Nó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên, và cũng là điều kiện để cho sinh viên ngành tự động hóa tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất.. Do đó
PHÂN TÍCH, LỰ A CH ỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN Đ ỘNG ĐIỆ N
CHỌ N Đ ỘNG CƠ TRUYỀ N Đ Ộ NG
Khi thiết kế ột hệ m thống truyền động điện thì người thiết kếphải đưa ra nhiều phương án để ả gi i quy t ế
Nhiệm vụ của người thiết kế là tìm ra phương án tối ưu nhất phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và kinh tế Việc lựa chọn phương án truyền động đóng vai trò quan trọng trong thiết kế, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến dây chuyền sản xuất, chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế.
Cấu tạo : Động cơ một chiều gồm có 2 ph n chính: ầ
Phần tĩnh (stato): Đây là phần đứng yên và gồm các bộ phận sau:
CCT chính là bộ phận sinh ra từ trường, bao gồm lõi sắt và dây quấn kích từ Lõi sắt được làm bằng nhựa hoặc thép kỹ thuật điện, với độ dày từ 0.5 mm đến 1 mm, được ép chặt Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện.
Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính nhằm điều chỉnh tình trạng hoạt động của máy điện và đổi chiều Lõi thép của cực từ phụ thường được làm bằng thép khối, và trên thân cực từ phụ có dây quấn giống như dây quấn của các cực chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ bằng bulông.
- Gông từ: Gông từ dùng để làm mạch nối các cực từ
Nắp máy có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ máy khỏi các vật thể bên ngoài, ngăn ngừa hư hỏng dây quấn và đảm bảo an toàn cho người sử dụng khỏi nguy cơ điện giật Ngoài ra, trong các loại máy điện, nắp máy còn đóng vai trò làm giá đỡ ổ bi, thường được chế tạo từ chất liệu gang để đảm bảo độ bền và ổn định.
- Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điệ ừn t ph n quay ra ngoài ầ
Phần quay (rotor): gồm những b ph n sau: ộ ậ
Lõi sắt phẳng ứng là một thành phần quan trọng trong việc ẫ d n từ, thường được chế tạo từ tấm thép kỹ thuật điện dày 0.5 mm, được phủ cách điện mỏng ở cả hai mặt Quá trình ép chặt các tấm thép này giúp giảm tổn hao năng lượng do dòng điện xoáy gây ra Trên bề mặt lá thép, có hình dạng rãnh được dập sẵn, cho phép lắp đặt dây quấn một cách hiệu quả sau khi ép lại.
Dây quấn phần ng: là bộ phận tạo ra sức điện động và cho phép dòng điện chạy qua Thông thường, dây quấn được làm từ dây đồng có lớp cách điện Trong các máy điện nhỏ (công suất dưới vài KW), dây có tiết diện tròn thường được sử dụng Đối với máy điện vừa và lớn, dây quấn thường có tiết diện hình chữ nhật Dây quấn cần được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
- C góp: C ổ ổ góp dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều
- Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy
- Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt ph n ng, c góp cánh quầ ứ ổ ạt, ô bi Thường làm b ng thép ằ cacbon tốt
- Phân loại động cơ điện 1 chi u: ề
+ Động cơ điện m t chiộ ều được kích t bừ ằng nam châm vĩnh cửu
+ Động cơ điện m t chi u kích t ộ ề ừ độc l p ậ
+ Động cơ điện m t chi u kích t song song ộ ề ừ
+ Động cơ điện m t chi u kích t nộ ề ừ ối tiếp
+ Động cơ điện m t chi u kích t h n hộ ề ừ ỗ ợp.
Chú ý: Yêu c u cầ ủa đềtài là động cơ một chi u kích t ề ừ độc lập nên chúng ta s ẽchỉ tìm hiểu về động cơ một chi u kích t ề ừ độc lập.
- Động cơ 1 chiều kích t ừ độc lập:
Khi nguồn điện mạch chiếu có công suất không đủ, mạch điện phân ng và mạch kích từ hai nguồn mạch chiếu đồng thời, lúc này động cơ được gọi là động cơ một chiều kích từ độc lập.
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ độc l p ậ
*Phương trình đặc tính : cơ
Khi động cơ hoạt động, rôto quay trong từ trường của cuộn cảm, tạo ra một số điện động cảm ứng ngược chiều với điện áp đặt vào phần ứng động cơ Theo sơ đồ nguyên lý, ta có thể thiết lập phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng (rôto).
Trong đó: - Uư : Điện áp ph n ầ ứng động cơ (V)
- E ư: Sức điện động ph n ầ ứng động cơ (V)
- R ư: Điện tr ởcuộn dây ph n ng ( ) ầ ứ
- R f: Điện tr ph mở ụ ạch phầ ứn ng ( )
- Iư : Dòng điện ph n ầ ứng động cơ (A)
- r : Điện tr ởcuộn dây ph n ng ầ ứ
- rct : Điện tr p xúc giởtiế ữa chổi than và phi n góp ế
- rcb : Điện tr ởcuộn bù
- rcp : Điện tr ởcuộn ph ụ
Sức điện động Eư c a phủ ầ ứng động cơ được xác địn nh theo bi u thể ức sau :
- : T thông qua m ừ ỗi cực từ (Wb)
- N : Số thanh d n tác d ng c a cu n ng ẫ ụ ủ ộ ứ
- a : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây ph n ng ầ ứ
- : Tốc độ góc của động cơ (rad/s)
2πalà hệ ố ết cấ s k u của động cơ.
N u bi u di n sế ể ễ ức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:
60a - H s sệ ố ức điện động của động cơ
(0.16) chính là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác mômen điện t ừ Mđt của động cơ được xác định bởi: Mđt = K..Iu
Thay giá trị I vào ư (0.16) ta được: ω = K U u − R (K) u +R 2 f Mdt (0.17)
N u b qua t n thế ỏ ổ ất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen điện t , ta ký hiừ ệu là M, nghĩa là Mđt = M = M cơ ω = K U u − R u +R f
( ) K 2 M (0.18) n m t chi u kích t p Đây là phương trình đặc tính cơ c a đủ ộng cơ điệ ộ ề ừ độc lậ c c bi u di n trên hình 1.2 ng th ng Đồthị ủa chúng đượ ể ễ là những đườ ẳ
Hình 1.2 Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của ĐC một chi u kích t ề ừ độc lập
Giả thiết rằng phản ứng được bù đủ và tư thông là hằng số, các phương trình đặc tính cơ điện và cơ học sẽ trở nên tuyến tính Đồ thị của chúng, được thể hiện trong các hình a và b, là những đường thẳng.
Theo các đồthị trên, khi I = 0 ho c M = 0 ta có: ư ặ ω = K U u = ω0 (0.19)
ođược gọi là tốc độ ải lý tưở ủa động cơ Còn khi
Inm và Mnm được gọi là dòng điện ng n mắ ạch và mômen ngắn mạch.
Mặt khác phương trình đặc tính cũng có thể được viết dưới dạng: Ω = K U u − R (K) u +R 2 f Iư=ω0− ∆ω (0.21) ω = K U − u (K) R 2 M =ω0− ∆ω (0.22)
được gọi là độ ụt tố s c đ ứộ ng với giá trị ủa M c
Ta có thể ể bi u diễn đặc tính cơ và đặc tính cơ điện trong h ệ đơn vị tương đối, với điều ki n t ệ ừ thông là định mức (= đm)
Để đáp ứng các tiêu chí mà hệ thống đã đề ra, động cơ một chiều kích từ độc lập là lựa chọn phù hợp cho việc truyền động trong hệ thống.
Trong thực tế đối với động cơ điện một chiều kích t ừ độ ập thường có 3 phương pháp c l điều ch nh tỉ ốc độnhư sau.
Thay đổi điện tr ph m ch ph n ng ở ụ ạ ầ ứ
Điều chỉnh điện áp c p cho mấ ạch phầ ứn ng
Điều ch nh t thông kích t ỉ ừ ừ
1.1.1 Thay đổi điện trở phụ mạch ph n ứng ầ
Hình 1.3 minh họa cách điều chỉnh tỷ số độ động cơ một chiều kích từ độc lập thông qua phương pháp thay điện trở phản ứng Phương trình đặc tính cơ cho động cơ được biểu diễn bằng ω = U đm, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ góc và điện áp.
(Kϕđm 2) M c) Dạng đặc tính cơ
Thay đổi điện trở mạch phần ngắn bằng cách nở rộng thêm điện trở Rf vào mạch phần ứng sẽ ảnh hưởng đến đặc tính cơ của động cơ.
Người ta thường s dử ụng phương pháp này để ạ h n ch ế dòng điện khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độcơ bản
T ừ phương trình đặc tính cơ và dạng đặc tính cơ ta thấy khi thay đổi điện tr ph mở ụ ạch ph n ầ ứng (tăng Rf) làm cho :
Khi thay đổi điện trở R, đặc tính biến trở của động cơ sẽ thay đổi theo hình 1.3 Ở một mức tải Mụ c nhất định, nếu R tăng lên, tốc độ động cơ sẽ giảm và độ sụt tốc độ Δω sẽ tăng Đồng thời, điện trở ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm, dẫn đến độ ứng đặc tính cơ β trở nên mềm hơn.
1.1.2 Thay đổi điện áp cấp cho mạch ph n ứng ầ a) Sơ đồ nguyên lý
Hình 1.4 Sơ đồ thay đổi điện áp c p cho m ch ph n ng ấ ạ ầ ứ
BBĐ là bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều, đồng thời điều chỉnh trị số điện động Eb của nó theo yêu cầu.
- Rb : là điện tr m ch ph n ng ở ạ ầ ứ
- Rư : là điện tr trong cở ủa bộbiến đổi phụthuộc vào lo i thiạ ết bị b) Phương trình đặc tính cơ ω = Eb
Hình 1.5 Đường đặc tính cơ
Khi thay đổi giảm điện áp m ch ph n ạ ầ ứng động cơ ta được mộ ọ đặc tính cơ song song t h với nhau như hình (H1.5) d) Nh n xét: ậ
Khi thay đổi điện áp (giảm áp), mômen và dòng điện của động cơ cũng giảm theo một tỷ lệ nhất định Phương pháp này được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động.
Khi thay đổi điện áp mạch phần ng ta s có các tứ ẽ ốc độ không tải lý tưởng:
Mômen ng n m ch: M = K ắ ạ nm Iư , mômen ng n m ch gi m khi giắ ạ ả ảm điện áp ph n ng ầ ứ
[Mc] = KΦđm đm.I = M = const đm
D ải điều ch nh rỉ ộng, điều chỉnh trơn và vô cấp
Sai s t ố ốc độ nh , d t ỏ ể ự động hoá
Khả năng quá tải lớn và t n thổ ất năng lượng nh ỏ
PHÂN TÍCH L ỰA CHỌ N B Ộ BIẾ N Đ Ổ I CHỈNH LƯU
1.2 PHÂN TÍCH LỰA CH N B Ọ ỘBIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU
1.2.1 Phân tích h ệthống van – động cơ (T – Đ)
Hình 1.8 Sơ đồkhố ệi h thống T-Đ
Hệ TĐ là một loại nguồn điện một chiều, có khả năng điều chỉnh biến đổi, được sử dụng để cung cấp năng lượng cho động cơ điện Khi động cơ hoạt động một chiều và độc lập, hệ TĐ sẽ đảm bảo hiệu suất tối ưu cho quá trình vận hành.
Khác với máy phát điện truyền thống, máy phát điện m t chi u b biộ ề ộ ến đổi trực tiếp dòng xoay chi u ề thành dòng một chi u mà không cần qua bất kỳ khâu trung gian cơ học nào.
Hiện nay, Thyristor được sử dụng phổ biến để tạo ra các bộ chỉnh lưu nhờ vào những tính năng vượt trội của chúng, bao gồm kích thước gọn nhẹ, tổn hao năng lượng thấp và khả năng tác động nhanh chóng.
* Nguyên lý điều khiển động cơ điện một chiều:
- Nhận năng lượng t ừ lưới xoay chiều thông qua b ộchỉnh lưu biến dòng xoay chiều thành dòng một chi u C p cho ph n ề ấ ầ ứng động cơ điện một chiều
* Các ch ế độ làm vi c: ệ a) *Chế độ dòng liên tục
- Khi mô men tải Mt tăng thì dòng điện động cơ tăng dẫn đến năng lượng điệ ừn t tang.
Khi điện áp ngu n nh ồ ỏ vượt quá sức điện động, năng lượng của cu n dây l n sẽ tạo ra đủ năng lượng để duy trì dòng điện cho đến khi mở van kế tiếp.
- Khi ởchế độ dòng liên t c ụ
*Chế độ dòng gián đoạn
Điện cảm của động cơ có khả năng tích lũy năng lượng, tuy nhiên, khi dòng điện nhỏ, lượng năng lượng tích lũy trong cuộn dây cũng ít, dẫn đến việc xả năng lượng không đủ Điều này khiến điện áp của lưới nhỏ hơn sức điện động của động cơ, làm cho anod dương không đủ mạnh để duy trì dòng điện liên tục Khi đó, dòng điện sẽ qua van trở về 0 trước khi van khép lại, gây ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống.
-Khi chuy n t ể ừtrạng thái kliên t c sang trụ ạng thái gián đoạn h s phệ ẽ ải trải qua một trạng thái giới hạn, đó là trạng thái biên liên tục.
1.2.1.1 Đặ tính cơ củc a h ệthống a) Ch ế độ dòng liên tục.
+ Phương trình đặ tính cơ:c ω = Ucl
(Keϕ) 2 M i góc m n áp c a ch u khi n t -> (-
Khi thay đổi ở α=(0-π) trong hệ thống điện, ta nhận thấy đặc tính dòng điện song song chỉ xuất hiện ở nửa bên phải tọa độ (Mo ω) Điều này xảy ra bởi vì các van không cho phép dòng điện phản ứng đổi chiều ở nửa bên trái.
+ Khi đó tốc độ không tải lý tưởng tùy thuộc vào góc điều khiển α. ω0=U d0 cos α Keϕ + Và độ ứng đặc tính cơ c β =(Keϕđm) 2
Rư+ Rcl b) Ch ế độ dòng điện gián đoạn
- Khi làm việc ởchế độ dòng gián đoạn đường đặc tính cơ không là đường th ng mà là ẳ đường cong có độ cứng thấp hơn.
- Biên gi i vùng dòng ớ điện gián đoạn là dòng phân cách giữa vùng dòng điện liên t c và ụ dòng gián đoạn chính là tập hợp đường trạng thái biên độ
- Khi thay đổi góc α=(0-Π) gần đúng là đường ê líp có các tr c chính là trụ ục tọa độ +Ưu điểm:
- Độ tác động nhanh, cao t n ổ thất ít gi m tiả ếng n hi u suồ ệ ất lớn có kh ả năng điều ch nh ỉ trơn với phạm vi điều chỉnh rộng
- Có thể thiết lập h t ệ ự động phòng kín để m r ng dở ộ ải điều ch nh và cỉ ải thiện điều ki n ệ làm việc của h ệ
Khả năng linh hoạt trong việc chuyển đổi trạng thái làm việc của động cơ không cao, dẫn đến hiệu suất hoạt động kém Sự giảm sút áp lực và dòng điện qua van có thể gây ra hiện tượng quá tải, làm tăng tổn hao ph năng lượng trong ổ trục động cơ Điều này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất mà còn làm xấu điều kiện chuyển mạch trên cổ góp, gây ra sự suy giảm điện áp nguồn.
- Khi điều ch nh sâu h s công suỉ ệ ố ất Cos γ thấp nhất.
- Tác động nhanh, t n thổ ất ít, gi m tiả ếng ồn, kích thước trọng lượng nh , n n móng không ỏ ề phức tạp
- H sệ ố khuyêch đạ ới l n nên d ễthiết lập h ệthống t ự động vòng kín để ở ộ m r ng ph m vi ạ điều ch nh D ỉ
- Khả năng linh hoạt chuyển đổ ại tr ng thái làm vi c không cao ệ
- Mạch điều khi n h o chi u khá phể ệ đả ề ức tạp
- Khả năng quá tải vềáp và dòng kém
Sức điện động của bộ biến đổi có độ dập bi mạch lớn, do đó cần sử dụng cuộn kháng, điều này làm tăng kích thước, giá thành và giảm độ cứng của đặc tính cơ, đồng thời cũng giảm khả năng tác động nhanh.
Hệ thống máy phát động cơ (F – Đ) có vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất của hệ truyền động Mặc dù có một số nhược điểm, nhưng những ưu điểm vượt trội của hệ T – Đ đã dẫn đến việc nó hoàn toàn thay thế cho các hệ truyền động khác như KĐT – Đ và F – Đ Sơ đồ nguyên lý của hệ thống này là một yếu tố cần phân tích để hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động và lợi ích mà nó mang lại.
Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý
- Đ: Động cơ được điều ch nh ỉ
- ĐS: Động cơ sơ cấp
CKĐ và CKF là cuộn kích từ được sử dụng cho động cơ và máy phát điện Nguyên lý hoạt động của động cơ sơ cấp là chuyển đổi năng lượng điện xoay chiều từ lưới điện thành cơ năng trên trục của nó, sau đó truyền động này sang trục của máy phát F.
Máy phát F chuyển đổi cơ năng thành điện năng một chiều, cung cấp cho động cơ dòng kích từ độ ập Đ Bên cạnh đó, máy phát F còn có chức năng điều khiển, cho phép thay đổi dòng kích từ để điều chỉnh Sđđ EF của máy phát Điều này dẫn đến việc thay đổi điện áp đặt lên phần ứng của động cơ, từ đó điều chỉnh tốc độ hoạt động của động cơ.
21 c) Phương trình đặc tính cơ ω = E
K đ − R ưĐ (K +R ưF đ) 2 M d) Dạng đặc tính cơ
Hình 1.10 Đường đặc tính cơ
Khi thay đổi dòng kích t ừmáy phát F thì tốc độ không tải lý tưởng:
K đ thay đổi còn độ ứ c ng đặc tínhcơ: βfđ= (K đ ) 2
R thì giữ nguyên u ch nh s t h ng th 1.10
Nêncác đặc tính cơ điề ỉ ẽ là mộ ọ đườ ắng song song như trên hình vẽ e) Nhận xét ưu nhược điểm của hệ F- Đ
Linh hoạt chuyển đổi làm việc c 4 góc phả ần tư
Việc điều ch nh tỉ ốc độ điều ch nh trên m ch kích t nên t n hao nh ỉ ạ ừ ổ ỏ
N u s d ng 2 m ế ử ụ ạch vòng điều ch nh tỉ ốc độthì dải điều chỉnh đạt kho ng D = 10 30 ả
S d ng nhi ử ụ ều máy điện quay nên hi u suệ ất thấp = đs F Đ
C ng k nh chi m di n tích l ồ ề ế ệ ắp đặt, gây ồn, n n móng phề ức tạp
Công su ất lắp đặt lớn = (4 5) l n công su ầ ất động cơ
V ốn đầu tư lớn, ch ỉtiêu kinh tếthấp
1.2.3 Phân tích h ệthống xung áp động cơ (ĐXA – Đ)
Ngày nay, hệ thống xung áp đã trở thành động cơ phổ biến nhờ vào độ tin cậy, khả năng điều chỉnh, độ ổn định và kích thước trọng lượng được ưu tiên hàng đầu Có nhiều cách phân loại, trong đó có hệ xung áp mạch đơn (không đảo chiều) và hệ xung áp đảo chiều Đối với các bộ biến đổi công suất nhỏ (vài kW) và trung bình (hàng chục kW), bóng bán dẫn lưỡng cực IGBT thường được sử dụng Trong khi đó, với công suất lớn (vài trăm kW), GTO là lựa chọn phổ biến, và đối với công suất cao hơn, tiristor được áp dụng Giáo trình này sẽ tập trung vào van điều khiển hoàn toàn IGBT và GTO, vì chúng có ưu điểm là mở và khóa hoàn toàn bằng xung, khác với tiristor, cần phải dùng mạch khóa để tắt Tuy nhiên, nhược điểm của van điều khiển hoàn toàn là công suất thấp hơn so với tiristor.
Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý h ệ xung áp đơn dùng tiristor và dùng GTO
Trong kho ng t1 GTO mả ở: U = E + R iu 1+ Lu di 1
Trong kho ng t2 GTO khoá: ả 0 = E + Rui2+ Ldt u di 2 dt
T CK= 200 400hz ) so v– ới hằng s ốthời gian cơ học c a hủ ệ nên ta có th ểcoi sức điện động động cơ E ≈ const trong chu kỳ T CK
Nghiệm của phương trình trên có dạng: i = I + (I − I1 1 bd1 1)e −t/Tu i = I + (I − I )e 2 2 bd2 2 −t/Tu
R u Các giá tr : ị dòng điện xác l p cậ ủa dòng điện i , i 1 2trong kho ng t1, t2 ả
Ibd1, Ibd2 : Giá trị ban đầu của dòng điện i , i 1 2: tại t = 0 (Ibd1); tại t = t1 (Ibd2).
R u : Hằng s ốthời gian điệ ừ ủa mạch.n t c
Quá trình tăng giảm dòng điện trên đồ thị đã xác lập các trạng thái hoạt động của hệ thống Trong đó, động cơ một chiều có ba chế độ dòng điện chính: dòng điện liên tục, dòng điện biên liên tục và dòng điện gián đoạn.
Để xây dựng đặc tính cơ của động cơ một chiều với ba chế độ dòng điện, cần phải xác định ba vùng riêng biệt và sau đó kết hợp chúng lại để tạo thành đặc tính cơ hoàn chỉnh.
• Sơ đồ thay th v i giá tr trung bình (m t chi u) ế ớ ị ộ ề
Utb = U: Điện áp trung bình của nguồn đặt vào động cơ.
• Phương trình cân bằng điện áp và đặc tính cơ điện, đặc tính cơ
• Phương trình cân bằng điện áp (K2) γU = E + IR∑
• Đặc tính cơ điện: ω = Kφ γU đm− Kφ R ∑ đm I (0.23)
Coi Mđt = Mcơ = M = KđmI, thay vào phương trình đặc tính cơ điện ta có: ω = Kφ đm γU − (Kφ ) R ∑ đm 2 M (0.24)
Tốc độ không tải lý tưởng gi ả tưởng (không có thật). ω0 ′= γU
Kφđm Đường đặc tính hệ XA đơn:| |βXA= (Kφ R ∑ đm ) 2 = const, n u coi ngu n áp có Rế ồ b ≈ 0 thì: |β| XA =|β| TN >|β| F−Đ >|β| T−Đ
Khi thay đổ ừ (0i t -1) ta s có hẽ ọ đường đặc tính co song song v i nhau vìớ |β|XA const
- Chế độ dòng biên liên t c ụ Ở chế độ dòng biên liên tục ta có: i1(t=0)=i (t2 2) = 0 Để xác định dòng biên liên tục (IBLT) ta có m t sộ ố gi ảthiết như sau:
+ Dòng điện i1(t), i2(t2) tăng, giảm tuyến tính vì T nh CK ỏ(thực tế tăng giảm theo hàm mũ) + Khai tri n hàm Taylor ch l y hai s hể ỉ ấ ố ạng đầu : e −t1/Tu ≈ 1 − t 1
IBLT= R.2T Uγ(1−γ) u TCK= I γ(1−γ) nm 2T u TCK ω BLT = Kφ Uγ đm− Kφ R ∑ đm IBLT (0.25) Trong đó Inm=U/R
Với hệ Xung áp – Đ đã biết từ ệ phương trình trên cho ta thiết lậ h p các quan h ệsau: γ → I 1 BLT1→ ωBLT1→ MBLT1= KφđmIBLT1 γ2→ IBLT2→ ωBLT2→ MBLT2= KφđmIBLT2 γn→ IBLTn→ ωBLTn→ MBLTn= KφđmIBLTn
Trong n điểm có ba điểm đặc bi t ệ γ = 1 → I1 BLT1= 0 γ = 0 → I1 BLT1= 0 γ = 0,5 → I 1 BLT1 = I BLTmax
V y khi ậ thay đổi từ (0 ÷1) điểm B(BLT, IBLT) sẽ di chuy n trên m t cung elip bi u ể ộ ể di n bễ ằng nét đứt.
-Chế độ dòng gián đoạn
Tương tự như hệ T – Đ, hệ xung áp – động cơ một chiều để xác định đặc tính cơ ở vùng gián đoạn chỉ cần hai điểm Một điểm nằm trên đường biên liên tục, và điểm còn lại được xác định với công thức: ω0 = Kφ 1 dm limE I⇒0 = U.
Kφ dm ω0 không ph thuụ ộc vào đ ộộ r ng xung () trừ = 0
27 Đến đây ta có thể xây dựng được hoàn chỉnh đặc tính cơ của hệ xung áp – động cơ một chiều
Hình 1.14 Đặc tính cơ chế độ dòng gián đoạn
1.2.3.2 H truyệ ền động xung áp – đảo chi u ề a) Sơ đồ nguyên lý Để đả o chi u quay cề ủa động cơ có nhiều sơ đồ, thông dụng ta có sơ đồsau:
Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý h ệ xung áp đảo chi u ề
+ T1 → T4: van điều khi n hoàn toàn (Gể TO hoặc IGBT)
+ D 1→ D4: Điốt đểtrả năng lượng t từ ải về nguồn
+ Co: Kho điện để nhận năng lượng và gi ữ điện áp không đổi, nếu ngu n là cquy ồ ắ thì không cần C o
TÍNH TOÁN L A CH Ự ỌN MẠCH ĐỘNG LỰC
GIỚ I THI U CHUNG V M Ệ Ề ẠCH ĐIỀU KHIỂN
Để các van thyristor hoạt động đúng theo yêu cầu, cần có điện áp thuận tại thời điểm mở van và điện áp điều khiển trên điện cực điều khiển và katôt Để tạo ra các tín hiệu điều khiển này, người ta sử dụng mạch điện điều khiển, hay còn gọi là hệ thống điều khiển chỉnh lưu Điện áp điều khiển phải đáp ứng các yêu cầu về công suất, biên độ và thời gian Thông số của tín hiệu điều khiển được cung cấp trong tài liệu kỹ thuật Đặc điểm của thyristor là khi van đã mở, tín hiệu điều khiển không còn ảnh hưởng đến dòng qua van, do đó, để giảm công suất của mạch phát tín hiệu điều khiển, người ta thường sử dụng các tín hiệu điều khiển dạng xung Các xung này được tính toán về độ dài sao cho đủ thời gian mở van với mọi loại phụ tải, thường có độ dài từ 200 μs trở lên.
Các h ệthống phát xung điều khi n b ể ộchỉnh lưu hiện nay đang sử ụ d ng có th phân ể làm 2 nhóm:
Nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ bao gồm các hệ thống mà xung điều khiển được phát trên điện cực của các thyristor vào thời điểm cần thiết để mở van, với chu kỳ thường dựa trên chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu Trong một số trường hợp, chu kỳ của xung có thể bằng 1/2 chu kỳ điện áp nguồn Hiện nay, nhóm hệ thống điều khiển này đang được sử dụng phổ biến Trong chương trình môn học này, chúng ta sẽ tập trung nghiên cứu các hệ thống điều khiển thuộc nhóm này.
Nhóm các hệ thống điều khiển không đồng bộ tạo ra các xung điều khiển không tuân theo giá trễ góc điều khiển Những hệ thống này phát ra chuỗi xung điều khiển với tần số cao hơn nhiều so với tần số nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu Trong quá trình hoạt động, tần số xung được tự động điều chỉnh để đảm bảo rằng một đại lượng đầu ra nào đó, như Ud hoặc Id, không thay đổi Để đạt được điều này, người ta thực hiện điều khiển theo sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu thực tế của đại lượng cần ổn định Do đó, các hệ thống phát xung này phải hoạt động dưới dạng hệ thống có phản hồi, tức là hệ thống kín Các hệ thống điều khiển này tương đối phức tạp và sẽ không được xem xét ở đây.
Các h ệthống điều khiển đồng b ộ thường s d ng hi n nay bao g m: ử ụ ệ ồ
* H ệthống điều khi n chể ỉnh lưu theo nguyên tắc khống ch ế pha đứng
* H ệthống điều khi n chể ỉnh lưu theo nguyên tắc khống ch pha ngang ế
* H ệthống điều khi n ch nh lể ỉ ưu dùng điôt hai cực gốc (transitor mộ ết ti p giáp)
3.1.1 H ệthống điều khiển pha đứng
Hình 1.23Sơ đồkhố ệi h thống điều khiển pha đứng
Khi nghiên cứu các mạch phát xung theo nguyên tắc ắc pha, có thể phân chia các mạch điện hệ thống thành các khối có chức năng khác nhau, như thể hiện trong sơ đồ hình 1.23.
Khối đồng bộ hóa (ĐBH) thường sử dụng biến áp để tạo ra điện áp đồng bộ hóa Biến áp này giúp cách ly điện áp cao của mạch động lực với mạch điều khiển, mang lại sự an toàn cho hệ thống Một trong những ưu điểm nổi bật của BA ĐBH là khả năng thay đổi các thông số như tính, pha và cuộn dây một cách dễ dàng.
Khối tạo sóng răng cưa (SRC) tạo ra điện áp tựa để so sánh với điện áp điều khiển khởi động 3, thường được xuất ra dưới dạng điện áp răng cưa Khối so sánh (SS) thực hiện việc so sánh điện áp tựa (điện áp răng cưa) với U điều khiển, và giao điểm của hai điện áp này xác định góc mở α Do đó, đầu ra của khối so sánh này sẽ xác định góc điều khiển.
+ Khối t o xung (TX):ạ Xác định độ ộng, độ r dốc, công suất xung (biên độ) thỏa mãn để ở m T.
+ Khối phân chia xung (PCX): Dẫn xung đến các T Thông thường dùng BAX cuộn sơ bên TX và cuộn thứ bên T
- Phương pháp này tuy có mạch phát xung ph c tứ ạp nhưng đáp ứng được các yêu cầu chi tiêu chất lượng
- Độ ộng xung đảm bả r o yêu c u làm viầ ệc
Góc mở của thyristor có thể điều chỉnh trong khoảng rộng, giúp đảm bảo độ chính xác và tin cậy trong quá trình hoạt động Độ nhạy cao cùng với hệ số khuếch đại phù hợp là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất làm việc.
- Có th ể điều khiển được hệ có công su t l n ấ ớ
Loại mạch điều khiển này phức tạp hơn so với loại nhiều kênh, nhưng xung điều khiển ở các van có độ đối xứng cao hơn, do đó thường được sử dụng, đặc biệt khi yêu cầu về chất lượng đối với bộ chỉnh lưu là cao.
3.1.2 H ệthống điều khiển pha ngang
Phương pháp này tạo ra điện áp điều khiển hình sin với tần số ổn định, tương ứng với điện áp nguồn và góc pha có thể điều chỉnh Xung điều khiển xuất hiện đồng thời với góc pha đầu của điện áp điều khiển.
- Phạm vi điều ch nh góc m h p Hiện nay chỉ còn dùng 2 phương pháp cuối c) Đặc điểm
- Nếu là răng cưa sườn lên thì giữa điện áp răng cưa và góc điều khiển ∝tỉ lệ thuận với nhau, điện áp lớn thì góc cũng lớn.∝
Mối quan hệ giữa góc điều khiển α và điện áp chỉnh lưu trên tải tuân theo quy luật tỉ lệ nghịch, cụ thể là khi α tăng, điện áp U d sẽ giảm, theo công thức Ud = Ud0cosα.
Việc tăng điện áp điều khiển sẽ dẫn đến giảm điện áp chỉnh lưu, điều này có thể gây khó khăn cho mạch điều chỉnh tự động Để mối quan hệ này trở nên thuận lợi, cần có các biện pháp điều chỉnh phù hợp.
Mạch tạo răng cưa tuyến tính hai nửa chu kỳ sử dụng khuếch đại thuật toán, với giá trị điện áp điều khiển lớn tương ứng với điện áp đầu ra lớn, cần thiết phải tạo ra dạng răng cưa đi xuống.
Mạch tạo răng cưa sử dụng OA ngày càng được ưa chuộng nhờ khắc phục những nhược điểm của mạch sử dụng transistor, đặc biệt là sự phụ thuộc vào điện áp đồng pha trong quá trình mở và khóa bóng Điều này giúp giảm thiểu biến động của điện áp răng cưa theo điện áp lưới xoay chiều, từ đó cải thiện góc điều khiển α và phạm vi điều chỉnh Hơn nữa, độ tuyến tính của răng cưa cũng được nâng cao hơn so với các mạch truyền thống.
Hình 1.27Tạo răng cưa tuyến tính hai n a chu k dùng OA ử ỳ
Tính toán giá trị trễ mạch răng cưa hai nửa chu kỳ, với biên độ UrcmaxV và điện áp đồng pha UđpV, tần số fPHz Phạm vi điều chỉnh góc điều khiển đạt khoảng 168 độ.
TÍNH TOÁN THI ẾT BỊ M ẠCH ĐIỀ U KHI ỂN
3.2.6 M ch t o ngu n nuôi và tín hiạ ạ ồ ệu điều khiển.
Mạch tạo điện áp ổn định cung cấp nguồn nuôi và tín hiệu điều khiển cho mạch điều khiển và mạch tạo điện áp chủ đạo được thiết kế dựa trên sơ đồ nguyên lý mạch.
Mạch nguồn nuôi sử dụng hai sơ đồ chỉnh lưu hình cầu ba pha bằng điốt Sau khi được chỉnh lưu thành điện áp một chiều, điện áp này được lọc qua các tụ C5 và C6, sau đó ổn áp bằng hai IC 7815 (+15V) và 7915 (-15V) Tín hiệu này tiếp tục được lọc qua các tụ C7-9 và C8.
10 Sau khi qua b lộ ọc ta được tín hiệu điện áp ngu n nuôi là (+15V) và (-15V) Ngoài ra ta ồ ph i thi t k thêm hai ngu n (+24V) và (-24V) nh m cung cả ế ế ồ ằ ấp cho các IC để làm ngu n ồ nuôi cho các vi m ch và làm nguạ ồn điện áp ngưỡng khi điện áp s t quá m c cho phép (lúc ụ ứ đó hai nguồn +15V và -15V không đủ cung cấp cho các IC ).
3.3 TÍNH TOÁN THI T B MẾ Ị ẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.3.1 Chọn máy biến áp đồng pha hỞ ệ thống này ta thi t kế ế 3 kênh điều khi n dùng máy biể ến áp đồng b 3 pha và k t h p ộ ế ợ với mạch dịch pha.
Máy biến áp đồng b là loại máy biến áp 3 pha nội bộ Y/Yo với điện áp thứ cấp Uđm = 24 (V) Trên biến áp được lắp đặt thêm 3 cuộn dây thứ cấp để cung cấp điện cho nguồn nuôi Chúng tôi đã chọn công suất mỗi máy BAX là 5 (W) và trong sơ đồ sử dụng 12 BAX, đồng thời tính toán công suất nguồn nuôi cho các khối khác Do đó, công suất của máy biến áp đồng b được xác định là phù hợp với yêu cầu.
M ch dạ ịch pha để ịch pha điện áp đồ d ng b Uộ đb chậm sau điện áp đồng b Uộ dbo m t góc ộ
30 M ch này s d ng các linh ki n R , R , C o ạ ử ụ ệ o 1 ođể ạ t o góc l ch pha 30 Ta ch n R = 2,7 ệ o ọ o
3.3.2 Chọn các Tranzitor mở ạch điều khiển. m ch t o xung ch nhỞ ạ ạ ữ ật đồng pha khóa kh ng ch m ch tích phân và Tranzitor m ch ố ế ạ ạ sửa xung chọn lo i KT201A có các thông s k ạ ố ỹthuật sau :
3.3.3Tính ch n bi n áp xung (BAX) ọ ế
Yêu cầu đối với việc biên áp xung là phải tạo ra xung theo yêu cầu, cách ly mạch điều khiển với mạch lực, nhằm phân phối xung tới các thiết bị điều khiển như Tiristo.
Thông thường máy biến áp xung được thiết kếcó tỉ ố ế s bi n áp là n = 2 3
Khi tính Tiristo có U = 7 (V); I = 0,3 (A) nên ta ch n U = 7 (V); I = 0,3 (A) đk g ọ 2 2
Do đó điện áp đặt lên cuộn sơ cấp là :
M ch t c a BAX ch n v t liạ ừ ủ ọ ậ ệu là Э330 hình chữ E có 3 tr làm vi c trên m t phụ ệ ộ ần đặc tính từ hoá B = 0,7 (tesla), H = 50 (A/m)
- Độ t ừthẩm của lỏi sắ ừt t :
Vì có khe h nên ph i tính tở ả ừ thẩm trung bình sơ bộ chiều dài đường s c t l= 0,1(m) ứ ừ khe h l = 10ở kh -5(m). μtb= 1 lkh+ lμ= 1
I2′:là dòng thứ cấp quy đổ ề i v phía sơ cấp BAX
Tra bảng II-2 Điện t ửcông suất ta chọn kích thước chuẩn c a máy biủ ến áp xung như sau.
Q = 9,22 (cm 2 ); l ,03 (cm); a= 1,2 (cm); c= 1,2 (cm); h= 3 (cm); H = 4,2 (cm);
Hình 1.33 Máy biến áp xung
- S vòng dây cuố ộn sơ cấp BAX
V i k = 0,76 là h s lớ ệ ố ấp đầy Suy ra s vòng dây cu n th c p BAX ố ộ ứ ấ
CHƯƠNG 4 MÔ PH NG , KH O SÁT HỆ THỐNG Ỏ Ả
K T Ế QUẢ MÔ PH NG,KH O S Ỏ Ả ÁT
Hình 1.34 Sơ đồ mạch l c cự ầu 3 pha
Hình 1.35 Khảo sát mạch lực
Nhận xét cho thấy rằng trong quá trình hoạt động của thyristor, điện áp tại thiết bị phụ thuộc vào điện áp giữa hai pha nguồn Dòng điện tải sẽ tăng dần cho đến khi đạt trạng thái ổn định Điều này xảy ra vì vị trí của thyristor ảnh hưởng đến dòng điện, và sự thay đổi không diễn ra đột ngột Khi chuyển mạch, dòng tải sẽ tiếp tục tăng cho đến khi ổn định, với hình dạng gần như một đường thẳng.
Tín hi u ra cệ ủa dòng điện và điện áp của tải phù hợp v i tính toán ớ ở chương 2.
69 4.1.2 Mô phỏng mạch điều khiển
Hình 1.36 Kênh điều khi n pha A ể
Hình 1.37 Khảo sát kênh điều khi n pha A ể
Nhận xét về thyristor T1 và T4 của pha A trong mạch điện xoay chiều cho thấy các pha còn lại cũng có đặc điểm tương tự Nhờ vào khâu tách xung, mỗi thyristor chỉ nhận xung điều khiển trong một chu kỳ cụ thể của điện áp xoay chiều Điều này đảm bảo khả năng chịu điện áp ngược của thyristor, giúp chúng hoạt động hiệu quả với điện áp xoay chiều cao.
Tín hiệu ra c a tủ ừng khâu đã phù hợp so với tính toán ở chương 3.
71 4.1.3 Mô ph ng toàn b m ch ỏ ộ ạ
ĐÁNH GIÁ KẾT LUẬN
- Tất cả các van đều được phát xung
- Thời gian phát xung đúng theo yêu cầu
- Kết quả mô phỏng đã đáp ứng đúng yêu cầ đều ra
Sau một thời gian nghiên cứu và thực hiện đồ án “Thiết kế hệ thống truyền động điện BBĐ van – Động cơ một chiều không đảo chiều sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha”, chúng tôi đã đạt được những kết quả quan trọng Đồ án này không chỉ giúp nâng cao hiểu biết về hệ thống truyền động điện mà còn ứng dụng các công nghệ hiện đại trong thiết kế và vận hành Việc sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha đã tối ưu hóa hiệu suất làm việc của động cơ, đồng thời đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy trong quá trình hoạt động.
1 Ph t i MC = h ng s mang tính ch ụ ả ằ ố ấ t ph ả n kháng
2 Động cơ mộ t chi ề u kích t ừ độ c l ập có: Pđ = 3,2 KW; nđ = 1500vg/ph
3 BBĐ dùng sơ đồ ch ỉnh lưu hình cầ u 3 pha
4 Ph ạm vi điề u ch nh D = 50:1; sai l ỉ ệh tĩnh [s] = 0,1 k t lu
Em có một số ế ận như sau:
Trong quá trình thực hiện đồ án dưới sự hướng dẫn của thầy Mai Văn Duy, chúng em đã hoàn thành đề tài thiết kế hệ thống điện BBĐ cho van và động cơ một chiều không đảo chiều quay Thực hiện đề tài này đã mang lại cho chúng em nhiều kết quả quý giá.
Hiểu rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều giúp bạn lựa chọn và tính toán loại động cơ có công suất phù hợp và tối ưu nhất cho nhu cầu sử dụng.
Thông qua việc thiết kế và nghiên cứu về bộ điều chỉnh dùng sơ đồ hình chữ U 3 pha, tôi đã tối ưu hóa quá trình điều chỉnh thông số Kinh nghiệm này giúp tôi nâng cao kỹ năng thiết kế, tính toán mạch lạc và hiểu rõ các thành phần liên quan, từ đó có thể hoàn thành các đề tài khác một cách hiệu quả hơn trong tương lai.
Thông qua việc mô phỏng mạch lạc và mạch điều khiển, bạn có thể tìm hiểu thêm về nhiều phần mềm ứng dụng dùng để mô phỏng và thiết kế mạch như PSIM, Proteus và MATLAB.
- Giúp em rèn luyện được kĩ năng tư duy độ ậc l p , sáng t o và h c h i thêm m t s k ạ ọ ỏ ộ ố ỹ năng hữu ích để phục vụ cho sau này.
- Tuy nhiên trong quá trình tính toán do th i gian và khờ ả năng , kinh nghiệp còn h n ạ chế nên khó có thể tránh khỏi mắc phải các thiếu sót
Em xin chân thành cảm ơn thầy Mai Văn Duy đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành môn Đồ án điện tử công suất và ứng dụng.
Sinh viên thực hi n ệ Đinh Việt Anh
