Hiết kế hệ thống truyền Động Điện bbđ van – Động cơ một chiều không Đảo chiều quay

- Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng.. - Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tếp với phần ứng..

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BBĐ VAN – ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KHÔNG ĐẢO CHIỀU QUAY

Họ và tên sinh viên: ĐOÀN THANH TÙNG

Lời Cảm Ơn

Đồ án điện tử công suất và ứng dụng là môn học giúp cho sinh viên ngành điều khiển

và tự động hoá tổng hợp và vận dụng hiệu quả những kiến thức đã học, đúc kết kinhnghiệm cho những đồ án sau này nói riêng và các môn chuyên ngành nói chung.Trong quá trình thực hiện đồ án của mình, em luôn được sự quan tâm, hướng dẫn tậntình của của các giảng viên trong khoa điện cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình từ bạn bè vàcác anh chị khoá trên

Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy Phạm Văn Huy đã trực tiếphướng dẫn và chỉ bảo cho em những kiến thức quan trọng để hoàn thành đồ án môn họccủa mình

Đồng thời, em muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, cô giáo trong khoa điện

đã tạo điều kiện để em học tập, nghiên cứu thêm về chủ đề nghiên cứu của mình Xincảm ơn các bạn và các anh chị khoá trên đã tận tình giúp đỡ em trong thời gian hoànthành đồ án này

Do trình độ lý luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế cho nên cuốn đồ ánnày không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong các thầy, cô xem xét và góp ý để

em học thêm được nhiều kinh nghiệm và để các đề tài đồ án sắp tới của em có thể hoànthiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

L ỜI C ẢM Ơ N 2

C HƯƠNG 1: P HÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN , .4

1.1 L ỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG 4

1.1.1 Đặt vấn đề 4

1.1.2 Động cơ điện một chiều 4

1.2 P HÂN TÍCH CHỌN ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG 11

1.2.1 Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng 12

1.2.2 Thay đổi điện áp cấp cho mạch phần ứng 13

1.2.3 Thay đổi từ thông kích từ 15

1.2.4 Nhận xét lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ 16

1.3 P HÂN TÍCH LỰA CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU 16

1.3.1 Phân tích hệ thống van – động cơ (T – Đ) 17

1.3.2 Phân tích hệ thống máy phát động cơ (F – Đ) 19

1.3.3 Phân tích hệ thống xung áp động cơ (ĐXA – Đ) 21

1.4 Đ ÁNH GIÁ LỰA CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI , .29

C HƯƠNG 2: T ÍNH TOÁN LỰA CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC 30

2.1 B Ộ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU HÌNH CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN 30

2.1.1 Sơ đồ nguyên lý 30

2.1.2 Nguyên lý làm việc 30

2.2 T ÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC 33

2.2.1 Tính toán chọn máy biến áp động lực 33

2.2.2 Tính toán lựa chọn van Tiristor 35

2.2.3 Tính toán bộ lọc và chọn thiết bị bảo vệ 35

C HƯƠNG 3: T ÍNH TOÁN LỰA CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 39

3.1 G IỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 39

3.1.1 Khái niệm chung 39

3.1.2 Hệ thống điều khiển pha đứng 40

3.1.3 Hệ thống điều khiển pha ngang 41

3.1.4 Hệ thống điều khiển dùng diot hai cực gốc 42

3.1.5 Đánh giá lựa chọn hệ thống điều khiển 42

3.2 T HIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 42

3.2.1 Khối đồng bộ hóa 42

3.2.2 Khâu tạo điện áp răng cưa 45

3.2.3 Khối so sánh 47

3.2.4 Khối tạo xung chùm 49

3.2.5 Khối tách xung và khuyếch đại xung 51

3.2.6 Mạch tạo nguồn nuôi và tín hiệu điều khiển 54

3.3 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 55

3.3.1 Tính chọn biến áp xung (BAX) 55

3.3.2 Tính chọn Tranzitor tầng khuếch đại cuối cùng 56

3.3.3 Tính chọn máy biến áp đồng pha 56

3.3.4 Chọn các Tranzitor ở mạch điều khiển 57

3.3.5 Các vi mạch khuếch đại thuật toán trong mạch tích phân 57

3.3.6 Tính chọn bộ khuếch đại trung gian 58

Chương 4: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 4.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐỘNG LỰC 4.2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.3 SƠ ĐỒ NUYÊN LÝ TOÀN HỆ THỐNG C HƯƠNG 5: M Ô PHỎNG KHẢO SÁT HỆ THỐNG , .62

5.1 K ẾT QUẢ MÔ PHỎNG KHẢO SÁT , .62

5.1.1 Mô phỏng mạch động lực 62

5.1.2 Mô phỏng mạch điều khiển 63

5.1.3 Sơ đồ mô phỏng toàn mạch trên Psim 63

5.2 Đ ÁNH GIÁ KẾT LUẬN , .65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

Chương 1: Phân tích, lựa chọn phương án truyền động điện 1.1 Lựa chọn phương án truyền động.

1.1.2 Động cơ điện một chiều.

Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính dùng để cải thiện tình trạng

của máy điện và đổi chiều Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trênthân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn của cực từ chính Cực

từ phụ được gắn vào vỏ nhờ bulông

Gông từ: Gông từ dùng để làm mạch nối các cực từ

Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và

đảm bảo cho người khỏi chạm phải điện Trong máy điện nhỏ và vừa, nắp máy còn cótác dụng làm giá đỡ ổ bi, trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang

Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài

- Phần quay (rotor):

Lõi sắt phần ứng: Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ Thường dùng những tấm thép

kĩ thuật điện dày 0.5 mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao

do dòng điện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặtdây quấn vào.

Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua Dây quấn

phần ứng thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ (côngsuất dưới vài KW) thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa và lớn,thường dùng dây có tiết diện hình chữ nhật Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnhcủa lõi thép

Cổ góp: Cổ góp dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành dòng điện mộtchiều

Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy

Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp cánh quạt, ô bi Thường làm bằng

thép cacbon tốt

1.1.2.2 Phân loại động cơ điện một chiều.

Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người taphân loại theo cách kích thích từ các động cơ Theo đó ta có 4 loại động cơ điện mộtchiều thường sử dụng:

- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ

hai nguồn riêng rẽ

- Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song

với phần ứng

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tếp với

phần ứng

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, một cuộn mắc

song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng

Vì động cơ một chiều kích từ hỗn hợp có cấu tạo phức tạp, giá thành vô cùng đắt nên

ta không xét đến vì không phù hợp với tiêu chí về kinh tế Ta chỉ xét động cơ một chiềukích từ nối tiếp và động cơ một chiều kích từ độc lập

a) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp:

Đặc điểm của động cơ một chiều kích từ nối tiếp là cuộn kích từ mắc nối tiếp vớicuộn dây phần ứng, nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ

Nếu phản ứng phần ứng được bù đủ: φ = C.Iư (0.5)

Thế vào phương trình (0.3) ta nhận được:

Thay (0.7) vào (0.6) ta được:

Hình 1.1.2 Đặc tính từ hóa của ĐCMC kích từ nối tiếp

Biểu thức (0.6) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ và (0.8) là phươngtrình đặc tính cơ của động cơ Dạng của đặc tính này được biểu diễn trên hình 1.1.3 Tathấy các đặc tính này có dạng hypebol và mềm ở phạm vi dòng điện có giá trị nhỏ hơnđịnh mức ở vùng dòng điện lớn, do mạch từ bão hòa nên từ thông gần như không đổi và

đặc tính cơ có dạng gần tuyến tính

Hình 1.1.3 Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của ĐCMC kích từ nối tiếp Giả thiết động cơ không tải (I = 0 hoặc M = 0) thì tốc độ không tải lý tưởng sẽ là vôcùng lớn Nhưng thực tế do có ma sát, các tổn thất phụ và động cơ có từ dư:

φ = (2÷10)φ’ nên khi không tải thì tốc độ không tải của động cơ vẫn có giá trị là:dư đm

ω kt= U u

Kφ du

Tốc độ ω này thường rất lớn so với tốc độ định mức, nên thực tế không cho phépotđộng cơ một chiều kích từ nối tiếp làm việc ở chế độ không tải

Ngoài ra nhìn vào đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp và cấu tạo của

nó ta có nhận xét sau:

- Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp mềm và độ cứng thay đổi theophụ tải Do đó thông qua tốc độ của động cơ ta có thể biết được sự thay đổi của phụ tải.Tuy nhiên không nên sử dụng động cơ này cho những truyền động có yêu cầu ổn địnhcao mà nên sử dụng nó cho những truyền động có tốc độ thay đổi theo tải

- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mômen Do cuộnkích từ nối tiếp nên ở phần dòng điện phần ứng lớn hơn định mức thì từ thông động cơlớn hơn định mức, do đó mômen của nó tăng nhanh hơn so với sự tăng của dòng điện.Như vậy với mức độ quá dòng điện như nhau thì động cơ một chiều kích từ nối tiếp cókhả năng quá tải về mômen và khả năng khởi động tốt hơn động cơ một chiều kích từđộc lập Nhờ có ưu điểm đó mà động cơ một chiều kích từ nối tiếp rất thích hợp vớinhững truyền động làm việc thường có quá tải lớn và yêu cầu mômen khởi động lớn nhưmáy nâng vận chuyển, máy cán thép

- Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng nên khả năng chịu tảicủa động cơ không bị ảnh hưởng bởi sự sụt áp của lưới điện Loại động cơ này thíchhợp cho những truyền động dùng trong ngành giao thông có đường dây cung cấp điệndài

Từ nhận xét trên ta thấy động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp không phù hợp với yêu cầu nên chúng ta không chọn.

b) Động cơ điện một chiều kích từ song song.

Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạchkích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơkích từ song song

Hình 1.1.5 Sơ đồ nguyên lý của ĐCMC kích từ song song

Lúc đầu, máy không có dòng điện kích từ, từ thông trong máy do từ dư của cực từtạo ra bằng khoảng 2 ÷ 3 % từ thông định mức Khi quay phần ứng, trong dây quấnphần ứng sẽ có sđđ cảm ứng do từ thông dư sinh ra Sđđ này khép mạch qua dây quấnkích từ (điện trở mạch kích từ ở vị trí nhỏ nhất) sinh ra dòng điện kích từ, làm tăng từtrường cho máy Quá trình tiếp tục cho đến khi đạt đến điện áp ổn định

Để máy có thể tạo nên điện áp cần thiết phải có từ dư và chiều từ trường dây quấnkích từ phải cùng chiều từ trường dư Nếu không còn từ dư thì ta phải mồi để tạo từ dư,nếu chiều 2 từ trường ngược nhau thì ta phải đổi cực tính dây quấn kích từ hoặc đổichiều quay phần ứng

Phương trình cân bằng điện áp là:

Hình 1.1.6 Đặc tính ngoài U = f(I) và đặc tính điều chỉnh I = f(I).kt

Từ đường đặc tính ta thấy: Khi ngắn mạch, điện áp U = 0, I = 0, sđđ trong máy khikt

đó chỉ do từ dư sinh ra, vì thế dòng ngắn mạch In nhỏ so với dòng điện định mức Điềunày có nghĩa là sự cố ngắn mạch ở đầu máy phát kích từ song song không gây nguyhiểm như ở trường hợp máy phát kích từ độc lập

Để điều chỉnh điện áp, ta phải điều chỉnh dòng điện kích từ, đường đặc tính điềuchỉnh

Ikt = f(I) Khi U, n không đổi có dạng tương tự như trường hợp máy phát kích từ độc lậpnhưng dốc hơn vì ở máy phát kích từ song song thì khi tăng tải, điện áp sụt nhiều hơnnên mức độ tăng dòng điện kích từ phải nhiều hơn

Do đó, động cơ 1 chiều kích từ song song không phù hợp với yêu cầu nên chúng

ta không chọn.

c) Động cơ 1 chiều kích từ độc lập:

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng vàmạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau, lúc này động cơ được gọi làđộng cơ một chiều kích từ độc lập

- r : Điện trở cuộn dây phần ứng

- rct : Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp

- p : Số đôi cực từ chính

- N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng

- a : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

- ω: Tốc độ góc của động cơ (rad/s)

K= pN

2 πa là hệ số kết cấu của động cơ

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:

K−R u + R f

K I ư (0.16)

(0.16) chính là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi: Mđt = K.φ.Iu

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Hình 1.1.8 Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của ĐCMC kích từ độc lập Giả thiết phần ứng được bù đủ, tư thông φ = const, thì các phương trình đặc tính cơđiện (0.9) và phương trình đặc tính cơ (0.11) là tuyến tính Đồ thị của chúng được biểudiễn trên hình a và hình b là những đường thẳng

Theo các đồ thị trên, khi I = 0 hoặc M = 0 ta có:ư

Trong đó: R= R u +R f ; ω = u

K

∆ ω=R

K I ư= (K ) R2M

Với Δω được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M

Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ và đặc tính cơ điện trong hệ đơn vị tương đối, vớiđiều kiện từ thông là định mức (φ = φđm)

Do đó, để đáp ứng các chỉ tiêu mà yêu cầu hệ thống đã đặt ra thì chỉ có động cơ một chiều kích từ độc lập phù hợp để làm động cơ truyền động cho hệ thống.

1.2 Phân tích chọn động cơ truyền động.

Để thiết kế hệ truyền động phù hợp với yêu cầu người ta đưa ra nhiều phương ánkhác nhau, sau đó so sánh các phương án đó trên phương diện kinh tế kỹ thuật để chọn

ra phương án tối ưu nhất

Trong thực tế, đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập thường có 3 phươngpháp điều chỉnh tốc độ như sau:

- Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng

- Thay đổi điện áp cấp cho mạch phần ứng

- Thay đổi từ thông kích từ

1.2.1 Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng.

c) Các thông số đặc tính cơ.

Thay đổi điện trở mạch phần ứng bằng cách nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phầnứng Khi đó sẽ ảnh hưởng đến đặc tính cơ của động cơ Cụ thể đến các thông số đặc tính

cơ như sau:

- Tốc độ không tải lý tưởng:

Hình 1.2 SEQ Hình \* ARABIC 2 Các đặc tính cơ của

ĐCMC kích từ độc lập khi thay đổi (tăng) điện trở phụ.

Như vậy khi thay đổi điện trở phụ R ta có họ đặc tính biến trở có dạng như hìnhf1.2.2 Ứng với phụ tải M nào đó, nếu R càng lớn tốc độ động cơ càng giảm, độ sụt tốcc f

độ Δω tăng lên Đồng thời điện trở ngắn mạch, mômen ngắn mạch càng giảm và độcứng đặc tính cơ β mềm đi

Người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện khởi động vàđiều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản

1.2.2 Thay đổi điện áp cấp cho mạch phần ứng.

Khi thay đổi điện áp giảm đi so với U thì các thông số đặc tính cơ như sau:đm

- Tốc độ không tải lý tưởng:

- Tốc độ không tải lý tưởng:

- Momen ngắn mạch:

M nm =Kϕ x I nm=Var

Hình 1.2.6 Đặc tính cơ điện (a) và đặc tính cơ (b) của ĐCMC kích từ

độc lập khi giảm từ thông

d) Nhận xét.

Vì cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông Nên khi từthông giảm thì ω tăng, còn β sẽ giảm Ta có một họ đặc tính cơ với ω tăng dần và độxo xo cứng của đặc tính cơ β giảm dần khi giảm từ thông Dải điều chỉnh hẹp, sai lệch tĩnhtăng, tổn thất năng lượng nhỏ

Với dạng mômen phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì khi giảm

từ thông, tốc độ động cơ sẽ tăng lên Tuy nhiên, khi Φ giảm quá nhiều thì Iư tăng quálớn gây nên sụt áp trong mạch phần ứng tăng lên Do đó, công suất động cơ sẽ giảm vàtốc độ giảm

1.2.4 Nhận xét lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ.

Qua những phân tích cụ thể về 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ trên ta thấy mỗi phương pháp điều chỉnh đều có những ưu nhược điểm riêng phù hợp với từng yêu cầu công nghệ Căn cứ công nghệ của đề tài ta thấy phương pháp thay đổi tốc độ động cơ

bằng cách điều chỉnh điện áp mạch phần ứng động cơ có nhiều ưu điểm như:

- Điều chỉnh trơn và điều chỉnh vô cấp

- Sai lệch tĩnh nhỏ, trong toàn dải điều chỉnh

1.3 Phân tích lựa chọn bộ biến đổi chỉnh lưu.

Từ những phân tích ta đã chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổiđiện áp mạch phần ứng Phương pháp này là phải dùng bộ biến đổi BBĐ là một khâuquan trọng của hệ thống truyền động điện, nó là một trong những yếu tố quyết định đếnchất lượng của hệ thống Có 3 phương án cho BBĐ trong hệ thống truyền động điện:

- Hệ thống van – động cơ (T – Đ)

- Hệ thống máy phát động cơ (F – Đ)

- Hệ thống xung áp động cơ (ĐXA – Đ)

1.3.1 Phân tích hệ thống van – động cơ (T – Đ).

a) Sơ đồ nguyên lý.

Hình 1.3.1 Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế hệ T-Đ.

b) Nguyên lý làm việc.

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều khi thay đổi giá trị điện áp

Udk ta thay đổi được góc điều khiển α nhờ đó thay đổi được sức điện động của bộ biếnđổi E = E cos α Từ đó thay đổi được điện áp đặt vào mạch phần ứng động cơ U =b bm d F(α) và thay đổi được tốc độ động cơ

c) Các chế độ làm việc.

- Chế độ dòng liên tục:

Khi mô men tải Mt tăng thì dòng điện động cơ tăng dẫn đến năng lượng điện từ cũngtăng Nếu điện áp nguồn nhỏ hơn sức điện động thì năng lượng của cuộn dây lớn làmcho năng lượng xả ra đủ sức để duy trì dòng điện đến thời điểm mở van kế tiếp

U cl =U d 0 cos cos α

- Chế độ dòng gián đoạn:

Do mạch của động cơ có điện cảm và điện cảm ấy có tích lũy năng lượng Nếu dòngđiện nhỏ, lượng tích lũy năng lượng của cuộn dây nhỏ nên xả năng lượng nhỏ, vì vậyđiện áp của lưới nhỏ hơn sức điện động của động cơ năng lượng của cuộn dây xả ra đểđảm bảo anod dương hơn catod không đủ duy trì tính chất liên tục của dòng điện Lúcnày dòng điện qua van trở về 0 trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn

những đặc tính đó không thuộc nửa bên trái là do các van không cho dòng điện phảnứng đổi chiều Khi đó tốc độ không tải lý tưởng tùy thuộc vào góc điều khiển α.

- Chế độ dòng điện gián đoạn.

Khi làm việc ở chế độ dòng gián đoạn đường đặc tính cơ không là đường

thẳng mà là đường cong có độ cứng thấp hơn Biên giới vùng dòng điện gián đoạn làdòng phân cách giữa vùng dòng điện liên tục và dòng gián đoạn chính là tập hợp đườngtrạng thái biên độ Khi thay đổi góc α=(0-Π) gần đúng là đường ê líp có các trục chính

là trục tọa độ

e) Nhận xét.

- Ưu điểm của hệ (T-Đ):

Tác động nhanh, tổn thất ít, giảm tiếng ồn, kích thước trọng lượng nhỏ, nền móngkhông phức tạp, hiệu suất lớn, có khả năng điều chỉnh trơn với phạm vi điều chỉnh rộng

Hệ số khuyếch đại lớn nên dễ thiết lập hệ thống tự động vòng kín để mở rộng phạm viđiều chỉnh và cải thiện điều kiện làm việc của hệ

- Nhược điểm của hệ (T-Đ):

Khả năng linh hoạt chuyển đổi trạng thái làm việc không cao Khả năng quá tải về áp

và dòng kém Mạch điều khiển hệ đảo chiều khá phức tạp Sức điện động ra của bộ biến

đổi có độ đập mạch lớn nên phải dùng cuộn kháng lọc, làm tăng kích thước, giá thành,giảm độ cứng đặc tính cơ, giảm tác động nhanh… Hệ số cosφ của hệ nói chung là thấp Mặc dù có những nhược điểm như đã nêu ở trên nhưng phần ưu điểm của hệ T – Đcũng rất nhiều, nó có ý nghĩa quyết định, do vậy ngày nay đã thay thế hoàn toàn hệtruyền động

dòng kích từ máy phát F ta thay đổi được Sđđ E của máy phát Từ đó thay đổi đượcfđiện áp đặt lên phần ứng động cơ và thay đổi được tốc độ động cơ.

Khi thay đổi dòng kích từ máy phát F thì tốc độ không tải lý tưởng ω thay đổi còn0

độ cứng đặc tính cơ β thì giữ nguyên.fđ

- Ưu điểm của hệ F- Đ:

Linh hoạt chuyển đổi làm việc cả 4 góc phần tư, đặc tính động tốt, hệ số quá tải lớn

Do tốc độ được điều chỉnh trên mạch kích từ nên tổn hao nhỏ Nếu sử dụng 2 mạchvòng điều chỉnh tốc độ thì dải điều chỉnh đạt khoảng D = 10 ÷ 30

- Nhược điểm của hệ F- Đ:

Sử dụng nhiều máy điện quay nên hiệu suất thấp η = η η η , công suất lắp đặt lớnđs F Đkhoảng (4 ÷ 5) lần công suất động cơ Cồng kềnh chiếm diện tích lắp đặt, gây ồn, nềnmóng phức tạp Vốn đầu tư lớn, chỉ tiêu kinh tế thấp

1.3.3 Phân tích hệ thống xung áp động cơ (ĐXA – Đ).

Ngày nay hệ xung áp – động cơ được sử dụng rộng rãi, nhất là khi các yếu tố về độtin cậy, dễ điều chỉnh, độ ổn định, kích thước trọng lượng được đặt lên hàng đầu Cónhiều cách phân loại, ở đây ta phân theo hệ xung áp mạch đơn (không đảo chiều), hệxung áp đảo chiều

Đối với các bộ biến đổi công suất nhỏ (vài KW) và trung bình (hàng chục KW)người ta thường sử dụng bóng bán dẫn lưỡng cực IGBT Đối với công suất lớn (vài trămKW) người ta thường dùng GTO, cao hơn nữa dùng Tiristor Ở giáo trình này chỉ đề cậpđến van điều khiển hoàn toàn IGBT, GTO – chúng có ưu điểm là mở và khóa hoàn toànbằng xung (điều khiển hoàn toàn), khác với tiristor mở bằng xung, khóa phải dùng mạchkhóa (bán điều khiển) Nhược điểm của van điều khiển hoàn toàn là công suất nhỏ hơntiristor

1.3.3.1 Hệ xung áp đơn.

a) Sơ đồ nguyên lý.

Hình 1.3.4 Sơ đồ nguyên lý hệ XA đơn dùng Tiristor (trái) và dùng GTO (phải)

Từ sơ đồ nguyên lý trên ta có phương trình và đồ thị dòng áp sau:

Hình 1.3.5 Đồ thị dòng áp hệ XA đơn dùng GTO

Phương trình:

- Trong khoảng t1 GTO mở: U =E+R u i1+L u

d i1dt

- Trong khoảng t2 GTO khoá: 0=E+Ru i2+ L u

d i2dt

I1=U −E

R u ; I2=−U

R u : Các giá trị dòng điện xác lập của dòng điện i , i trong 1 2

khoảng t1, t2.

I , I : Giá trị ban đầu của dòng điện i , i : tại t = 0 (I ); tại t = t1 (Ibd1 bd2 1 2 bd1 bd2)

T u=L u

R u

: Hằng số thời gian điện từ của mạch

Quá trình tăng giảm dòng điện trên đồ thị vẽ cho trường hợp hệ đã làm việc xác lập Như vậy hệ xung áp – động cơ một chiều cũng có ba chế độ dòng điện: liên tục,biên

liên tục, gián đoạn

b) Đặc tính cơ của hệ thống.

Như trên ta đã biết vì hệ xung áp – động cơ một chiều có ba chế độ dòng điện nên đểxây dựng đặc tính cơ, tương tự hệ T – Đ ta cũng phải xây dựng ba vùng sau đó ghép lạithành đặc tính cơ hoàn chỉnh

Khi γ thay đổi từ (0-1) ta sẽ có họ đường đặc tính co song song với nhau vì

Hình 1.3.7 Đặc tính cơ hoàn chỉnh.

1.3.3.2 Hệ truyền động xung áp – đảo chiều.

a) Sơ đồ nguyên lý.

Để đảo chiều quay của động cơ có nhiều sơ đồ, thông dụng ta có sơ đồ sau:

Hình 1 19 Sơ đồ nguyên lý hệ xung áp đảo chiều

Trong đó:

T → T : van điều khiển hoàn toàn (GTO hoặc IGBT)1 4

D → D : Điốt để trả năng lượng từ tải về nguồn1 4

C : Kho điện để nhận năng lượng và giữ điện áp không đổi, nếu nguồn là ắcquy thìokhông cần Co

R , L : Điện trở, điện cảm của động cơ và của cuộn kháng lọc nếu cót t

E = Kφ ω: Sức điện động của động cơ một chiều kích từ độc lậpđm

b) Nguyên lý đảo chiều

Để đảo chiều quay động cơ có rất nhiều phương pháp:

Nếu Δ t1 −Δ t2>0 → U tb>0 - Động cơ quay thuận

Δ t1−Δ t2<0 → U tb<0- Động cơ quay ngược

Δ t1−Δ t2=0→ U tb=0 - Hãm động năng

Hình 1.3.8 Đồ thị điện áp phương pháp 1

- Phương pháp 2: (phương pháp điều khiển không đối xứng)

Động cơ quay thuận:

T1, T ngược pha trong một chu kỳ4

T3, T ngược pha trong một chu kỳ nhưng T khóa cả chu kỳ còn T mở cả chu kỳ.2 3 2

Động cơ quay ngược (phương pháp điều khiển không đối xứng)

T3, T ngược pha trong một chu kỳ2

T1, T ngược pha trong một chu kỳ nhưng T luôn khóa còn T luôn mở trong một chu 4 1 4kỳ.

Hình 1.3.9 Đồ thị điện áp phương pháp 2 (TH quay thuận)

t1

T CK∫0

t1

❑Udt =U Δ t1−Δ t2

T CK

T CK − Δt2 là thời gian mở tương đối của van 1, 3.

γ24=1−γ13 là thời gian mở tương đối của van 2, 4

Ta có đồ thị đặc tính cơ như hình:

- Ưu điểm hệ xung áp động cơ:

Hiệu suất cao vì tổn hao trong các van và mạch điều khiển nhỏ, mạch điều khiển đơngiản khi dùng van điều khiển hoàn toàn Chất lượng điện áp tốt hơn so với các bộ biếnđổi liên tục Kích thước gọn nhẹ nhất là khi dùng nguồn là động cơ Khi có nguồn cócông suất lớn ta có thể bỏ qua Rb do vậy độ đặc tính cơ cao Dễ thiết lập hệ thống tựđộng vòng kín (trong thực tế chỉ sử dụng vòng kín)

- Nhược điểm hệ xung áp động cơ:

Điện áp xung gây ra tổn thất phụ do thành phần xoay chiều gây ra Tần số đóng cắtlớn (f= 200-400 Hz) tạo ra nhiễu cho nguồn và thiết bị điều khiển Tồn tại vùng giánđoạn đặc tính cơ dốc, kém ổn định.

Ngày nay hệ xung áp – động cơ một chiều được sử dụng nhiều trong giao thôngđường phố, ô tô chạy điện

1.4 Đánh giá, lựa chọn bộ biến đổi.

Từ những phân tích cụ thể ưu nhược điểm của từng hệ thống ta thấy mổi hệ thốngđều có những ưu nhược điểm riêng phù hợp với từng công nghệ cụ thể từng hệ thốngtruyền

động Qua phân tích trên ta thấy hệ thống truyền động van - động cơ (T - Đ) có nhiều ưuđiểm nổi bật, phù hợp với yêu cầu đề tài

Chương 2: Tính toán lựa chọn mạch động lực.

2.1 Bộ biến đổi chỉnh lưu hình tia ba pha điều khiển hoàn toàn.

2.1.1 Sơ đồ nguyên lý.

Hình 2.1.1 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu hình tia ba pha

-BA là máy biến áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, trong sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 phathì cũng có thể không cần sử dụng BA nếu nguồn cung cấp có điện áp phù hợp với yêucầu của sơ đồ và không yêu cầu cách ly về điện giữa mạch động lực bộ chỉnh lưu vớinguồn điện xoay chiều

-Các van chỉnh lưu có điều khiển từ T1 ÷ T6 dùng để biến đổi điện áp xoay chiều 3pha bên thứ cấp BA là u , u , u thành điện áp một chiều đặt lên phụ tải u gồm Ra b c d d, Ld.Chỉ số của các van trong sơ đồ có khác so với trong sơ đồ tổng quát đã nêu: nhóm vankaôt chung thì ký hiệu như sơ đồ tổng quát còn nhóm van anôt chung thì có sự đổi vị trí -i , i , i : dòng các pha cuộn dây sơ cấp của BA.A B C

- i , i , i : dòng các pha cuộn dây thứ cấp của BA.a b c

Ta tạm giả thiết rằng : trước thời điểm t= 1=  thì trong sơ đồ van T3 đang dẫn dòng và các van khác còn ở trạng thái khoá , khi đó trên van T1 sẽ có điện áp thuận (vì uT1=ua-uc=uac , và tại t= 1=  thì uac>0 nên uT1>0) Tại t= 1=  thì T1có tín hiệu điều khiển, T1 có đủ hai điều kiện để mở nên T1 mở và uT1 giảm về bằng không Do uT1= 0 nên ud =ua , và từ sơ đồ ta xác định được điện áp trên T3 là uT3= ucua=uac , tại

1 thì uca < 0 tức là T3 bị đặt điện áp ngược nên khoá lại, van T2 thì vẫn khoá , do vậy trong khoảng tiếp sau 1 trong sơ đồ chỉ có van T1 dẫn dòng, khi T1 dẫn dòng:ud=ua ; iT1=id=Id ; iT2=0 ; iT3=0 ; uT1=0 ; uT2=uba ; uT3=uca

Đến t=5/6 thì ua = ub , đây là thời điểm mở tự nhiên đối với T2 nhưng T2 chưa

mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, do ua vẫn dương kết hợp với tác dụng cùng chiều củas.đ.đ tự cảm trong Ld mà T1 vẫn tiếp tục dẫn dòng Đến t= thì ua=0 và sau đó chuyển sang âm nhưng T2 còn chưa mở nên T1 vẫn tiếp tục làm việc nhờ s.đ.đ tự cảm của Ld (ở đây >300 )

Hình 2.1.2 Đồ thị dòng, áp pha a của bộ chỉnh lưu tia ba pha.

cấp ia , ib , ic ta viết các phương trình kiếc hốp 1 cho mạch điện đối với điểm trung tính cuộn dây sơ cấp và các phương trình kiếc hốp 2 cho 2 vòng mạch từ

Từ sơ đồ hình 2.13 ta có: ia=iT1 ; ib=iT2 ; ic=iT3

+ Khi van T2 dẫn dòng : ia=0; ib=0 ; ic= id và cũng viết các phương trình tương tự ta tìm được:

Ở đây : kba=w1/w2 là tỉ số máy biến áp Trong cả 3 khoảng tương ứng với 3 van làm việc ta đều có sức từ động (s.t.đ.) tổng hợp trong lõi thép các pha máy biến

áp là:

Các s.t.đ này hướng cùng một chiều nên không khép vòng trong mạch từ của máy biến áp mà khép vòng qua môi trường chung quanh máy biến áp Nếu dòng tải không được san phẳng (Ld) thì sẽ gây nên các tổn thất phụ trong phần vỏ kim loại bao quanh máy biến áp Mặt khác các s.t.đ một chiều này sẽ gây nên hiện tượng bão hoà từ , ảnh hưởng đến sự làm việc của máy biến áp Do vậy, để tránh bão hoà thì lõi thép của máy biến áp phải có kích thước lớn hơn so với tính toán

* Trường hợp máy biến áp nối /Y0: 

Sơ đồ nối dây máy biến áp trong trường hợp này như hình 2.14 Do cuộn dây máy biến áp nối nên dòng điện trong từng pha cuộn sơ cấp độc lập nhau Trong trường hợp này ta dựa vào nguyên lý hoạt động của máy biến áp ta có:

Trong đó ia , ib , ic là dòng điện tổng trong các cuộn dâythứ cấp máy biến áp; iAB , iBC , iCA là dòng điện trong các cuộn dây sơ cấp máy biến áp; Id/3 là thành phần một chiều của dòng điện trong mỗi cuộn thứ cấp Các dòng điện dây

iA , iB , iC (dòng điện lưới) được xác định như sau: