Nội dung: Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập và các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phầ
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Tổng quan về động cơ điện một chiều
1.1.1 Khái niệm Động cơ 1 chiều(DC -Direct Current Motors) là động cơ điện sử dụng nguồn điện áp DC
Dòng điện một chiều được sử dụng để chuyển đổi thành cơ năng, giúp vận hành các cấu trúc cơ học Động cơ một chiều, ra đời từ những năm 1830-1840, là loại động cơ có tuổi đời lâu nhất trong lĩnh vực kỹ thuật Trước đó, động cơ một chiều chủ yếu được cung cấp năng lượng từ pin.
1.1.2 Cấu tạo Động cơ 1 chiều là thiết bị đơn giản, dễ ứng dụng ra đời đầu tiên mang lại động năng hoạt động cho các thiết bị kỹ thuật Cấu tạo động cơ 1 chiều đơn giản với các bộ phận:
- Stato- Phần đứng yên với 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu/ Nam châm điện.
- Rotor - Phần lõi chuyển động quay được làm từ các cuộn dây, quấn tạo thành nam châm điện.
- Chổi than (brushes) - Phần tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp.
Cổ góp (commutator) là bộ phận quan trọng trong động cơ điện, có chức năng tiếp xúc và phân chia nguồn điện cho các cuộn dây trên rotor Mỗi điểm tiếp xúc của cổ góp tương ứng với một cuộn dây trên rotor, đảm bảo hoạt động hiệu quả của động cơ.
Một bộ phần khác quang trọng là bộ phận chỉnh lưu, nhiệm vụ chính của nó là biến đổi dòng điện trong khi Rotor quay liên tục.
Nguyên lý hoạt động của động cơ 1 chiều có thể hiểu như sau:
Động cơ DC hoạt động với stato là một hoặc nhiều cặp nam châm tĩnh, trong khi rotor là cuộn dây kết nối với nguồn điện một chiều Khi rotor được cung cấp điện, nó tạo ra từ trường tương tác với từ trường của nam châm vĩnh cửu trong stato, dẫn đến việc sản sinh momen quay.
Hình 1.1 Mô hình thí nghiệm động cơ một chiều [5]
Hướng chuyển động của rotor được xác định theo quy tắc bàn tay trái, trong đó ngón tay cái, ngón trỏ và ngón giữa biểu thị trục quay của các đại lượng vật lý, bao gồm lực tác dụng bởi vật dẫn dòng điện và chiều dòng điện.
Khi dòng điện chạy qua rotor, phần ứng trên rotor và cổ góp đứng yên sẽ chuyển dòng điện giữa các cuộn dây Động cơ DC hoạt động với tốc độ cố định khi dòng điện ổn định và không xảy ra hiện tượng trượt.
Phân loại động cơ một chiều
- Động cơ 1 chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
- Động cơ 1 chiều kích từ độc lập
- Động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp.
- Động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp, bao gồm 2 cuộn dây kích từ, trong đó có: 1 cuộn mắc vào phần ứng, 1 cuộn sẽ mắc song song vào phần ứng.
STT Loại động cơ điện Ưu điểm Nhược điểm Đánh giá
1 Động cơ 1 chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
- Khả năng điều khiển tốc độ và hướng quay hạn chế.
- Hiệu suất có thể giảm khi tải thay đổi.
2 Động cơ 1 chiều kích từ độc lập
- Khả năng điều khiển tốc độ và hướng quay cao.
- Tính linh hoạt trong ứng dụng điều khiển.
- Cần một hệ thống điều khiển chất lượng cao.
3 Động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp.
- Cấu trúc đơn giản và chi phí thấp.
- Thích hợp cho các ứng dụng có yêu cầu đơn giản.
- Khả năng điều khiển thấp, đặc biệt là về tốc độ.
- Hiệu suất có thể giảm khi tải thay đổi.
4 Động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp, bao gồm 2 cuộn dây kích từ, trong đó có:
1 cuộn mắc vào phần ứng, 1 cuộn sẽ mắc song song vào phần ứng.
- Khả năng điều khiển tốc độ và hướng quay tốt.
- Có thể cung cấp lực xoắn cao và ổn định.
- Phức tạp hơn so với một số loại động cơ khác.
- Chi phí có thể cao.
- Đòi hỏi kiến thức kỹ thuật cao để thiết lập và bảo trì.
Nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu tổng quan về động cơ điện một chiều, bao gồm cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phân loại động cơ theo các tài liệu tham khảo Qua đó, nhóm đã đưa ra kết luận về 4 loại động cơ và lựa chọn loại động cơ phù hợp cho đề tài Động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu có cấu trúc đơn giản và chi phí thấp, nhưng khả năng điều khiển bị hạn chế Trong khi đó, động cơ một chiều kích từ độc lập cho phép điều khiển tốc độ và hướng quay tốt hơn, nhưng yêu cầu hệ thống điều khiển phức tạp Động cơ một chiều kích từ nối tiếp phù hợp cho các ứng dụng đơn giản nhưng khả năng điều khiển thấp, còn động cơ một chiều kích từ hỗn hợp có khả năng điều khiển tốt nhưng phức tạp và có thể tốn kém.
Nhóm tác giả nghiên cứu động cơ điện một chiều kích từ độc lập nhằm tối ưu hóa các nhược điểm của loại động cơ này Động cơ này được ưa chuộng nhờ khả năng điều khiển tốc độ và hướng quay linh hoạt Những ưu điểm như khả năng tương thích với hệ thống điều khiển hiện đại và ứng dụng điều khiển đa dạng cũng rất quan trọng Mặc dù yêu cầu chi phí và kiến thức kỹ thuật cao hơn so với một số loại động cơ khác, nhưng đây thường là khoản đầu tư xứng đáng cho các ứng dụng cần hiệu suất và độ chính xác cao.
Động cơ một chiều kích từ độc lập là lựa chọn phổ biến và hiệu quả cho các ứng dụng cần điều khiển linh hoạt và hiệu suất cao.
Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập
- Máy điện quay sử dụng điện một chiều, là thiết bị biến đổi điện năng thành cơ năng.
- Làm việc ở chế độ động cơ khi E < U, lúc đó dòng điện Iư ngược chiều với E
- Dùng phổ biến trong công nghiệp, trong ngành giao thông vận tải và những nơi có yêu cầu điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng.
Để đạt được trạng thái làm việc tối ưu cho động cơ, cần thiết phải thiết lập các thông số yêu cầu về tốc độ, mô men và dòng điện Điều này đòi hỏi việc tạo ra những đặc tính cơ học nhân tạo phù hợp với động cơ.
- Thường biết trước đặc tính cơ Mc(ω) của máy sản xuất.
- Mỗi động cơ có một đặc tính cơ tự nhiên xác định bởi các thông số định mức và được sử dụng như loạt số liệu cho trước.
- Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện có thể viết theo dạng thuận M = f(ω) hay dạng ngược ω = f(M).
1.3.1 Cấu tạo và hoạt động
Máy điện một chiều bao gồm hai phần chính: Stato và Roto Stato, hay phần cảm, được cấu tạo từ lõi thép, đóng vai trò là mạch từ và vỏ máy, trên đó có các cực từ chính, cực từ phụ và dây quấn kích từ Roto, phần ứng của máy, bao gồm lõi thép, dây quấn phần ứng và cổ góp.
Hình 1.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều [5]
1- Cổ góp điện 2- Chổi than 3- Rotor 4- Cực từ 5- Cuộn dây kích từ 6- Stator 7- Cuộn dây phần ứng
Khi dòng điện một chiều đi vào chổi than, nó chỉ đi vào thanh dẫn dưới cực N và ra khỏi thanh dẫn dưới cực S Dưới tác dụng của từ trường, điều này tạo ra mô men quay không đổi, giúp máy hoạt động Chiều của lực điện từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái.
Bộ phận chỉnh lưu (chổi than cổ góp) có chức năng đảo chiều dòng điện sau mỗi nửa vòng quay Dòng điện luôn đi ra phía bên phải cuộn dây, trong khi đó, dòng điện phía trước tạo ra mô men lực có hướng quay nhất định Do đó, mô men lực luôn duy trì chiều quay ổn định.
Khi động cơ hoạt động, cuộn dây dẫn phần ứng di chuyển trong từ trường của phần cảm, tạo ra suất điện động cảm ứng Suất điện động này sinh ra dòng cảm ứng ngược chiều với dòng điện cung cấp cho phần ứng, được gọi là sức phản điện.
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều [11]
Đặc điểm
- Nguồn cấp cho phần ứng và kích từ độc lập nhau.
Khi nguồn cung cấp công suất lớn và điện áp ổn định, động cơ điện một chiều có thể được thiết kế với hệ thống kích từ mắc song song với phần ứng Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.
Động cơ điện một chiều có hai loại kích từ chính: kích từ độc lập và kích từ song song Trong động cơ kích từ độc lập, cuộn kích từ được cấp điện từ một nguồn riêng biệt, trong khi ở động cơ kích từ song song, cả cuộn kích từ và cuộn ứng đều sử dụng cùng một nguồn điện Khi nguồn điện có công suất lớn hơn nhiều so với công suất cơ, tính chất của động cơ sẽ tương tự như nhau.
Hình 1.3 Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập [5]
Phương trình đặc tính
1.5.1 Phương trình đặc tính cân bằng điện áp
Uư – Điện áp phần ứng (V)
Điện trở phần ứng của động cơ (Rư) được tính bằng tổng của các thành phần: điện trở cuộn dây phần ứng (rư), điện trở cực từ phụ (rcf), điện trở cuộn bù (rcb) và điện trở tiếp xúc của chổi than trên cổ góp (rct) Công thức tính điện trở phần ứng là: Rư = rư + rcf + rcb + rct (Ω).
Rf – Điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω)
Iư – Dòng điện mạch phần ứng (A)
Eư – Sức điện đồng phần ứng động cơ (V) Được xác định theo công thức:
K =pN/2πa: hệ số cấu tạo của động cơ.
Với: p – Số đôi cực từ chính.
Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng là N, trong khi a đại diện cho số mạch nhánh đấu song song của cuộn dây Từ thông kích từ dưới một cực từ được ký hiệu là Ф (Wb) Phương trình đặc tính cơ được thể hiện như sau: ω = KФ U ư đm – (R KФ ư + R fư đm) 2 M (CT.1.3).
Mô men điện từ của động cơ tỷ lệ với từ thông Ф và dòng điện phần ứng Iư:
1.5.2 Phương trình đặc tính cơ điện ω = KФ U ư đm
Từ phương trình chính, công thức tính sức điện động thể hiện mối quan hệ giữa mô men điện từ và dòng điện phần ứng Iư, được biểu diễn qua phương trình đặc tính cơ điện Mối quan hệ giữa tốc độ ω và mô men M được thể hiện như sau: ω = KФ U ư đm – R KФ ư + R fư đm I ư (CT.1.6) Khi sử dụng đơn vị tốc độ là vòng/phút, phương trình đặc tính cơ trở thành.
N = ω.9,55 n = 9,55 ( KФ U ư − ( KФ R ưΣ ) 2 M ) (CT.1.7) a) Tốc độ góc định mức:
KФ đm = U đm − ω I đm R ư đm (CT.1.8) b) Tốc độ động cơ: ω = ω 0 - ∆ω = KФ U đm đm - ( R KФ ư + R fư đm ) 2 M = KФ U đm đm – KФ R ư Σ đm I ư (CT.1.9)
Đường đặc tính cơ và đặc tính cơ điện
Dựa trên các phương trình đặc tính cơ-điện và cơ, khi giả thiết phần ứng được bù đủ và f = const, các đặc tính cơ-điện và cơ có thể được biểu diễn dưới dạng các đường thẳng.
Hình 1.4 Đường đặc tính [5] a) Đường đặc tính cơ-điện của ĐCĐ 1 chiều kích từ độc lập b) Đường đặc tính cơ của ĐCĐ 1 chiều kích từ độc lập
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
1.7.1 Thay đổi điện trở phần ứng bằng cách ắc điện trở phụ R f
U ư =U đm ; Ф = Ф đm (CT.1.10) Tốc độ động cơ: ω = ω 0 - ∆ω = KФ U đm đm - ( R KФ ư +R fư đm ) 2 I ư = KФ U đm đm – KФ R ưΣ đm I ư (CT.1.11)
Hình 1.5 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở mạch phần ứng [5]
Trong trường hợp này, tốc độ không tải lý tưởng: ω 0 = U đm
K Ф đm =const Độ cứng đặc tính cơ: β=∆ M
Khi Rf =0, độ cứng đặc tính cơ tự nhiên:
R β tn có giá trị lớn nhất, cho thấy đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng vượt trội so với các đường đặc tính có điện trở phụ Khi mắc nối tiếp điện trở R f vào phần ứng, việc tăng giá trị R f sẽ làm giảm độ dốc của đường đặc tính, số vòng quay và tốc độ động cơ Phạm vi điều chỉnh hẹp và tỷ lệ thuận với tải, điều này không khả thi trong vùng gần tốc độ không tải Việc điều chỉnh này gây tổn hao lớn, thường chỉ được sử dụng để điều chỉnh tốc độ trong chế độ làm việc lâu dài.
1.7.2 Thay đổi điện áp phần ứng
Ta có: R f = 0; R ưΣ = R ư =const ; Φ=Φ đm = const
Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng thì: KФ = U ư − ω I đm R ư đm
Hình 1.1 Đường đặc tính cơ điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập bằng thay đổi điện áp mạch phần ứng [5]
Tốc độ không tải lý tưởng: ω 0 x = U x
Độ cứng đặc tính cơ: β=−(K Ф) 2
Khi thay đổi điện áp phần ứng, các đường đặc tính cơ sẽ song song với nhau, dẫn đến độ dốc của đường đặc tính, số vòng quay, momen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch và tốc độ động cơ đều giảm Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng chỉ có thể làm giảm tốc độ, do mỗi cuộn dây đã được thiết kế với điện áp định mức (Uđm), vì vậy không thể tăng điện áp đặt lên cuộn dây, dẫn đến phạm vi điều chỉnh tốc độ khá hẹp.
Ta có: R f = 0 ; R ư Σ = R ư =const ; U ư = U đm = const
Ta thay đổi dòng kích từ I kt để thay đổi từ thông
Hình 1.2 Đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của ĐCĐ 1 chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông [6]
Tốc độ không tải lý tưởng: ω 0 x = K Ф U đm x (CT.1.11) Độ cứng đặc tính cơ: β=−( K Ф x ) 2
Ta nhận thấy rằng khi từ thông thay đổi thì:
Dòng điện ngắn mạch không đổi: I nm =U đm
R ư =const (CT.1.13) Mômen ngắn mạch thay đổi: M nm = K Ф x I nm (CT.1.14)
Khi giảm từ thông, tốc độ động cơ sẽ tăng lên, tuy nhiên độ cứng của đặc tính cơ sẽ giảm Nếu tiếp tục giảm dòng kích từ, sẽ đến lúc tốc độ không thể tăng thêm do mômen điện từ giảm Phương pháp điều chỉnh từ thông giúp tăng tốc độ định mức với phạm vi điều chỉnh rộng và tổn hao nhỏ, nhưng không hiệu quả dưới tốc độ định mức Do đó, thường kết hợp với các phương pháp khác để mở rộng phạm vi điều chỉnh.
1.7.4 Điều chỉnh tốc độ dộng cơ bằng thay đổi điện áp phần ứng Để điều chỉnh được điện áp động cơ một chiều đòi hỏi phải có một nguồn riêng có U điều chỉnh được Ta dùng các bộ nguồn điều áp như: máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ các bộ biến đổi trên dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng một chiều và điều chỉnh giá trị sức điện động của nó cho phù hợp theo yêu cầu.
Hình 1.3 trình bày sơ đồ khối và sơ đồ thay thế trong chế độ xác lập sử dụng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng Trong chế độ xác lập, chúng ta có thể thiết lập phương trình đặc tính của hệ thống.
Hình 1.4 Quá trình thay đổi tốc độ khi điều chỉnh điện áp [6]
Khi giảm tốc độ động cơ bằng cách hạ điện áp phần ứng, nếu giảm điện áp một cách đột ngột, có thể xảy ra hiện tượng hãm tái sinh Ví dụ, khi động cơ hoạt động tại điểm A với tốc độ lớn ωA và điện áp U1, việc giảm mạnh điện áp phần ứng từ U1 xuống U3 sẽ dẫn đến sự chuyển đổi nhanh từ tốc độ cao sang thấp.
Động cơ chuyển điểm làm việc từ A trên đường 1 sang E trên đường 3 với tốc độ ωA = ωE Do ωE lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng ω03 của đặc tính cơ 3, động cơ hoạt động ở trạng thái hãm tái sinh trên đoạn EC của đặc tính 3.
Khi thay đổi phần ứng bằng cách giảm điện áp, từ thông của động cơ vẫn được giữ không đổi, dẫn đến độ cứng đặc tính cơ cũng không thay đổi Do đó, tốc độ không tải lý tưởng ω 0 sẽ được duy trì.
K Φ thay đổi theo giá trị điện áp phần ứng, tạo ra họ đặc tính mới song song và thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên, với vùng điều khiển tốc độ nằm dưới tốc độ định mức Tốc độ nhỏ nhất trong dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động Khi mômen tải đạt định mức, các giá trị tốc độ lớn nhất và nhỏ nhất được xác định là: ω max = ω 0max − M đm.
Để đảm bảo khả năng quá tải, đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh cần có mômen ngắn mạch M nmmin = M cmax = K M M đm, trong đó K M là hệ số quá tải về mômen Do các đặc tính cơ có dạng đường thẳng song song, nên độ cứng của đặc tính cơ có thể được xác định qua công thức ω min = M nmmin − M đm.
Hình 1.5 Đặc tính cơ quá trình thay đổi điện áp [6]
Với cơ cấu máy cụ thể, các giá trị ω 0 max, M đm, K M là xác định, do đó phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào độ cứng Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng thiết bị nguồn, điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ, từ đó cho phép tính sơ bộ các giá trị ω 0 max, | β |, và M 1 đm.
Với tải có đặc tính mômen không đổi, phạm vi điều chỉnh tốc độ tối đa chỉ đạt 10 Đối với những máy móc yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác trong việc duy trì tốc độ làm việc, việc áp dụng các hệ thống hở như vậy sẽ không đáp ứng được yêu cầu.
Trong phạm vi phụ tải cho phép, đặc tính cơ tĩnh của hệ truyền động một chiều kích từ độc lập có thể được coi là tuyến tính Khi điều chỉnh điện áp phần ứng, độ cứng của đặc tính cơ giữ nguyên trên toàn dải, dẫn đến độ sụt tốc tương đối đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất Nếu tại đặc tính cơ thấp nhất mà sai số tốc độ không vượt quá giá trị cho phép, hệ truyền động sẽ duy trì sai số nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh Sai số tương đối của tốc độ tại đặc tính cơ thấp nhất được tính bằng công thức s=ω 0min −ω min ω 0 min = ∆ ω ω 0 min (CT.1.21) s= M đm.
Để đảm bảo sai số không vượt quá giá trị cho phép, cần tính toán giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ dựa trên các giá trị M đ m, ω 0 min và S cp đã xác định Trong hầu hết các trường hợp, việc xây dựng các hệ truyền động điện kiểu vòng kín là cần thiết để thực hiện điều này.
Trong quá trình điều chỉnh tốc độ và mômen, các giá trị nằm trong hình chữ nhật được giới hạn bởi các đường thẳng ω=ω đ m và M=M đ m cùng các trục tọa độ Tổn hao năng lượng chủ yếu xảy ra trong mạch phần ứng, khi không tính đến các tổn hao không đổi trong hệ thống.
Nếu đặt R b +E ưđ =R thì hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ sẽ là: η ư = R b E ư
Kết luận
1.8.1 Kết quả so sánh phương pháp điều khiển
Bảng 1.2 So sánh các phương pháp điều khiển
STT Phương pháp điều khiển Ưu điểm Nhược điểm
1 - Thay đổi điện trở phần ứng bằng cách ắc điện trở phụ Rf.
- Cấu trúc đơn giản và chi phí thấp.
- Hiệu suất giảm vì năng lượng được tiêu thụ trong điện trở.
2 - Thay đổi điện áp phần ứng.
- Độ chính xác tốt trong việc kiểm soát tốc độ.
- Hiệu suất tốt hơn so với thay đổi điện trở.
- Chi phí có thể cao hơn so với thay đổi điện trở.
- Có thể tạo ra nhiệt độ và mất năng lượng.
3 - Thay đổi từ thông - Kiểm soát lực từ và tốc độ tốt.
- Hiệu suất ổn định ở mọi tốc độ.
- Phức tạp hơn so với các phương pháp khác.
- Chi phí có thể cao.
4 - Điều chỉnh tốc độ dộng cơ bằng thay đổi điện áp phần ứng.
- Hiệu suất tốt và kiểm soát tốt tốc độ.
- Dễ triển khai và phổ biến.
- Mất năng lượng do quá trình điều chỉnh điện áp.
- Có thể tăng chi phí.
Kết Luận: Sau khi nhóm tìm hiểu và lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng để tiếp tục nghiên cứu:
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là một lựa chọn phổ biến và hiệu quả, nhờ vào hiệu suất tốt và độ chính xác trong kiểm soát tốc độ Phương pháp này dễ triển khai và phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau Mặc dù có thể xảy ra mất mát năng lượng trong quá trình điều chỉnh điện áp, nhưng ưu điểm về hiệu suất và tính linh hoạt thường được coi trọng hơn.
LÝ THUYẾT VỀ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA
Chỉnh lưu không điều khiển
Chỉnh lưu không điều khiển là loại chỉnh lưu sản sinh dòng điện một chiều với trị trung bình ổn định, sử dụng diode làm linh kiện chính Trong bán kỳ dương của điện áp Uin, diode hoạt động ở chế độ phân cực thuận, cho phép dòng điện chảy từ A đến D, rồi qua RT và đến B Ngược lại, trong chu kỳ âm, diode ở chế độ phân cực nghịch không dẫn điện, ngăn cản dòng điện đi qua tải.
2.1.1 Sơ đồ và dạng sóng
Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển hoạt động dựa trên nguyên lý điện áp 3 pha Vabc, đi qua bộ chỉnh lưu cầu Sau khi qua các yếu tố RLC, điện áp đầu ra được thể hiện qua các đại lượng Vlabc, Vrabc và Vcabc.
Hình 2.1 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển [4]
Hình 2.2 Dạng sóng của sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển [4]
- Khi θ1 < θ < θ2: Điện áp pha a cao nhất, pha b thấp nhất D1, D6 mở (D6, D1).
- Khi θ2 < θ < θ3: Điện áp pha a cao nhất, pha b thấp nhất D1, D2 mở (D1, D2).
- Khi θ3 < θ < θ4: Điện áp pha b cao nhất, pha c thấp nhất D3, D2 mở (D2, D3).
- Khi θ4 < θ < θ5: Điện áp pha b cao nhất, pha a thấp nhất D3, D4 mở (D3, D4).
- Khi θ5 < θ < θ6: Điện áp pha c cao nhất, pha a thấp nhất D4, D5 mở (D4, D5).
- Khi θ6 < θ < θ7: Điện áp pha c cao nhất, pha b thấp nhất D5, D6 mở (D5, D6).
Ta có: điện áp trung bình ở lối ra là: U tb = 2,34U p
2.1.3 Thông số của sơ đồ
Điện áp trung bình trên tải
Trị dòng điện trung bình qua tải
Mỗi diode dẫn điện trong khoảng thời gian 1 3 chu kỳ của điện áp nguồn Do đó, trị trung bình dòng điện qua diode
Trị số dòng điện hiệu dụng
Điện áp ngược cực đại của van
Số lần đập mạch trong một chu kì m = 6
Chỉnh lưu có điều khiển đối xứng
Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng được cấu thành từ hai sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha mắc ngược chiều nhau Trong đó, ba Thyristor T1, T3, T5 hình thành chỉnh lưu tia ba pha cung cấp điện áp dương (+) cho nhóm anod, trong khi T2, T4, T6 tạo ra điện áp âm (-) cho nhóm catod Sự kết hợp của hai chỉnh lưu này tạo thành cầu ba pha.
Hình 2.3 Sơ đồ động lực chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển đối xứng [4]
2.2.2 Hoạt động của chỉnh lưu cầu ba pha có điểu khiển đối xứng
Hình 2.4 minh họa giản đồ các đường cong cơ bản của hệ thống chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng cùng với điện áp tải tại góc mở 𝜶` 0 Dòng điện chạy qua tải là dòng điện chuyển từ pha này sang pha kia, do đó, để mở Thyristor, cần cấp hai xung điều khiển đồng thời: một xung cho nhóm anod (+) và một xung cho nhóm catod (-) Ví dụ, tại thời điểm t1, để mở Thyristor T1 của pha A phía anod, cần cấp xung X1, đồng thời cung cấp xung X4 cho Thyristor T4 của pha B phía catod Các xung điều khiển cần được cấp theo đúng thứ tự pha để đảm bảo hoạt động chính xác.
Khi cung cấp xung điều khiển chính xác, dòng điện sẽ di chuyển từ pha có điện áp dương sang pha có điện áp âm Chẳng hạn, trong khoảng thời gian t1 đến t2, pha A có điện áp dương hơn trong khi pha B có điện áp âm, và khi mở thông T1 và T4, dòng điện sẽ được dẫn từ pha A sang pha B.
B Khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn, trong mỗi khoảng dẫn của một van của nhóm này (anod hay catod) thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho nhau Điều nay có thể thấy rõ trong khoảng t1 ÷ t3 như trên hình Thyristor T1 nhóm anod dẫn, nhưng trong nhóm catod T4 dẫn trong khoảng t1 ÷ t2 còn T6 dẫn tiếp trong khoảng t2 ÷ t3 Điện áp ngược các van phải chịu ở chỉnh lưu cầu ba pha sẽ bằng 0 khi van dẫn và bằng điện áp dây khi van khóa Ta có thể lấy ví dụ cho van T1, trong khoảng t1 ÷ t3 van T1 dẫn điện áp bằng 0, trong khoảng thời gian t3 ÷ t5 van T3 dẫn lúc này T1 chịu điện áp ngược UBA, đến khoảng t5 ÷ t7 van T5 dẫn T1 sẽ chịu điện áp ngược UCA.
Khi điện áp tải liên tục, như đường cong Ud trên hình trị số điện áp tải được tính theo công thức U d = U do Cos α
Khi góc mở của các Thyristor vượt quá 60 độ, và điện cảm của tải rất nhỏ, điện áp tải sẽ bị gián đoạn, thể hiện qua các đường nét đậm trong hình vẽ Cụ thể, khi góc mở đạt 90 độ với tải thuần trở, dòng điện sẽ di chuyển từ pha này sang pha khác do các van bán dẫn được phân cực thuận theo điện áp dây Tuy nhiên, khi điện áp dây đổi dấu, các van bán dẫn sẽ chuyển sang phân cực ngược và tự khóa.
Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng phức tạp do yêu cầu mở hai van theo thứ tự pha, gây khó khăn trong chế tạo, vận hành và sửa chữa Để đơn giản hóa quá trình, có thể áp dụng điều khiển không đối xứng.
U d = 3 √ 6 π U 2 cosα (CT.2.6) Trị dòng điện trung bình qua tải:
Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng
Loại chỉnh lưu này tạo từ một nhóm (anod hoặc catod) điều khiển và một nhóm không điều khiển.
Hình 2.5 Sơ đồ động lực chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng [5]
2.3.2 Hoạt động của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng
Sóng điện áp tải Ud được thể hiện qua các van bán dẫn T1, T2, T3, D1, D2, D3 Các Tisisto dẫn thông từ lúc có xung mở cho đến khi pha kế tiếp được kích hoạt, ví dụ T1 dẫn từ t1 đến t3 Khi điện áp tải gián đoạn, Tisisto dẫn từ lúc có xung mở cho đến khi điện áp đổi dấu Các diot tự động dẫn khi điện áp thuận chiều, như D1 phân cực thuận trong khoảng t4 đến t5 và từ pha C về pha A trong khoảng t5 đến t6.
Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng có khả năng duy trì dòng điện và điện áp tải liên tục khi góc mở các van bán dẫn nhỏ hơn 60 độ Tuy nhiên, khi góc mở tăng lên và thành phần điện cảm của tải nhỏ, dòng điện và điện áp sẽ bị gián đoạn.
Khi góc mở đạt 180 độ, điện áp trung bình trên tải bằng 0 theo dạng sóng điện áp tải Điều này cho thấy điện áp trung bình trên tải có thể được xem như là tổng của hai điện áp chỉnh lưu trong hệ thống ba pha.
Kích mở các van điều khiển trong hệ thống chỉnh lưu cầu ba pha là một quá trình đơn giản hơn, nhưng việc điều chỉnh tải và nguồn lớn hơn đòi hỏi sự phức tạp cao hơn.
2π Uf(max)(1+cosα) = 2 3 π Uday(max)(1+cosα) (CT.2.8)
So với chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng, việc điều khiển các van bán dẫn trong sơ đồ này đơn giản hơn Mạch điều khiển của bộ chỉnh lưu này có thể được xem như là điều khiển một chỉnh lưu tia ba pha.
Chỉnh lưu cầu ba pha hiện nay được xem là sơ đồ có chất lượng điện áp và hiệu suất sử dụng biến áp tốt nhất, mặc dù đây cũng là sơ đồ phức tạp nhất trong các hệ thống điện.
2π U.(1 + cosα) (CT.2.9) Trị dòng điện trung bình qua tải
Hình 2.6 Giản đồ các đường cong cơ bản chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng [5]
Kết Luận
Bảng 3 So sánh các phương pháp điều khiển 3 pha.
STT Phương pháp điều khiển Ưu điểm Nhược điểm
1 Chỉnh lưu không điều - Đơn giản: Không đòi hỏi hệ - Mất năng lượng: khiển thống điều khiển phức tạp.
- Chi phí thấp: Không cần các bộ điều khiển và vi xử lý cao cấp.
Hiệu suất có thể giảm do mất năng lượng trong các yếu tố cuộn cảm và tụ điện.
- Điều khiển kém: Không có khả năng điều khiển tốc độ hoặc hướng quay.
2 chỉnh lưu điều khiển không đối xứng.
- Khả năng Điều Khiển: Có khả năng điều khiển tốc độ và hướng quay.
- Hiệu suất cao hơn: Có thể tối ưu hóa hiệu suất thông qua điều khiển.
- Phức tạp hóa hệ thống: Đòi hỏi sự tích hợp của bộ điều khiển, cảm biến, và vi xử lý.
- Chi phí cao hơn: Thiết bị điều khiển và cảm biến làm tăng chi phí.
3 chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng - Đa dạng ứng dụng: Sử dụng rộng rãi trong các hệ thống ba pha.
- Hiệu suất tốt: Có thể đạt được hiệu suất cao khi được điều khiển chính xác.
- Phức tạp hóa hệ thống: Cần sự tích hợp của các thành phần điều khiển và cảm biến.
- Chi phí cao hơn: Hệ thống điều khiển 3 pha thường đắt hơn so với các hệ thống đơn pha.
Chỉnh lưu cầu 3 pha là giải pháp hiệu quả cho các hệ thống cần điều khiển tốc độ và hiệu suất cao, đặc biệt trong ứng dụng sử dụng nguồn điện một pha hoặc ba pha Mặc dù chi phí đầu tư cao và hệ thống có phần phức tạp hơn, nhưng khả năng kiểm soát tốt và hiệu suất vượt trội của nó rất quan trọng cho nhiều ứng dụng công nghiệp và hệ thống động cơ điện.
THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐỘNG LỰC
Tính chọn mạch động lực
3.1.1 Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ
Chỉnh lưu cầu 3 pha kích từ độc lập là thiết bị điều khiển động cơ DC, sử dụng dòng điện xoay chiều từ nguồn 3 pha Nguyên lý hoạt động của thiết bị này là tạo ra dòng điện xoay chiều có khả năng thay đổi hướng, từ đó điều khiển hướng quay của động cơ DC.
Nguồn 3 pha: Chỉnh lưu cầu 3 pha kích từ độc lập sử dụng nguồn cung cấp 3 pha để tạo ra dòng điện xoay chiều Điều này có thể là một nguồn điện 3 pha từ lưới điện hoặc từ một bộ chuyển đổi khác như inverter.
Hình 3.1 Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ [5]
Bộ chỉnh lưu cầu (Bridge Rectifier) chuyển đổi dòng điện xoay chiều từ nguồn 3 pha thành dòng điện một chiều thông qua 6 cực kỳ kích từ (thyristors hoặc diodes) được sắp xếp theo cấu trúc cầu.
Mạch kích từ của động cơ DC nhận dòng điện một chiều từ bộ chỉnh lưu cầu, tạo ra một trường từ ổn định Trường từ này đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất hoạt động của động cơ.
Mạch điều khiển là thành phần quan trọng trong việc điều chỉnh điện áp và dòng điều khiển đến mạch kích từ của động cơ DC Việc thay đổi hướng dòng điện một chiều đến mạch kích từ cho phép thay đổi hướng quay của động cơ Khi điện áp và dòng điều khiển được chuyển đến mạch kích từ, trường từ trong động cơ cũng sẽ thay đổi, từ đó điều khiển động cơ quay theo hướng mong muốn.
Tính chọn van động lực
Khi chọn van bán dẫn cho chỉnh lưu, hai thông số cơ bản quan trọng nhất cần lưu ý là điện áp và dòng điện Các thông số khác có thể được xem xét như những yếu tố tham khảo bổ sung trong quá trình lựa chọn.
Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải, điều kiện tỏa nhiệt, điện áp làm việc, các thông số cơ bản của van được tính:
• Điện áp ngược của van được tính:
Trong đó: U2 : Điện áp nguồn xoay chiều của van
U d : Điện áp tải của van
Knv = √ 6 là hệ số điện áp ngược.
Ku = 3 √ 6 π là hệ số điện áp tải.
• Điện áp ngược cuả van cần chọn:
Trong đó: KdtU = 1,4 ÷ 1,8 là hệ số dự trữ điện áp.
• Dòng làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng:
I lv = I hd = K hd I d = √ I d 3 = 70 √ ,35 3 = 40,62 (A) [CT.2.1] Trong đó: Khd = 1
√ 3 là hệ số dòng hiệu dụng cầu ba pha.
I hd, I d– dòng điện hiệu dụng của van và dòng điện tải
Khi chọn điều kiện làm việc cho van có cánh tỏa nhiệt, cần đảm bảo rằng diện tích tỏa nhiệt đủ lớn và không có quạt đối lưu không khí Đồng thời, cần xem xét dòng định mức của van để lựa chọn phù hợp.
I đm = K i I lv = 1,4 40,62 = 56,868 (A) [CT.2.2] Trong đó: Ki = 1,1÷1,4 là hệ số dự trữ dòng điện.
Sau khi tính toán xong ta phải chọn Thyristo có các thông số:
I đm= 56,868[A];U nv = 415[V] Với các thông số tính được ở trên ta chọn được 6 Thyristo loại NLC176M có các thông số:
Điện áp ngược cực đại của van : U nv = 600 (V) [CT.2.3]
Dòng điện định mức của van : I đm= 200 (A) [CT.2.4]
Đỉnh xung dòng điện : I pik = 2500 (A) [CT.2.5]
Dòng điện của xung điều khiển : I đk= 300 (mA) [CT.2.6]
Điện áp của xung điều khiển : U đk = 2,5 (V) [CT.2.7]
Dòng điện rò : I r = 12 (mA) [CT.2.8]
Sụt áp lớn nhất của Thysistor ở trạng thái dẫn là: ΔU = 3,5 [V]
Tốc độ biến thiên của điện áp : dU dt = 200 (V/s) [CT.2.9]
Dòng điện duy trì : I h= 500 (mA) [CT.2.10]
Thời gian chuyển mạch : t cm= 150 (às) [CT.2.11]
Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: T max= 125 ( o C) [CT.212]
Tính toán máy biến áp chỉnh lưu
Để chọn các thiết bị mạch động lực cũng như mạch bảo vệ, ta cần xác định điện áp ra của bộ biến đổi Thyristor.
Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu dây Δ/Y làm mát bằng không khí tự nhiên: Các thông số cơ bản sau:
• Công suất biểu kiến của máy biến áp:
S ba = K s P d = K s P η đm đm = 1,05 13.10 0 ,84 3 = 16250 (VA) Trong đó: Ks = 1,05 là hệ số công suất mạch động lực.
• Điện áp pha sơ cấp máy biến áp:
• Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp:
Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:
U do cos α min =U d +2 ΔU v +ΔU dn + ΔU ba
Góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới được xác định là α min = 10 độ Sụt áp trên Thyristor là ΔU v = 3,5 Sụt áp trên dây nối gần như không đáng kể với ΔU dn ≈ 0 Tổng sụt áp trên điện trở và điện kháng của máy biến áp được tính bằng công thức ΔU ba = ΔU r + ΔU x.
• Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có:
U do = ∆ U d + 2 ∆ U cos v + α ∆ U dn + ∆ U ba min = 220+2 3 cos 10 ,5+0+13 0 , 2 = 243, (v)
• Điện áp pha thứ cấp máy biến áp:
Trong đó: K u = 3 √ π 6 là hệ số điện áp của sơ đồ.
• Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp:
• Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp:
• Tiết diện sơ bộ trụ QFe :
Trong đó: KQ: Hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy KQ = 6
(biến áp khô KQ = 5 ÷ 6) m : Số pha máy biến áp (m=3) f : tần số nguồn điện xoay chiều (f = 50hz)
• Đường kính trụ : d =√ 4.Q π Fe = √ 4.62 π , 45 = 8,92 (cm)
Chuẩn đoán đường kính trụ tiêu chuẩn d = 9 (cm)
• Chọn loại thép kỹ thuật điện, các lá thép có độ dày 0,5mm
• Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ BT = 1T.
Chọn chiều cao trụ h = 23 cm
• Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp:
Fe B T = 4 , 44.50 62 380 , 45.10 −4 1 = 274 (vòng) Trong đó: Điện áp cuộn sơ cấp U 1 bằng điện áp nguồn cấp
• Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp:
• Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp: Đối với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô : J = 2 ÷ 2,75 (A/mm 2 )
• Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp:
Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn: S1= 5,73 (mm 2 ) Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cách điện cấp B Kích thước dây có kể cách điện: S 1cd = a 1 b 1
• Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp:
• Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp:
2 = 57 2 , ,44 75 = 20,89 (mm 2 ) Chuẩn hóa tiết diện tiêu chuẩn: S2 = 21,1 (mm 2 ) Chọn dây dẫn có tiết diện chữ nhật, cách điện cấp B Kích thước dây có kể cách điện: S 2cd = a 2 b 2
• Tính lại mật độ dòng điện 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 :
Hệ số ép chặt k c được xác định là 0,95, trong khi h là chiều cao của trụ (cm) Khoảng cách hg từ gông đến cuộn sơ cấp được chọn sơ bộ là 1,5 cm.
• Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp: n 11 = W W 1
• Chọn số lớp n11 = 8 lớp Như vậy có 274 vòng chia thành 8 lớp, 7 lớp đầu có 34 vòng và lớp thứ 8 có 274 - 7.34= 36 vòng
• Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp: h 1 =
• Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dầy:
• Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp a 01 = 1,0 cm
• Đường kính trong của ống cách điện:
• Đường kính trong của cuộn sơ cấp:
• Chọn bề dày cách điện giữa các lớp ở cuộn sơ cấp : cd 11 = 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 : l 1 = W 1 π.D tb = 274.π.11,944 = 10281 cm = 102,81 m Chọn bề dày cách điện giữa hai cuộn sơ cấp và thứ cấp : cd 01 = 1 (cm)
- Kết cấu dây quấn thứ cấp:
• Chọn sơ bộ cuộn chiều cao cuộn thứ cấp : h 2 = h 1 = 20,26(cm)
• Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp :
• Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp n12 =W 2
• 75 vòng được chia thành 2 lớp, lớp đầu mỗi lớp có 38 vòng, lớp thứ 2 có: 75-38 7 [vòng]
• Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp : h2=
• Đường kính trong của cuộn thứ cấp :
• Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp : cd 22 = 0,1 (cm)= 0,01 (cm)
• Bề dầy của cuộn thứ cấp:
• Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp :
• Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp :
• Chiều dài dây quấn thứ cấp : l 2 = π.W 2 D tb2 = π 75 15,747 = 3710 cm = 37,1 (cm)
• Đường kính trung bình các cuộn dây:
• Chọn khoảng cách giữa 2 cuộn thứ cấp: a22 = 2cm
• Tính kích thước mạch từ.
Hình 3.2 Các hình thang ghép thành hình trụ [5]
Chọn chiều dày các bậc từ bậc 1 đến bậc 5 trong nửa tiết diện trụ với các thông số độ dày lần lượt là: bậc 1 có độ dày 1,5cm, bậc 2 là 1cm, bậc 3 là 0,6cm, bậc 4 là 0,4cm và bậc 5 là 0,5cm.
• Và chọn chiều dài các bậc từ bậc 1 tới bậc 5 với các thông số độ dài lần lượt là: dD1 = 8,5cm; dD2 = 7,5cm; dD3 = 6,5cm; dD4 = 5,5cm; dD5 = 4cm.
• Tính toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ:
• Tiết diện hiệu quả của trụ:
Với : - hệ số hiệu quả.
• Tổng chiều dày của các bậc thang hình trụ: dt = 2.(1,5+1+0,6+0,4+0,5) = 8 (cm)
• Số lá thép trong các bậc:
Để đơn giản trong chế tạo ta chọn gông có tiết diện hình chữ nhật có các kích thước sau:
Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ: b = dt =8 (cm) Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ: a = 8,5 [cm]
Tiết diện gông: Qbg = a.b = 8,5.8 = 68 (cm)
Tiết diện hiệu quả của gông:
Số lá thép dùng trong một gông: hg = 0 b , 5 = 0 80 ,5 = 160 (lá)
Tính chính xác mật độ điện cảm trong trụ:
Mật độ tự cảm trong gông:
Khoảng cách giữa hai tâm trục: c’ = c + d = 9,808 + 9 ,808 (cm)
Hình 3.3 Kết cấu cuộn từ mạch kháng [6]
Tính khối lượng của sắt:
Ta có khối lượng riêng của sắt là: mFe = 7850 [kg/m 3 ]=7,85 kg/dm 3
Ta có khối lượng riêng của đồng là: mCu = 8960 [kg/m 3 ] = 8,9 kg/dm 3
Tính toán thông số của máy biến áp:
Điện trở của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75 0 C :
Điện trở của cuộn thứ cấp máy biến áp ở 75 0 C :
Điện trở của máy biến áp quy đổi về thứ cấp:
Sụt áp trên điện trở máy biến áp : ΔUr = RBA.Id = 0,066.70,35 = 4,6431 V
Điện kháng máy biến áp quy đổi về thứ cấp :
2 = 14,888 2 : bán kính trong dây quấn thứ cấp cm
Điện cảm máy biến áp quy đổi về thứ cấp :
Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp:
Sụt áp trên điện kháng của máy biến áp: ΔUx 3 π XBA.Id 3 π 0,084.70,35 = 5,64 V
Sụt áp trên máy biến áp: ΔUBA= √ ΔU r 2 + ΔU x 2 = √ 4,6431 2 + 5 , 64 2 = 7,3 V
Điện áp động cơ khi góc mở :
U=Udo.cosα min - 2.ΔUV - ΔUBA
Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp: ΔPn = 3RBA.I 2 2 = 3 0,066.57,44 2 = 653,27 W ΔP% = Δ P n
Tổn hao có tải có kể đến 15% tổn hao phụ:
Điện áp ngắn mạch tác dụng:
Điện áp ngắn mạch phản kháng:
Điện áp ngắn mạch phần trăm:
Dòng điện ngắn mạch xác lập:
Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại:
Thiết kế cuộcn kháng lọc
3.4.1 Xác định góc mở cực tiều và cực đại
Chọn góc mở cực tiểu αmin = 10 0 Với góc mở αmin là dự trữ ta có thể bù được sự giảm điện áp lưới.
Khi mở góc nhỏ nhất α = αmin thì điện áp trên tải là lớn nhất.
Ud max = Udo Cos αmin = Ud đm và tương ứng tốc độ động cơ sẽ lớn nhất nmax = nđm
Khi góc mở lớn nhất α = αmax thì điện áp trên tải là nhỏ nhất.
Ud min = Udo Cos αmax và tương ứng tốc độ động cơ sẽ nhỏ nhất nmin.
Ta có: α max = arcos U U d min do
Trong đó Ud min được xác định sau:
D = n n max min = U U đm – U udm R u ∑ d min −I udm R u ∑ = 20
= D 1 [ 2 , 34 U 2 cos α min +( D−1) I udm ( R u + R BA + R dt ) ]
= D 1 [ 2 ,34 U 2 cos α min +( D−1 ) I udm ( R u + R BA + 3 π X BA ) ]
Khi thay số vào công thức, ta có α max = arcos U U d min = arcos 243 38,9 5 = 80,92 độ Để thuận tiện cho việc khai triển chuỗi Fourier, ta chuyển gốc tọa độ sang điểm θ1 Khi đó, điện áp tức thời trên tải sẽ được xác định khi Thyristor T1 và T4 dẫn.
Với θ = Ω.t Điện áp tức thời trên tải điện Ud không sin và tuần hoàn với chi kỳ: τ = 2 P π = 2 6 π = π 3
Trong đó P = 6 : Là số xung đập mạch trong một chu kì điện áp lưới.
Khai triển chuỗi Furier của điện áp Ud:
√ 6 U 2 cos ( θ − π 6 + α ) cos6kθdθ a n = 3 √ 6 π U 2 ( 6 k −2 ) 2 − 1 2 Sin π 6 Cos α = 3 √ 6 π U 2 ( 6 k −2 ) 2 − 1 Cosα b n = 2 τ ∫
Vậy ta có biên độ của điện áp:
3.4.3 Xác định điện cảm cuộn kháng lọc
Khi góc mở tăng, biên độ sóng hài bậc cao cũng tăng theo, dẫn đến sự gia tăng đập mạch của điện áp và dòng điện Hiện tượng này làm xấu đi chế độ chuyển mạch của vành góp và gây tổn hao nhiệt trong động cơ Để giảm thiểu đập mạch, cần mắc nối tiếp một cuộn kháng lọc đủ lớn với động cơ để đảm bảo Im ≤ 0,1 Iư đm.
Cuộn kháng lọc không chỉ giúp giảm thiểu thành phần sóng hài bậc cao mà còn hạn chế vùng dòng điện gián đoạn Điện kháng lọc được tính toán khi góc mở α đạt giá trị tối đa αmax.
Vì R i ~ 0, điện áp dương anode của Thyristor qua khuếch đại thuật toán A1 tạo ra chuỗi xung chùm hình chữ nhật đồng pha với điện áp nguồn Điện áp dương chữ nhật UB qua diode D1 tới A2 tích phân thành điện áp răng cưa Urc do Tr phân cực ngược bị khóa Trong nửa chu kỳ sau, khi UAUrc U b >0 U ra =- Unguồn.
Từ 1 2 với Uđk