Khóa luận tốt nghiệp: Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều

MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1 1. Lý do chọn đề tài 1 2. Mục đích nghiên cứu 1 3. Đối tượng nghiên cứu 1 4. Phương pháp nghiên cứu 1 5. Cấu trúc đề tài 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2 1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều. 2 1.1.1 Cấu tạo 2 1.1.2 Nguyên lý hoạt động 4 1.1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều 4 1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập và song song 6 1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 15 CHƯƠNG II: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TRONG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 25 2.1 Bộ biến đổi chỉnh lưu 25 2.1.1 Chỉnh lưu không điều khiển 25 2.1.2 Chỉnh lưu điều khiển 30 2.2 Bộ biến đổi DCDC 37 2.2.1 Bộ băm xung một chiều 39 2.2.2 Biến đổi giảm áp (Buck Converter) 41 2.2.3 Bộ biến đổi tăng áp 46 2.2.4. Bộ biến đổi tăng – giảm áp một chiều 48 CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 50 3.1. Sơ đồ khối 50 3.1.1. Khối nguồn 50 3.1.2 Khối tạo xung 51 3.1.3 khối cách ly: 55 3.1.4 khối công suất 56 3.2 Kết quả khảo sát: 57 KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

LỜI CẢM ƠN

Bài khóa luận được hoàn thành với sự giúp đỡ tận tình của thầy Ths Phạm Khánh Tùng

giáo-Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Phạm Khánh Tùng đã

hướng dẫn em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy, cô tổ bộ môn Kỹthuật điện đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành đề tài của mình

Em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã quan tâm giúp đỡ emhoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày 22 tháng 03 năm 2016

Sinh viên thực hiện khóa luận

Trịnh Thị Mỹ Linh

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Cấu trúc đề tài 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2

1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 2

1.1.1 Cấu tạo 2

1.1.2 Nguyên lý hoạt động 4

1.1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều 4

1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập và song song 6

1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 15

CHƯƠNG II: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TRONG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 25

2.1 Bộ biến đổi chỉnh lưu 25

2.1.1 Chỉnh lưu không điều khiển 25

2.1.2 Chỉnh lưu điều khiển 30

2.2 Bộ biến đổi DC/DC 37

2.2.1 Bộ băm xung một chiều 39

2.2.2 Biến đổi giảm áp (Buck Converter) 41

2.2.3 Bộ biến đổi tăng áp 46

2.2.4 Bộ biến đổi tăng – giảm áp một chiều 48

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 50

3.1 Sơ đồ khối 50

3.1.1 Khối nguồn 50

3.1.2 Khối tạo xung 51

3.1.3 khối cách ly: 55

3.1.4 khối công suất 56

3.2 Kết quả khảo sát: 57

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong đời sống sản xuất động cơ điện được sử dụng rất rộng rãi, đặcbiệt là động cơ điện một chiều do có nhiều ưu điểm hơn cả Đặc biệt là trongcông nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng nhiều ở những nơi có yêucầu mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng ở phạm vi rộng

Do đó gắn liền với sử dụng động cơ điện một chiều là cách điều khiển tốc độđộng cơ sao cho phù hợp với nhu cầu của người sử dụng trong thực tế

Vì động cơ điện một chiều có đặc tính làm việc rất tốt trên các mặt điềuchỉnh tốc độ, phạm vi điều chỉnh rộng Do đó em lựa chọn đề tài “ Thiết kế,chế tạo mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều” nhằm tạo ra mạch điềukhiển tốc độ, chế độ làm việc của động cơ điện một chiều

2 Mục đích nghiên cứu

Thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ một chiều

3 Đối tượng nghiên cứu

Phương pháp điều khiển động cơ một chiều

4 Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu lý thuyết

 Nghiên cứu ứng dụng điện tử công suất

5 Cấu trúc đề tài

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo Nội dungchính của khóa luận được chia làm 3 chương :

Chương I : Tổng quan về động cơ điện một chiều

Chương II : Các bộ biến đổi trong điện tử công suất

Chương III: Tính toán và thiết kê bộ biến đổi điều khiển tốc độ

động cơ một chiều

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều.

1.1.1 Cấu tạo

a Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh vàphần động

- Phần tĩnh hay stato hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phậnsinh ra từ trường, nó gồm có:

+) Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ đượckích từ bằng nam châm điện), mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thépđặc) Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dâyđiện từ, các cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau

+) Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ vàdây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những láthép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trongđộng cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máynhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện vàmỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điệntrước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từnày được nối tiếp với nhau

+) Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính Lõi thép củacực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn

mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏmáy nhờ những bulông

+) Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thờilàm vỏ máy Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn vàhàn lại, trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện

+) Các bộ phận khác:

Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏngdây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ vàvừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường hợp này nắp máythường làm bằng gang

Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổithan bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổgóp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giáchổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, saukhi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại

- Phần quay hay rôto: Bao gồm những bộ phận chính sau

Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghép sátvào thành cổ góp nhờ lò xo

+) Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹthuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảmtổn hao do dòng điện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để saukhi ép lại thì đặt dây quấn vào

Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thônggió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục

Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành nhữngđoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió Khimáy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt

Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếpvào trục Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto Dùng giárôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto.

+) Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suấtđiện động và có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dâyđồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài Kw thườngdùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiếtdiện chữ nhật, dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép

Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm

để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakelit

+) Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện vớinhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn.Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp vàtrụ tròn cũng cách điện bằng mica Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàncác đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng

1.1.2 Nguyên lý hoạt động

Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện Cácthanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôtoquay, chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ chonhau Do có phiếu góp chiều dòng điện giữ nguyên làm cho chiều lực từ tácdụng không thay đổi Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng vớisuất điện động Eư chiều của suất điện động được xác định theo quy tắc bàntay phải, ở động cơ đổi chiều sđđ Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư đượcgọi là sức phản điện động Khi đó ta có phương trình: U = Eư + Rư.Iư

1.1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen củađộng cơ: ω = f(M)

Đặc tính cơ của động cơ điện chia ra đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơnhân tạo Dạng đặc tính cơ của mỗi loại động cơ khác nhau thì khác nhau

Đặc tính cơ tự nhiên: Đó là quan hệ ω = f(M) của động cơ điện khi cácthông số như điện áp, dòng điện của động cơ là định mức theo thông số đã đượcthiết kế chế tạo và mạch điện của động cơ không nối thêm điện trở, điện kháng

Đặc tính cơ nhân tạo: Đó là quan hệ ω = f(M) của động cơ điện khi cácthông số điện không đúng định mức hoặc khi mạch điện có nối thêm điện trở, điệnkháng hoặc có sự thay đổi mạch nối

Ngoài đặc tính cơ, đối với động cơ điện một chiều người ta còn sử dụngđặc tính cơ điện Đặc tính cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điệntrong mạch động cơ: ω = f(I) hay n = f(I)

Trong hệ TĐĐ bao giờ cũng có quá trình biến đổi năng lượng điện - cơ.Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng thái làm việc của động cơ điện.Người ta định nghĩa như sau: Dòng công suất điện Pđiện có giá trị dương nếu như

nó có chiều truyền từ nguồn đến động cơ và từ động cơ biến đổi công suất điệnthành công suất cơ Pcơ = M.ω cấp cho máy (sau khi đã có tổn thất ΔP).P)

Công suất cơ Pcơ có giá trị dương nếu mômen động cơ sinh ra cùng chiềuvới tốc độ quay, có giá trị âm khi nó truyền từ máy sản xuất về động cơ và mômenđộng cơ sinh ra ngược chiều tố độ quay

Công suất điện Pđiện có giá trị âm nếu nó có chiều từ động cơ về nguồn.Tuỳ thuộc vào biến đổi năng lượng trong hệ mà ta có trạng thái làm việccủa động cơ gồm:

Trạng thái động cơ và trạng thái hãm Trạng thái hãm và trạng thái động cơđược phân bố trên đặc tính cơ ω(M) ở 4 góc phần tư như sau:

- Góc phần tư I, III: Trạng thái động cơ

- Góc phần tư II, IV: Trạng thái hãm

Hình 1.1 - Các trạng thái làm việc của động cơ điện.

1.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập và song song

Nếu cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng được cấp điện bởi cùng một nguồnđiện thì động cơ là loại kích từ song song Trường hợp này nếu nguồn điện cócông suất rất lớn so với công suất động cơ thì tính chất động cơ sẽ tương tự nhưđộng cơ kích từ độc lập.

Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn dây phần ứng quay trong từtrường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng xuất hiện một sức điện động cảmứng có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ

rư - Điện trở cuộn dây phần ứng

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

.

K a

N P

Trong đó:

a

N P K

2

.



 là hệ số kết cấu của động cơ

Φ - Từ thông qua mỗi cực từ

p - Số đôi cực từ chính.

N - Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng

a - Số mạch nhánh song song của cuộn ứng

Hoặc ta có thể viết:

n K

Và: 260.n 9,n55



K K

55 ,

Từ hệ 2 phương trình (2.1) và (2.3) ta có thể rút ra được phương trình đặctính cơ điện biểu thị mối quan hệ ф = f(I) của động cơ điện một chiều kích từ độclập như sau:

u p u

K

R R K

R R K

Uu u p

2

) (  

R

Ru p

2

) ( 

  

Phương trình đặc tính cơ (2.7) có dạng hàm bậc nhất y = B + Ax, nênđường biểu diễn trên hệ tọa độ (M0ω) là một đường thẳng với độ dốc âm Đường

đặc tính cơ cắt trục tung 0ω tại điểm có tung độ:

Tốc độ ω0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng khi không có lực cản nào

cả Đó là tốc độ lớn nhất của động cơ mà không thể đạt được ở chế độ động cơ vìkhông bao giờ xảy ra trường hợp MC = 0

Hình 1.4 - Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khi phụ tải tăng dần từ MC = 0 đến MC = Mđm thì tốc độ động cơ giảm dần

từ ω0 đến ωđm Điểm A(Mđm,ωđm) gọi là điểm định mức

Rõ ràng đường đặc tính cơ có thể vẽ được từ 2 điểm ω0 và A Điểm cắt củađặc tính cơ với trục hoành 0M có tung độ ω = 0 và có hoành độ suy từ phươngtrình (2.7):

nm đm u

đm đm

R

U K M

Hình 1.5 - Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Mômen Mnm và Inm gọi là mômen ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch Đó

là giá trị mômen lớn nhất và dòng điện lớn nhất của động cơ khi được cấp điện

đầy đủ mà tốc độ bằng 0 Trường hợp này xảy ra khi bắt đầu mở máy và khi động

cơ đang chạy mà bị dừng lại vì bị kẹt hoặc tải lớn quá kéo không được Dòng điện

Inm này lớn và thường bằng: I nm  ( 10  20 ) I đm

Nó có thể gây cháy hỏng động cơ nếu hiện tượng tồn tại kéo dài

Ảnh hưởng của các thông số điện với đặc tính cơ

Phương trình đặc tính cơ (2.7) cho thấy, đường đặc tính cơ bậc nhất ω =f(M) phụ thuộc vào các hệ số của phương trình, trong đó có chứa các thông sốđiện U, Rp và ω Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng thông số này

 Trường hợp thay đổi điện áp phần ứng

Vì điện áp phần ứng không thể vượt quá giá trị định mức nên ta chỉ có thểthay đổi về phía giảm

Uư biến đổi; Rp = const; ω = const

Trong phương trình đặc tính cơ, ta thấy độ dốc (hay độ cứng) đặc tính cơkhông thay đổi:

const K

( 

Tốc độ không tải lý tưởng ω0 thay đổi tỷ lệ thuận với điện áp:

var

Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng ta được một họ các đường đặc tính

cơ song song với đường đặc tính cơ tự nhiên và thấp hơn đường đặc tính cơ tựnhiên

Hình 1.6 - Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

 Trường hợp thay đổi điện trở mạch phần ứng

Vì điện trở tổng của mạch phần ứng: RưΣ = Rư + Rưf nên điện trở mạchphần ứng chỉ có thể thay đổi về phía tăng Rưf

Uư = const ; Rưf = var; ω = const

Trường hợp này, tốc độ không tải giữ nguyên:

const K

Hình 1.7 - Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc

lập khi tăng điện trở phụ trong mạch phần ứng

 Trường hợp thay đổi từ thông kích từ

Uư = const ; Rưf = const; ω = var

Để thay đổi từ thông ϕ, ta phải thay đổi dòng điện kích từ nhờ biến trở Rktmắc ở mạch kích từ của động cơ Vì chỉ có thể tăng điện trở mạch kích từ nhờ Rktnên từ thông kích từ chỉ có thể thay đổi về phía giảm so với từ thông định mức

Trường hợp này, cả tốc độ không tải lý tưởng và độ dốc đặc tính cơ đềuthay đổi

var

0  



 K

Uu

var )

(  2 

Hình 1.8 - Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc

lập khi giảm từ thông kích từ

c Mở máy và đảo chiều quay

 Mở máy

Nếu khởi động động cơ ĐMđl bằng phương pháp đóng trực tiếp thì ban đầutốc độ động cơ còn bằng không nên dòng khởi động ban đầu rất lớn (Inm = Uđm/Rư

≈ 10 ÷ 20Iđm)

Như vậy nó đốt nóng mạnh động cơ và gây sụt áp lưới điện Hoặc làm cho

sự chuyển mạch khó khăn, hoặc mômen mở máy quá lớn sẽ tạo ra các xung lựcđộng làm hệ truyền động bị giật, lắc, không tốt về mặt cơ học, hại máy và có thểgây nguy hiểm như: gãy trục, vì bánh răng, đứt cáp, đứt xích Tình trạng càngxấu hơn nếu như hệ TĐĐ thường xuyên phải mở máy, đảo chiều, hãm điệnthường xuyên như ở máy cán đảo chiều, cần trục, thang máy

Để đảm bảo an toàn cho máy, thường chọn:

Ikđbđ = Inm ≤ Icp = 2,5IđmMuốn thế, người ta thường đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng ngaykhi bắt đầu khởi động, và sau đó thì loại dần chúng ra để đưa tốc độ động cơ lênxác lập

cp đm uf

u

đm nm

R R

U I





Công suất động cơ lớn thì chọn Imm nhỏ

Trong quá trình mở máy, tốc độ động cơ ω tăng dần, sức điện động củađộng cơ Eư=K.ϕ.ω cũng tăng dần và dòng điện động cơ bị giảm:

p u

u

R R

E U

Khi bắt đầu cấp điện cho động cơ với toàn bộ điện trở khởi động, mômenban đầu của động cơ sẽ có giá trị là Mmm Mômen này lớn hơn mômen cản tĩnh

Mc do đó động cơ bắt đầu được gia tốc

Tốc độ càng tăng lên thì mômen động cơ càng giảm xuống theo đườngcong ab Trong quá trình đó mômen động (chênh lệch giữa mômen động cơ vàmômen cản: ΔP).M = MĐ - MC) giảm dần nên hiệu quả gia tốc cũng giảm theo Đếnmột tốc độ nào đó, ứng với điểm b, tiếp điểm 1G đóng lại, một đoạn điện trở khởiđộng bị nối tắt Và ngay tại tốc độ đó, động cơ chuyển sang làm việc ở điểm c trênđường đặc tính cơ thứ 2 Mômen động cơ lại tăng lên, gia tốc lớn hơn và sau đógia tốc lại giảm dần khi tốc độ tăng, mômen động cơ giảm dần theo đường cong

cd Tiếp theo quá trình lại xảy ra tương tự như vậy: sau khi đóng tiếp điểm 2Gmômen động cơ giảm theo đường ef và đến điểm f tiếp điểm 3G đóng lại thìđộng cơ chuyển sang làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên

Hình 1.9a - Sơ đồ mở máy động cơ điện một chiều kích

từ độc lập qua 3 cấp điện trở

Hình 1.9b,c - Đặc tính cơ lúc mở máy động cơ điện một chiều kích từ độc lập

qua 3 cấp điện trở

 Đảo chiều quay

Chiều từ lực tác dụng vào dòng điện được xác định theo quy tắc bàn taytrái Khi đảo chiều từ thông hay đảo chiều dòng điện thì từ lực có chiều ngược lại.Vậy muốn đảo chiều quay của động cơ điện một chiều ta có thể thực hiện mộttrong hai cách:

- Hoặc đảo chiều từ thông (bằng cách đảo chiều dòng điện kích từ)

- Hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng

Hình 1.10 - Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập

khi đảo chiều từ thông hoặc khi đảo chiều dòng điện phần ứng

Đường đặc tính cơ của động cơ khi quay thuận và quay ngược là đối xứngnhau qua gốc tọa độ

Hình 1.11 - Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập

khi đảo chiều quayPhương pháp đảo chiều từ thông thực hiện nhẹ nhàng vì mạch từ thông

có công suất nhỏ hơn mạch phần ứng Tuy vậy, vì cuộn kích từ có số vòngdây lớn, hệ số tự cảm lớn, do đó thời gian đảo chiều tăng lên Ngoài ra, dùngphương pháp đảo chiều từ thông thì từ thông qua trị số 0 có thể làm tốc độđộng cơ tăng quá cao

1.3 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Sơ đồ nguyên lý

Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp vớicuộn dây phần ứng như sơ đồ nguyên lý ở hình 1.11

Hình 1.11 - Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

a Phương trình đặc tính cơ

Với cách mắc nối tiếp, dòng điện kích từ bằng dòng điện phần ứng Ikt = Iưnên cuộn dây kích từ nối tiếp có tiết diện dây lớn và số vòng dây ít Từ thông củađộng cơ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng, tức là phụ thuộc vào tải:

ϕ = K'.Iư

Trong đó K' là hệ số phụ thuộc vào cấu tạo của cuộn dây kích từ Phươngtrình trên chỉ đúng khi mạch từ không bão hoà từ và khi dòng điện Iư < (0,8 ÷0,9)Iđm Tiếp tục tăng Iư thì tốc độ tăng từ thông ϕ chậm hơn tốc độ tăng Iư rồi sau

đó khi tải lớn (Iư > Iđm) thì có thể coi ϕ = const vì mạch từ đã bị bão hòa

Hình 1.12 - Sự phụ thuộc giữa từ thông và dòng phần ứng (cũng là

dòng kích từ) động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Xuất phát từ các phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều nóichung:

u uf u u

U   (  ). ; Eu  K  

2 '

.

Iu K K IuK

Ta có thể tìm được phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiềukích từ nối tiếp:

R M K K

Hình 1.13 - Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

Thực tế, động cơ thường được thiết kế để làm việc với mạch từ bảo hòa ởvùng tải định mức Do vậy, khi tải nhỏ, đặc tính cơ có dạng đường hypecbol bậc 2

và mềm, còn khi tải lớn (trên định mức) đặc tính có dạng gần thẳng và cứng hơn

vì mạch từ đã bão hòa (ϕ = const)

Khi MC = 0 (Iư = 0), theo phương trình đặc tính cơ (2.13) thì trị số ω sẽ vôcùng lớn Thực tế do có lực ma sát ở cổ trục động cơ và mạch từ khi Ikt = 0 vẫncòn có từ dư (ϕdư ≠ 0) nên khi không tải MC ≈ 0, tốc độ động cơ lúc đó sẽ là:

b Ảnh hưởng của thông số điện đối với đặc tính cơ

Ở động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, dòng điện phần ứng cũng làdòng điện kích từ nên khả năng tải của động cơ hầu như không bị ảnh hưởng bởiđiện áp.

Phương trình đặc tính cơ ω = f(M) (2.13) của động cơ điện một chiều kích

từ nối tiếp cho thấy đặc tích cơ bị ảnh hưởng bởi điện trở mạch động cơ (mạchphần ứng và cũng là mạch kích từ)

Đặc tính cơ tự nhiên cao nhất ứng với điện trở phụ Rưf = 0 Các đặc tính cơnhân tạo ứng với Rưf ≠ 0 Đặc tính càng thấp khi Rưf càng lớn

Hình 1.14 - ảnh hưởng của điện trở mạch phần ứng tới đặc

tính cơ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Trị số Mmm suy từ phương trình đặc tính cơ khi cho ω = 0

2 '

Trong đó:

u mm

Lúc mở máy động cơ, phải đưa thêm điện trở mở máy vào mạch động cơ

để hạn chế dòng điện mở máy không được vượt quá giới hạn 2,5Iđm Trong quátrình động cơ tăng tốc, phải cắt dần điện trở mở máy và khi kết thúc quá trình mởmáy, động cơ sẽ làm việc trên đường đặc tính cơ tự nhiên không có điện trở mởmáy

Hình 1.15 - Sơ đồ mở máy động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp qua 2 cấp

điện trở phụ

Khi động cơ được cấp điện, các tiếp điểm K1 và K2 mở để nối các điện trở

R1 và R2 vào mạch động cơ Dòng điện qua động cơ được hạn chế trong giới hạncho phép ứng với mômen mở máy:

Mmm = M1 = (2 ÷ 2,5)Mđm

Động cơ bắt đầu tăng tốc theo đặc tính cơ 1 từ điểm a đến điểm b Cùngvới quá trình tăng tốc, mômen động cơ giảm dần Tới điểm b, tốc độ động cơ là ω2

và mômen là M2 = (1,1 ÷ 1,3)Mđm thì tiếp điểm K2 đóng, cắt điện trở mở máy R2

ra khỏi mạch động cơ Động cơ chuyển từ đặc tính cơ 2 sang làm việc tại điểm ctrên đặc tính cơ 1 Thời gian chuyển đặc tính vô cùng ngắn nên tốc độ động cơ coinhư giữ nguyên Đoạn bc song song với trục hoành OM Lúc này mômen động cơlại tăng từ M2 lên M1, động cơ tiếp tục tăng tốc nhanh theo đặc tính cơ 1 Khimômen động cơ giảm xuống còn M2 (ứng với tốc độ ω1) thì điện trở mở máy R1còn lại được cắt nốt ra khỏi mạch động cơ nhờ đóng tiếp điểm K1 Động cơchuyển sang làm việc tại điểm e trên đặc tính cơ tự nhiên và lại tăng tốc theo đặctính này tới làm việc tại điểm A Tại đây, mômen động cơ MĐ cân bằng vớimômen cản MC nên động cơ sẽ quay với tốc độ ổn định ωA

Đảo chiều quay

Cũng như động cơ điện một chiều kích từ song song, động cơ một chiềukích từ nối tiếp sẽ đảo chiều quay khi đảo chiều dòng điện phần ứng

Hình 2.16 - Đảo chiều quay động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

1.4 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập

Từ phương trình:

u p u

K

R R K

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng

- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Sau đây ta sẽ tìm hiểu các phương pháp

 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Vì điện áp phần ứng không thể vượt quá giá trị định mức nên ta chỉ có thểthay đổi về phía giảm

Uư biến đổi; Rp = const; ω = const

Trong phương trình đặc tính cơ, ta thấy độ dốc (hay độ cứng) đặc tính cơkhông thay đổi:

const K

( 

Tốc độ không tải lý tưởng ω0 thay đổi tỷ lệ thuận với điện áp:

var

Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng ta được một họ các đường đặc tính

cơ song song với đường đặc tính cơ tự nhiên và thấp hơn đường đặc tính cơ tựnhiên

Phương pháp này có những đặc điểm sau :

- Điện áp phần ứng càng giảm thì tốc độ động cơ càng nhỏ

- Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh

- Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh

- Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một momen lànhư nhau Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dảiđiều chỉnh Do vậy sai số tốc độ tương đối ( sai số tĩnh ) của đặc tính cơ thấpnhất không vượt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh

- Phương pháp này cần một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp ra

1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông :

Uư = const ; Rưf = const; ω = var

Để thay đổi từ thông ϕ, ta phải thay đổi dòng điện kích từ nhờ biến trở Rktmắc ở mạch kích từ của động cơ Vì chỉ có thể tăng điện trở mạch kích từ nhờ Rktnên ( Ikt < Iktđm ) do đó từ thông kích từ chỉ có thể thay đổi về phía giảm sovới từ thông định mức

Trường hợp này, cả tốc độ không tải lý tưởng và độ dốc đặc tính cơ đềuthay đổi

var

Khi điều chỉnh giảm từ thông kích từ, tốc độ không tải lý tưởng ω0 tăng,còn độ cứng đặc tính cơ thì giảm mạnh Họ đặc tính cơ nhân tạo thu được nhưhình dưới:

Phương pháp này cũng có những đặc điểm sau :

- Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơcàng tăng, tốc độ động cơ càng lớn, mềm hơn

- Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh :

D ~ 3 : 1

- Chỉ thay đổi được tốc độ về phía tăng theo phương pháp này

- Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính cơ sẽcắt nhau và do vậy , với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm ,còn ở vùng tải lớn (M2) thì tốc độ có thể tăng hoặc giảm tuỳ theo tải Thực tế ,phương pháp này chỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so với định mức

3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng :

Vì điện trở tổng của mạch phần ứng: RưΣ = Rư + Rưf nên điện trở mạchphần ứng chỉ có thể thay đổi về phía tăng Rưf

Uư = const ; Rưf = var; ω = const

Trường hợp này, tốc độ không tải giữ nguyên:

const K

Như vậy, khi tăng điện trở Rưf trong mạch phần ứng, ta được một họ cácđường đặc tính cơ nhân tạo cùng đi qua điểm (0,ω0)

Khi tăng điện trở mạch phần ứng , đặc tính cơ dốc hơn nhưngvẫn giữ nguyên tốc độ không tải lý tưởng Họ đặc tính cơ khi thay đổi điệntrở mạch phần ứng được biểu diễn như trên

Đặc điểm của phương pháp này là:

- Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ cànglớn ( càng mềm), độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn

- Phương pháp này cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm ( do chỉ cóthể tăng thêm điện trở )

- Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng nêntổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở khi điều chỉnh là khá lớn

- Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số momen tải Tải càng nhỏ ( M1 ) thìdải điều chỉnh D càng nhỏ

- Về nguyên tắc phương pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổiđều điện trở nhưng vì dòng Rotor lớn nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khókhăn Thực tế thường thực hiện chuyển đổi theo từng cặp điện trở

Với những đặc điểm như trên lại gây tổn hao nên phương pháp này itđược sử dụng

Từ những đặc điểm của các phương pháp thay đổi tốc độ động cơ Emthấy phương pháp thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phầnứng là khả thi hơn cả

CHƯƠNG II: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TRONG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

2.1 Bộ biến đổi chỉnh lưu

2.1.1 Chỉnh lưu không điều khiển

 Chỉnh lưu một pha

Bộ chỉnh lưu một pha được chia thành hai loại: chỉnh lưu một pha nửasóng và chỉnh lưu một pha cả sóng Để đơn giản, ta coi các diode là lýtưởng, có nghĩa chúng có điện áp thuận bằng không thời gian phục hồi tínhngược cũng bằng không Giả thiết này thông thường phù hợp với các trườnghợp chỉnh lưu diode cho các nguồn xoay chiều tần số thấp và điện áp thuậnrất nhỏ so với biên độ điện áp nguồn Hơn nữa, giả thiết này cũng có nghĩa tảimang tính chất thuần điện trở và dạng sóng dòng và áp trên tải là tương tự

Chỉnh lưu một pha nửa sóng

Sơ đồ chỉnh lưu một pha đơn giản nhất thể hiện trong hình 2-1, sửdụng duy nhất một diode, được cấp điện từ cuộn thứ cấp của máy biến ápxoay chiều Trong nửa sóng dương diode dẫn, nửa sóng âm diode không dẫn

Hình 2-1: Sơ đồ và dạng sóng chỉnh lưu một pha nửa sóng

Theo đồ thị dạng sóng điện áp, biên độ điện áp ngược (peak inversevoltage - PIV) trên diode là Vm trong nửa sóng âm Từ đó VRRM của

diode phải được chọn lớn hơn Vm để tránh bị đánh thủng Trong nửa chu

kỳ dẫn, dòng điện thuận IF của diode chính là dòng điện qua tải nên IFRMphải được chọn lớn hơn dòng điện lớn nhất của tải

Bên cạnh đó, dây quấn thứ cấp máy biến áp chịu dòng điện mộtchiều,có thể gây nên hiện tượng quá bão hòa trong lõi thép

Chỉnh lưu một pha cả sóng

Có hai loại chỉnh lưu một pha cả sóng: chỉnh lưu với cuộn thứ cấp máybiến áp có điểm giữa và chỉnh lưu cầu Nguyên lý chỉnh lưu với điểm giữacuộn thứ cấp máy biến áp được thể hiện trên hình 2-2 Từ sơ đồ có thể thấymỗi diode nối với cuộn thứ cấp máy biến áp làm việc như một mạch chỉnhlưu nửa sóng Đầu ra của hai mạch chỉnh lưu này kết hợp với nhau tạothành mạch chỉnh lưu cả sóng cho tải Hơn nữa dòng điện một chiều tronghai nửa chu kỳ bằng nhau và ngược chiều trên cuộn thứ cấp không gây nêncác vấn đề liên quan đến bão hòa từ trong lõi thép Dạng sóng của điện áp vàdòng điện chỉnh lưu cả sóng trong hình 2-2 Theo đồ thị điện áp trên cácdiode vD1 và vD2, biên độ điện áp ngược trên mỗi diode là 2Vm Do đó điện

áp ngược cực đại lặp lại của diode VRRM phải được chọn lớn hơn 2Vm đểtránh bị đánh thủng Lưu ý, chỉnh lưu một pha cả sóng có điện áp mộtchiều gấp đôi trường hợp chỉnh lưu nửa sóng Khi dẫn, mỗi diode chịudòng điện thuận bằng dòng điện tải, do đó IFRM phải được chọn lớn hơnbiên độ dòng điện tải, Vm / R

Hình 2-2: Sơ đồ chỉnh lưu một pha cả sóng, cuộn thứ cấp có điểm giữaChỉnh lưu một pha cả sóng mạch cầu sử dụng 4 diode và không cóđiểm giữa của cuộn thứ cấp máy biến áp như trên hình 2-3 Trong nửa chu

kỳ dương của cuộn thứ cấp, dòng điện chạy qua các diode D1 và D2 Nửachu kỳ âm, D3 và D4 được dẫn điện Dạng sóng dòng, áp của chỉnh lưu cầuđược thể hiện trên hình 2-3 Giống như trường hợp chỉnh lưu cả sóng cóđiểm giữa máy biến áp, dòng điện thuận cực đại IFRM mỗi diode cần phảichọn cao hơn biên độ dòng điện tải Vm / R Và biên độ điện áp ngượctrên mỗi diode giảm từ 2Vm xuống còn Vm trong thời điểm không dẫn

Hình 2-3: Sơ đồ chỉnh lưu một pha cả sóng mạch cầu

 Chỉnh lưu ba pha

Các bộ chỉnh lưu một pha chỉ được áp dụng khi công suất nhỏ, đối với cáctải công suất lớn hơn 15kW phải sử dụng các bộ chỉnh lưu ba pha hoặc nhiềupha Bộ chỉnh lưu ba pha có hai loại: chỉnh lưu tia và chỉnh lưu cầu

Chỉnh lưu tia ba pha

Chỉnh lưu tia ba pha cơ bản

Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha cơ bản được vẽ trên hình 2-4, có thể thấyrằng sơ đồ này tương đương với 3 sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa sóng làm việccùng nhau Trong một số trường hợp còn được gọi là chỉnh lưu ba pha nửa sóng.Diode trên mỗi pha dẫn khi điện áp trên pha có diode cao hơn hai pha còn lại.Dạng sóng điện áp mỗi pha và trên tải được thể hiện trong hình 2-4

Không giống như trong chỉnh lưu một pha góc dẫn mỗi diode là π, ởđây góc dẫn chỉ là 2π/3