay chiều nhận công suất tác dụng từ phía tải nhưng vẫn tiếp tục cung cấp công suất phản kháng và ảnh hưởng đến dạng sóng , tần số của điện áp xoay chiều ta nói rằng sơ đồ này làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc Để lưới có thể nhận năng lượng từ phía tải thì tải phải là một nguồn phát và điện áp của tải phải lớn hơn điện áp của nguồn để đảm bảo cho van bán dẫn phân cực thuận Trong trường hợp nghịch lưu phụ thuộc thì ta phải có góc điều khiển α > π/2 ta có điện áp trung bình của nghịch lưu phụ thuộc là Utb < 0
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN, MẠCH LỰC
THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC
2.1.1 Sơ đồ mạch động lực hệ chỉnh lưu cầu ba pha thyristor
Hình 2.19 sơ đồ mạch động lực của hệ chỉnh lưu cầu ba pha thyristor hệ T-Đ
2.1.2 Sơ đồ mạch động lực hệ chỉnh lưu cầu ba pha thyristor có thiết bị bảo vệ
Vì những yếu tố an toàn lên phải thêm các thiết bị vảo vệ như:
aptomat để đóng cắt mạch lực, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi , ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu.
Sử dụng mạch R-C mắc song song với thyristor bảo vệ quá điện áp khi van chuyển mạch, và bảo vệ cho xung điện áp lưới từ điện áp lưới
Có cầu chì nối tiếp với thyristor bảo vệ quá dòng trên van
Nên sơ đồ mạch động lực có thiết bị bảo vệ hình 2.2
Hình 2.20 Sơ đồ mạch động lực của hệ chỉnh lưu cầu ba pha thyristor hệ T-Đ có thiết bị bảo vệ
TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ
TÍNH CÁC THÔNG SỐ CỦA ĐỘNG CƠ
Pđm= 22 Kw; Uđm = 400 V; Uktđm = 200V; Iđm = 60 A; Iktđm = 10 A;
Tốc độ của rôto: nđm = 780 vòng/phút;
TÍNH CHỌN THIẾT BỊ TRONG MẠCH LỰC
Tính chọn thysitor 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:
Trong đó: Knv = √ 6 ; Ku = 3 √ 6 π Điện áp ngược của van cần chọn:
Trong đó: Kdtu : hệ số dự trữ điện áp, thường chọn là 1,8;
Dòng điện làm việc của van được tính theo dong điện hiệu dụng:
Ilv = Ihd = khd.Iđm = I đm
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:
Ki: hệ số dự trữ dòng điện, chọn ki = 3,2. Để chọn thysitor làm viện với các than số định mức cơ bản trên, ta tra bảng thông số van, chọn các van có thống số điện áp ngược, dọng điện định mức lớn hơn gần nhất với thông số đã tính Vậy ta chọn thyritor cho mạch động lực loại SCI50C80 của mỹ có thông số sau: Điện áp ngược cực đại của van: Un = 800V
Dòng định mức của thyristor: 150 A
Giỏ trị tốc độ biến đổi dũng cho phộp của thyristor: di/dt = 400 A/às
Giỏ trị tốc độ viến đổi điện ỏp cho phộp của thyristor: dv/dt = 1000 V/ às
Dòng điện của xung điều khiển: Ig = 150 mA
Nhiệt độ làm việc cực đại: Tmax = 150 °C
3.2.2 Tính chọn máy biến áp chỉnh lưu
TÍNH CHỌN THIẾT BỊ BẢO VỆ
Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch thyristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu.
3.3.3 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 do cắt đột ngột máy biến áp non tải. Để bảo vệ cho van làm việc dài hạn không bị quá điện áp, thì ta phải chọn đúng các van bán dẫn theo điện áp ngược. 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.
Hình 3.1: Mạch R – C bảo vệ quá điện áp khi van chuyển mạch 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.
Theo kinh nghiệm R2 = ( 5 ÷ 30 ) Ω; C2 4 àF; Ta chọn : R1 = 12,5 Ω; C1 = 4 àF;
Hình 3-2: Mạch R – C bảo vệ xung điện áp từ lưới
TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Sơ đồ một kênh điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha được thiết kế theo sơ đồ hình 3-
13 Tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khếch đại ngược trở lên. Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở thyristor Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển: Điện áp điều khiển thyristor: U dk = 3,0 V;
Dòng điện điều khiển thyristor: Idk = 200 mA:
Thời gian mở thyristor: t m = 50 às; Độ rộng xung điều khiển: t x = 167 às;(tương đương với 3 0 điện );
Tần số xung điều khiển: f x = 3 kHz; Độ mất đối xứng cho phép: ∆α = 4°;α = 4°; Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U = ± 12 V;
Mức sụt biên độ xung: S x = 0,15;
Chọn vật liệu làm lõi sắt ferit HM Lõi có dạng hình xuyến làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có : ∆α = 4°;B = 0,3 T ; ∆α = 4°;H = 30 A/m , không có khe hở không khí
Tỷ số biến áp xung: thường m = 2 ÷ 3 ta chọn m = 3 ; Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung U 2 = U dk = 3 V ; Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung : U1 = m U 2 = 3 3 = 9 V ;
Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung: I 2 = I dk = 200 mA ;
Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung:
3 f,6mA=0,0666A ; Độ từ thẩm trung bình của lõi sắt: à tb = ∆ B à 0 ∆ H= 0,3
Trong đú : à 0 = 1,25.10 -6 H/m là độ từ thẩm của khụng khớ.
Thể tích của lõi thép cần có:
3.4.2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng.
Chọn Tranzitor công suất Tr 3 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung , có các thông số sau :
Tranzitor loại N-P-N, vật liệu bán dẫn là silic. Điện áp giữa colectơ và bazơ khi hở mạch emitơ là: UCBO = 40
V ; Điện áp giữa emitơ và bazơ khi hở mạch colectơ là : UEBO = 4 V; Dòng điện lớn nhất ở colectơ có thể chịu đựng : ICmax
Công suất tiêu tán ở colectơ: PC = 1,7 W;
Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T1 = 1750C
Dòng làm việc của colectơ: IC3 = I1 66,6 A;
Dòng làm việc của bazơ :
Ta thấy rằng với loại thyristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé: Udk = 3V,
Idk = 200 mA = 0,2 A , nên dòng colectơ – bazơ của tranzitor Tr3 khá bé , trong trường hợp này ta có thể không cần tranzitor Tr2 mà vẫn có cùng công suất điều khiển tranzitor
Chọn nguồn cấp cho máy biến áp xung : E = +12 V Với nguồn E 12 V ta phải mắc thêm điện trở R10 nối tiếp với cực emitơ của Tr3. Tất cả các điôt trong mạch điều khiển dùng loại 1N4009 , có các tham số :
Dòng điện định mức : I dm = 10 mA ; Điện áp ngược lớn nhất : U N = 25 V ; Điện áp để cho điốt mở thông : Um = 1 V ;
Toàn bộ mạch điều khiển phải dùng 12 cổng AND nên ta chọn hai IC 4081 họ CMOS Mổi IC 4081 có 4 cổng AND Các thông số của cổng AND là :Nguồn nuôi IC:
Nguồn nuôi IC: Vcc = 3 ÷ 9 V , ta chọn Vcc = 12 V
Nhiệt độ làm việc: tlv = - 400C ÷ 800C; Điện áp ứng với mức logic “1”: 2 ÷ 4,5 V;
Công suất tiêu thụ : P = 2,5 nW/1 cổng;
KẾ HOẠCH THỰC HIỆN TIỂU LUẬN, BÀI TẬP LỚN, ĐỒ ÁN/DỰ ÁN
Tên chủ đề: Nghiên cứu thiết kế hệ truyền động điện T-Đ có đảo chiều Nghiên cứu hệ T-Đ có đảo chiều (Dùng chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng) cho động cơ 1 chiều kích từ động lập có thông số: P đm = 22Kw; U đm = 400V; I đm = 60A; n đm = 780v/ph; U ktđm = 200V; I ktđm = 10A.
Tuần Người thực hiện Nội dung công việc Phương pháp thực hiện
Bùi Đình Hưng Bùi Việt Hưng Lương Văn Hùng
Chương 1: Tổng quan về hệ TĐ Đ Nghiên cứu tài liệu,vận dụng kiến thức thực hiện ; thảo luận nhóm
Bùi Đình Hưng Bùi Việt Hưng Lương Văn Hùng
Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển, mạch lực
Chương 3: Tính chọn thiết bị
Bùi Đình Hưng Bùi Việt Hưng Lương Văn Hùng
Chương 4: Dùng phần mềm ( Psim, Simulink Power…) mô phỏng dạng song dòng điện, điện áp trên tải, trên van ở các chế độ làm việc và đáng giá kết quả.
Bùi Đình Hưng Bùi Việt Hưng Lương Văn Hùng
Chỉnh sửa và hoàn thiện báo cáo
XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN
Tuần Người thực hiện Nội dung công việc Kết quả đạt được
Kiến nghị với giảng viên hướng dẫn (Nêu những khó khăn, hỗ trợ từ phía giảng viên,… nếu cần)
Chương 1: Tổng quan về hệ TĐ Đ
Hoàn thành phân chia nội dung làm báo cáo cho từng tuần; hoàn thành nội dung chương 1.
Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển, mạch lực Báo cáo
Chương 3: Tính chọn thiết bị Báo cáo
( Psim, Simulink Power…) mô phỏng dạng song dòng điện, điện áp trên tải, trên van ở các chế độ làm việc và đáng giá kết quả.