THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIÊN MỘT CHIỀU

Động cơ điện một chiều và các phương pháp điều chỉnh tốc độ điều chỉnh tốc độ bằng ICTCA785 tự động điều chỉnh tốc độ động cơ Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều đồ án thết kế hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ động cơ

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 2

1.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều 2

1.1.1 Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều 2

1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều 2

1.1.3 Nguyên lý làm việc 4

1.1.4 Phương trình đặc tính của ĐCĐ một chiều kích từ độc lập 5

1.1.5 Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ 7

1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 10

1.2.1 Khái niệm chung 10

1.2.2 Phương pháp điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ 11

1.2.3 Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều (CL – ĐC) 12

1.2.4 Kết luận 15

CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN BỘ CHỈNH LƯU 16

2.1 Sơ lược về Thyristor 16

2.1.1 Đặc tính Vôn-Ampe của Thyristor 16

2.1.2 Mở - khóa Thyristor 17

2.2 Các bộ chỉnh lưu Thyristor 18

2.2.1 Bộ chỉnh lưu cầu một pha đối xứng 18

2.2.2 Bộ chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng 19

2.2.3 Bộ chỉnh lưu hình tia ba pha 20

2.2.4 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng 22

2.2.5 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng 23

2.3 Kết luận chọn sơ đồ mạch lực 25

2.4 Tính chọn mạch động lực 25

2.4.1 Các thông số cơ bản của động cơ 25

2.4.2 Chọn mạch động lực 25

2.4.3 Tính chọn Thyristor 25

2.4.4 Tính toán máy biến áp cho bộ chỉnh lưu 27

2.4.5 Thiết kế cuộn kháng lọc 37

3.1 Cơ sở lí thuyết 50

3.2 Thiết kế mạch điều khiển sử dụng IC TCA785 51

3.2.1 Giới thiệu về vi mạch TCA785 51

3.2.2 Tính toán mạch điều khiển 56

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH MODUL TỐI ƯU 63

4.1 Mô hình hóa động cơ điện một chiều 63

4.2 Tính toán các thông số cơ bản 64

4.2.1 Đặc tính cơ của động cơ 64

4.2.2 Tính các thông số cơ bản 65

4.3 Tính toán thiết kế mạch vòng dòng điện 65

4.3.1 Mô tả mạch vòng phản hồi dòng điện 65

4.3.2 Tính chọn linh kiện 68

4.4 Tính toán thiết kế mạch vòng tốc độ 70

4.4.1 Mô tả mạch vòng điều chỉnh tốc độ 70

4.4.2 Tính toán và thiết kế 72

SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 76

CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 77

5.1 Xét tính ổn định của hệ thống 77

5.1.1 Tiêu chuẩn ổn định của Hurwitz 77

5.1.2 Xét tính ổn định của hệ thống đã thiết kế 77

5.2 Xét quá trình quá độ của hệ thống 78

5.2.1 Xét mạch vòng dòng điện 78

5.2.2 Xét toàn hệ thống 78

5.3 Chất lượng hệ thống 79

5.3.1 Phương trình đặc tính của hệ 79

5.3.2 Đặc tính cơ cao nhất 80

5.3.3 Đặc tính cơ thấp nhất 80

5.3.4 Dải điều chỉnh 80

KẾT LUẬN 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

Hình 1 1: Mặt cắt dọc động cơ điện một chiều 2

Hình 1 2: Mô hình đơn giản của động cơ điện một chiều 4

Hình 1 3: Sơ đồ nguyên lí động cơ điện một chiều kích từ độc lập 5

Hình 1 4: Đặc tính cơ điện và đăc tính cơ của động cơ 6

Hình 1 5: Đặc tính cơ khi mắc thêm Rf 7

Hình 1 6: Đặc tính cơ điện khi giảm từ thông mạch kích từ 8

Hình 1 7: Đặc tính cơ khi giảm điện áp phần ứng 9

Hình 1 8: Phương pháp điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ 11

Hình 1 9: Đặc tính cơ của phương pháp điều chỉnh điện áp 12

Hình 1 10: Sơ đồ nguyên lí hệ CL - ĐC 12

Hình 1 11: Sơ đồ thay thế của hệ CL - ĐC 13

Hình 1 12: Độ cứng đặc tính cơ hệ CL - ĐC 14Y Hình 2 1: Hình dạng và cấu tạo của Thyristor 16

Hình 2 2: Sơ đồ nguyên lí chỉnh lưu cầu một pha đối xứng 18

Hình 2 3: Đồ thị dạng sóng sơ đồ cầu một pha đối xứng 18

Hình 2 4: Sơ đồ nguyên lí chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng 19

Hình 2 5: Các dạng đồ thị của sơ đồ cầu một pha không đối xứng 19

Hình 2 6: Sơ đồ nguyên lí bộ chỉnh lưu hình tia ba pha 20

Hình 2 7: Các dạng đồ thị của chỉnh lưu hình tia ba pha 21

Hình 2 8: Sơ đồ nguyên lí chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng 22

Hình 2 9: Các dạng đồ thị của chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng 22

Hình 2 10: Sơ đồ nguyên lí chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng 23

Hình 2 11: Các dạng đồ thị của sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng 24

Hình 2 12: Trụ nhiều bậc máy biến áp 33

Hình 2 13: Kết cấu mạch từ cuộn kháng lọc 43

Hình 2 14: Cánh tản nhiệt cho một van bán dẫn 4 Hình 3 1: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng 50

Hình 3 2: Hình ảnh IC TCA785 51

Hình 3 3: Sơ đồ khối của IC TCA785 53

Hình 3 6: Sơ đồ chân IC TL084 59

Hình 3 7: Sơ đồ bộ nguồn cho mạch điều khiển 60

Hình 3 8: Sơ đồ bộ nguồn để lấy điện áp điều khiển 6 Hình 4 1: Sơ đồ cấu trúc chung của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 64

Hình 4 2: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ 64

Hình 4 3: Sơ đồ mạch vòng dòng điện 66

Hình 4 4: Sơ đồ biến đổi của mạch vòng dòng điện 66

Hình 4 5: Sơ đồ khâu hiệu chỉnh dòng điện 67

Hình 4 6: Mạch lấy tín hiệu dòng điện 69

Hình 4 7: Sơ đồ mạch khuyếch đại thuật toán 70

Hình 4 8: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ 71

Hình 4 9: Sơ đồ biến đổi mạch vòng điều chỉnh tốc độ 71

Hình 4 10: Sơ đồ cấu trúc toàn hệ thống 72

Hình 4 11: Sơ đồ khâu hiệu chỉnh tốc độ 73

Hình 4 12: Đặc tính điện áp ra của bộ hiệu chỉnh tốc độ 75

Hình 4 13: Đặc tính dòng điện của bộ hiệu chỉnh dòng điện 7 Hình 5 1: Đồ thị mạch vòng dòng điện 78

Hình 5 2: Đồ thị toàn hệ thống 7

Bảng 2 1: Các thông số của động cơ 25

YBảng 3 1: Kí hiệu và chức năng các chân IC TCA785 52

Bảng 3 2: Các thông số của TCA785 54

KHOA KỸ THUẬT & CÔNG NGHỆ Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên : TRẦN VĂN TRỌNG

1. Tên đề tài: Thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một

 Bộ chỉnh lưu cầu một pha đối xứng

 Bộ chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng

 Bộ chỉnh lưu hình tia ba pha

 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng

 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng

- Chương 3: Mô hình hóa động cơ điện một chiều và phương pháp điều chỉnh

modul tối ưu

- Chương 4: Tính toán mạch vòng dòng điện

TRƯỞNG KHOA TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Thái Bảo

Sinh viên đã hoàn thành(nộp toàn bộ bản thiết kế cho Khoa)

(Ký và ghi rõ họ tên )

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại hiện nay, truyền động điện đang ngày càng được ứng dụng rộngrãi trong mọi lĩnh vực của cuộc sống nhờ những ưu thế của nó như kết cấu gọn nhẹ,

độ bền và độ tin cậy cao, đảm bảo vệ sinh môi trường Bên cạnh đó truyền độngđiện còn có một ưu thế rất nổi bật đặc biệt đối với truyền động một chiều, khả năngđiều khiển linh hoạt, dễ dàng Chính vì vậy mà truyền động điện một chiều có vaitrò quan trọng trong các dạng truyền động đang dùng, nhất là trong các lĩnh vực đòihỏi khả năng điều khiển tốc độ cao như trong các máy sản xuất

Tuy nhiên, truyền động điện một chiều đòi hỏi phải có nguồn điện một chiều vớicác cấp điện áp khác nhau là loại nguồn điện phi tuyến tiêu chuẩn trong sản xuấtđiện năng Ngày này với sự phát triển của ngành kỹ thuật linh kiện bán dẫn, các bộnguồn dùng chỉnh lưu bán dẫn ngày càng chiếm ưu thế hơn nhờ kết cấu gọn nhẹ,hiệu suất và độ tin cậy cao, giá thành hợp lí, không gây tiếng ồn Cũng chính nhờ bộnguồn dùng chỉnh lưu bán dẫn này mà truyền động điện một chiều ngày càng trởnên tiện lợi và được ứng dụng rộng rãi hơn

Với đề tài: “Thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều” Đây là đề tài có tính thực tiễn cao vì máy điện một chiều được sử dụng rất

nhiều trong thực tiễn cuộc sống Trong quá trình làm đồ án với sự hướng dẫn, giúp

đỡ nhiệt tình của các thầy trong khoa Kỹ thuật và công nghệ trường đại học Quy Nhơn, đặc biệt là thầy ThS Nguyễn Thái Bảo Thầy đã chỉ bảo tận tình và giúp

em hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời hạn

Vì thời gian và sự hiểu biết có hạn nên chắc chắn không thể tránh khỏi các saisót

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn các thầy trong khoa và đặc biệt là thầy

Nguyễn Thái Bảo đã tận tình hướng dẫn và giúp em hoàn thành đồ án này.

Quy Nhơn, ngày 24 tháng 12 năm 2018

Trần Văn Trọng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 1.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều

1.1.1 Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều

Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ điện một chiều vẫn được coi là một loạimáy quan trọng Mặc dù động cơ xoay chiều có tính ưu việt hơn như cấu tạo đơngiản, công suất lớn…Nhưng động cơ điện xoay chiều không thể thay thế hoàn toànđộng cơ điện một chiều Đặc biệt là trong các ngành công nghiệp, giao thông vậntải, các thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng như máy cánthép, máy công cụ lớn Vì động cơ điện một chiều có những ưu điểm như khả năngđiều chỉnh tốc độ rất tốt, khả năng mở máy lớn và khả năng quá tải Bên cạnh đóđộng cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất định như giá thành đắt, chếtạo và bảo quản phức tạp Nhưng do những ưu điểm của nó nên nó vẫn có một tầmquan trọng nhất định trong sản xuất

Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ vào khoảng 75% 85%, ở động cơ có công suất trung bình và lớn vào khoảng 85% - 94% Công suấtlớn nhất của động cơ điện một chiều hiện nay vào khoảng 10000KW Điện áp vàokhoảng vài trăm đến 1000V Hướng phát triển hiện nay là cải tiến tính năng vật liệu,nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những máy công suất lớn

-1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Hình 1 1: Mặt cắt dọc động cơ điện một chiều

1.1.2.1 Phần tĩnh (Phần cảm hay stator)

a) Cực từ chính

Được làm bằng thép kỹ thuật dạng thép khối hoặc tấm, xung quanh có dây quấncực từ chính gọi là dây quấn kích từ Nó thường được nối với nguồn một chiều,nhiệm vụ là tạo ra từ thông trong máy

b) Cực từ phụ

Được đặt xen giữa các cực từ chính, xung quanh cực từ chính, xung quanh cực từphụ có dây quấn cực từ phụ Dây quấn cực tù phụ đấu nối tiếp với dây quấn roto.Nhiệm vụ của cực từ phụ là triệt tiêu từ trường phần ứng Trên vùng trung tính hìnhhọc để hạn chế xuất hiện tia lửa điện trên chổi than và cổ góp

Fđt: Là lực điện từ (N).

Để hiểu rõ nguyên lí hoạt động của động cơ điện một chiều, ta giả sử động cơđiện một chiều được mô phỏng một cách đơn giản qua việc làm quay khung dẫnabcd theo một chiều duy nhất

Hình 1 2: Mô hình đơn giản của động cơ điện một chiều

 Nếu ta đặt điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B thì trong dây quấn phầnứng sẽ có một dòng điện Iư chạy qua Các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong

từ trường sẽ tạo ra các lực Fđt ngược chiều nhau, tác dụng làm cho roto quay (hình1.2a)

 Khi phần ứng quay được nữa vòng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ cho nhau,tuy nhiên do có phiến góp đổi chiều dòng điện nên chiều lực từ tác dụng không đổi,đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi (hình 1.2b) Khi quay các thanh dẫn cắt

từ trường sẽ cảm ứng với sức điện động Eư, ở động cơ chiều sức điện động Eư

ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động và cứ như vậy, ta

thấy năng lượng điện đã biến thành năng lượng cơ làm cho động cơ quay theo mộtchiều duy nhất Khi đó ta có phương trình: U E u R I u .u

1.1.4 Phương trình đặc tính của ĐCĐ một chiều kích từ độc lập

Rf

CKT

Hình 1 3: Sơ đồ nguyên lí động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Để thành lập phương trình đặc tính cơ ta xuất phát từ phương trình cân bằng điện

E pN

f I



  : Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều

Mặc khác momen điện từ của động cơ điện được xác định bởi:

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì momen cơ trên trục động cơ bằng

momen điện từ, ta kí hiệu là M nghĩa làMdt  Mco  M Đây là phương trình đặctính cơ

Hình 1 4: Đặc tính cơ điện và đăc tính cơ của động cơ

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

0

u

U K

1.1.5 Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ

Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ, ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến

đặc tính cơ của động cơ là:R , ,  Uu.

1.1.5.1 Ảnh hưởng của điện trở phần ứng

Giả thuyết U U  dm  const ;   dm const Muốn thay đổi giá trị điện trở mạchphẩn ứng ta nối thêm một điện trở phụ R f

vào mạch phần ứng Vậy phương trìnhđặc tính cơ lúc này sẽ là:

Ta thấy rằng khi thay đổi giá trị điện trở R f

thì tốc độ sẽ thay đổi theo

Khi đó đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi mắc thêm R f

vào mạch điệnphần ứng như sau:

Hình 1 5: Đặc tính cơ khi mắc thêm R f

R M K

( dm)

TN

u

k R

   

;

2 2

độ cơ bản

1.1.5.2 Ảnh hưởng của từ thông

Giả thiết U U  dm  const và R constu  Muốn thay đổi từ thông thì ta phải thayđổi dòng điện kích từ Ikt Ta có phương trình đặc tính cơ như sau:

0

2 ( )

u

R U

Hình 1 6: Đặc tính cơ điện khi giảm từ thông mạch kích từ

Theo đưởng đặc tính cơ ta có: 0 01 1

 



Độ cứng của đặc tính cơ:

2( )

Việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp giảm từ thông phù hợp vớinhững tải có momen cản là hằng số (MC  const) Vì MC  KM   I const Do vậykhi từ thông giảm thì làm cho I tăng lên gây phát nóng động cơ Giải điều chỉnhcủa phương pháp này cũng bị hạn chế bởi tốc độ cao nhất của động cơ, khi tốc độcao quá thì có thể làm hỏng phần quay của động cơ do lực li tâm lớn

1.1.5.3 Ảnh hưởng của điện áp phần ứng

Giả thuyết  dm  const R , u  const, khi ta thay đổi giá trị điện áp phần ứng thì

ta có tốc độ không tải lý thưởng cũng thay đổi theo Do cấu trúc cuộn dây phần ứng

chỉ chịu được điện áp Udm nên chỉ sử dụng phương pháp điều chỉnh giảm điện áp

phần ứng

Hình 1 7: Đặc tính cơ khi giảm điện áp phần ứng

Tốc độ không tải của động cơ: 0 .

i i

dm

U K

 



Độ cứng đặc tính cơ:

2( dm)

u

K

const R

   

Khi giảm điện áp phần ứng động cơ thì ta được một họ đặc tính cơ song song vànằm về phía dưới đặc tính cơ tự nhiên Và khi giảm điện áp phần ứng thì tốc độđộng cơ giảm xuống ứng với một phụ tải nhất định

1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

1.2.1 Khái niệm chung

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn

so với các loại động cơ khác, không những có khả năng điều chỉnh tốc độ rõ ràng

mà về cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển cũng đơn giản hơn đồng thời lại đạt đượcchất lượng điều chỉnh cao trong dãi điều chỉnh tốc độ rộng Thực tế có hai phươngpháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều:

 Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ

 Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ

Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiềubao giờ cũng cần có bộ biến đổi Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động

cơ hoặc mạch kích từ động cơ Cho đến nay công nghiệp sử dụng bốn bộ biến đổichính:

 Bộ biến đổi máy điện gồm: Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặcmáy điện khuếch đại (KĐM)

 Bộ biến đổi điện từ: Khuếch đại từ (KĐT)

 Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: Chỉnh lưu Thyristor (CLT)

 Bộ biến đổi xung áp một chiều: Thyristor hoặc Tranzitor (BBĐXA)

Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động nhưsau:

 Hệ truyền động máy phát – động cơ (F-Đ)

 Hệ truyền động máy điện khuếch đại – động cơ (MĐKĐ-Đ)

 Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (KĐT–Đ)

 Hệ truyền động chỉnh lưu thyristor – động cơ (T-Đ)

 Hệ truyền động xung áp – động cơ (XA-Đ)

Theo cấu trúc mạch điện điều khiển của hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động

cơ điện một chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động điều chỉnh

tự động) và loại điều khiển mạch hở (hệ truyền động điều khiển “hở”) Hệ truyềnđộng điện điều chỉnh tự động có cấu trúc phức tạp, nhưng có chất lượng điều chỉnhcao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động “hở”

1.2.2 Phương pháp điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn nhưmáy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển…Các thiết bịnguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức

điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Udk Vì là nguồn có công

suất hữu hạn so

với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rbvà điện cảm Lb khác

không Ta có sơ đồ tổng quát của phương pháp này như sau:

Hình 1 8: Phương pháp điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ

Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:

Điện áp chỉnh lưu Ud (hay Ed) là điện áp không tải ở đầu ra, có dạng dập mạchvới số lần dập mạch là n trong một chu kỳ 2 của điện áp thứ cấp máy biến áp

 Với sơ đồ chỉnh lưu hình tia: n=m, trong đó m là số pha.

 Với sơ đồ chỉnh lưu hình cầu: n=2m khi m là số lẽ

Hình 1 11: Sơ đồ thay thế của hệ CL - ĐC

Khi van dẫn thì ta có phương trình điện áp như sau:

 

và  .t

a) Trạng thái dòng điện liên tục:

Ở trạng thái dòng điện liên tục khi van này chưa khóa thì van kế tiếp đã mở, việc

mở van kế tiếp là điều kiện cần để khóa van đang dẫn Do vậy, điện áp của chỉnhlưu sẽ có dạng đường bao của điện áp thứ cấp máy biến áp

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:

b) Trạng thái dòng gián đoạn:

Khi điện kháng trong mạch không đủ lớn, nếu sức điện động của động cơ đủ lớnthì dòng điện tải sẽ trở thành gián đoạn Ở trạng thái này thì dòng qua van bất kì sẽbằng 0 trước khi van kế tiếp mở Do vậy trong một khoảng dẫn của van thì sức điệnđộng của chỉnh lưu bằng sức điện động nguồn:

 Ưu điểm: Hệ truyền động CL – ĐC có độ tác động nhanh cao, không gây ồn

và dễ tự động hóa, do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất cao, vì vậyrất thuận tiện cho việc thiết lập hệ thống tự động điều chỉnh để nâng cao chất lượngcác đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống Mặt khác, việc dùng hệ CL –

ĐC có kích thước và trọng lượng nhỏ gọn

 Nhược điểm: Hệ truyền động CL – ĐC có các van bán dẫn là các phần tử phituyến tính, do đó dạng điện áp ra của chỉnh lưu có biên độ đập mạch cao, gây nêntổn thất phụ trong máy điện một chiều

1.2.4 Kết luận

Trong các hệ truyền động dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng đểđiều chỉnh tốc độ động cơ, ta nhận thấy rằng hệ truyền động CL – ĐC là hệ truyềnđộng có nhiều ưu điểm hơn cả

CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN BỘ CHỈNH LƯU 2.1 Sơ lược về Thyristor

Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếpgiáp p-n: J1, J2, J3 Thyristor có ba cực Anode (A), Cathode (K), cực điều khiển (G– Gate)

Hình 2 1: Hình dạng và cấu tạo của Thyristor 2.1.1 Đặc tính Vôn-Ampe của Thyristor

Đặc tính Vôn-Ampe của một Thyristor gồm hai phần Phần thứ nhất nằm tronggóc phần tư thứ I là đặc tính thuận (UAK > 0); phần thứ hai nằm trong góc phần tưthứ III là đặc tính ngược (UAK < 0).

Khi dòng vào cực điều khiển của Thyristor bằng 0 hay khi hở mạch cực điềukhiển Thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực UAK Khi

UAK < 0, theo cấu tạo bán dẫn của Thyristor, hai tiếp giáp J1, J3 đều phân cực ngược,lớp J2 phân cực thuận, như vậy Thyristor sẽ giống như hai diode mắc nối tiếp bịphân cực ngược Qua Thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi làdòng rò Khi UAK tăng đạt đến giá trị Ungmax sẽ xảy ra hiện tượng Thyristor bị đánhthủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn Lúc này nếu có giảm UAK xuống dưới mức

Ungmax thì dòng điện cũng không giảm được về mức dòng rò Thyristor đã bị hỏng.Khi tăng UAK theo chiều thuận, UAK > 0, lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện rấtnhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Điện trở tương đương mạch A-K vẫn có giá trị rất lớn.Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược Cho đến khi UAK tăng đạtđến giá trị Uthmax, sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch A-K đột ngộtgiảm, dòng điện chạy qua Thyristor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài Nếukhi đó dòng qua Thyristor lớn hơn một mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì Idt,thì khi đó Thyristor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận Đoạn đặc tính thuậnđược đặc trưng bởi tính chất dẫn dòng và phụ thuộc vào giá trị của phụ tải nhưngđiện áp rơi trên Anode- Cathode nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị củadòng điện

2.1.2 Mở - khóa Thyristor

a) Mở Thyristor

Đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực G và K Xung dòngđiện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của Thyristor từ trở kháng cao sang trở khángthấp ở mức UAK nhỏ Khi đó IAK > Idt thì Thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mởdẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung điều khiển Điều này nghĩa là có thểđiều khiển mở các Thyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đócông suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ so với công suất của mạch lực màThyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện

b) Khoá Thyristor

Một Thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khóa nếu dòng điện giảm vềkhông Tuy nhiên để Thyristor vẫn ở trạng thái khóa, với trở kháng cao, khi UAK > 0thì cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tínhchất cản trở dòng điện của Thyristor.

Khi Thyristor dẫn dòng theo chiều thuận, hai lớp tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận,các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J2 đang bị phân cựcngược Vì vậy mà dòng điện có thể chảy qua ba lớp tiếp giáp J1, J2, J3 Để khóaThyristor lại cần giảm IAK về không bằng cách là đổi chiều dòng điện hoặc đặt mộtđiện áp ngược lên giữa A và K của Thyristor Sau khi dòng về bằng không phải đặt

UAK < 0 trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian khóa lúc này Thyristor

sẽ khóa Trong thời gian phục hồi có một dòng điện ngược chạy giữa K và A Thờigian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của Thyristor Thời gian phụchồi xác định dải tần số làm việc của Thyristor Thời gian phục hồi có giá trị cỡ 5 ÷10s đối với các Thyristor tần số cao và cỡ 50 ÷ 200s đối với các Thyristor tần sốthấp

Hình 2 3: Đồ thị dạng sóng sơ đồ cầu một pha đối xứng

 Giá trị trung bình của điện áp tải: 2

 Giá trị điện áp ngược đặt lên mỗi van Thyristor: U ngmax  2U2

 Giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp: 2

d d

I

I 

.Nhận xét: Chỉnh lưu cầu một pha đối xứng có chất lượng điện áp ra đảm bảo và

có điên áp ngược đặt lên mỗi van chỉ bằng một nữa so với chỉnh lưu một pha cóbiến áp trung tính Khả năng sử dụng máy biến áp cao Thế nhưng chỉnh lưu này có

số lượng van nhiều gấp hai lần, sụt áp lớn gấp hai lần, điều khiển phức tạp hơn

2.2.2 Bộ chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng

 Sơ đồ nguyên lí:

Hình 2 4: Sơ đồ nguyên lí chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng

 Đồ thị điện áp và dòng điện tải, dòng điện các van dẫn:

Hình 2 5: Các dạng đồ thị của sơ đồ cầu một pha không đối xứng

2 2

d

U U





 Giá trị điện áp ngược lớn nhất: U ngmax  2U2

 Nhận xét: Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng có cấu tạo đơngiản, gọn nhẹ, dễ điều khiển, tiết kiệm van thích hợp cho các máy có côngsuất nhỏ.

2.2.3 Bộ chỉnh lưu hình tia ba pha

Hình 2 6: Sơ đồ nguyên lí bộ chỉnh lưu hình tia ba pha

 Giá trị trung bình của điện áp tải: 2

3 6 .2

d





 Giá trị điện áp ngược đặt lên Thyristor: U ng  2 3.U2f  6.U2f

 Giá trị dòng điện trung bình chạy qua tải:

d d

U I R

I

I 

 Công suất máy biến áp: S BA1,35.U I d. d

 Đồ thị điện áp và dòng điện tải, dòng điện các van dẫn:

Hình 2 7: Các dạng đồ thị của chỉnh lưu hình tia ba pha

 Nhận xét:

Chỉnh lưu hình tia ba pha có chất lượng điện áp tốt hơn so với tất cả các loạichỉnh lưu một pha Dòng điện chạy qua các van bán dẫn nhỏ hơn, biên độ điện ápđập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn so với chỉnh lưu một pha.Trong các loại chỉnh lưu ba pha, thì chỉnh lưu hình tia ba pha có số van bán dẫnthấp nhất Trong cuộn dây thứ cấp máy biến áp có tồn tại dòng điện một chiều, vìvậy làm cho lõi thép máy biến áp nhanh bị bão hòa gây phát nóng lõi thép Cuộndây thứ cấp máy biến áp phải đấu Y, với bốn đầu dây nối ra ngoài và dây trung tínhphải lớn gấp đôi dây pha vì nó chịu dòng điện tải

2.2.4 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng

 Sơ đồ nguyên lí:

Hình 2 9: Các dạng đồ thị của chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng

 Giá trị trung bình của điện áp trên tải:

5 6

2 2

6

3 6 6

2 sin 2

I

 Giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp: 2

2

3 d

 Giá trị điện áp ngược lớn nhất của Thyristor: U ngmax  6.U2

 Công suất máy biến áp: S BA S1BA S2BA 3.U I d. d

 Nhận xét:

 Điện áp chỉnh lưu của nó có số lần đập mạch trong một chu kì gấp đôi

số lần đập mạch của chỉnh lưu tia ba pha Dòng điện qua thứ cấp máy biến

áp hoàn toàn đối xứng và không có thành phần một chiều nên làm lõi thép ítphát nóng

 Có thể làm việc ở chế độ nghịch lưu, hiệu suất sử dụng máy biến ápcao Tại một thời điểm phải điều khiển hai Thyristor đồng thời theo đúngthứ tự pha, do đó gây không ít khó khăn khi chế tạo, vận hành và sửa chữa

2.2.5 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng

Hình 2 11: Các dạng đồ thị của sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng

 Giá trị trung bình của điện áp trên tải: Ud  Ud1 Ud2

Trong đó: U 1: Thành phần điện áp do nhóm Katot chung tạo nên

2

U : Thành phần điện áp do nhóm Anot chung tạo nên.

2 1

2 2

2

3 6 2

3 6 2

U I R



 Giá trị trung bình của dòng chạy qua Thyristor và Diot: max 3

d tbv

I

 Giá trị điện áp ngược đặt lên mỗi Thyristor: U ngmax  6U2

 Công suất biến áp: Sba  S1BA  S2BA  1,05 U Id d

 Nhận xét: Tuy điện áp chỉnh lưu có nhiều sóng hài nhưng chỉnh lưu cầu

ba pha không đối xứng có quá trình điều chỉnh đơn giản, khích thước gọn nhẹhơn

2.3 Kết luận chọn sơ đồ mạch lực

Từ các phân tích về ưu, nhược điểm của các loại sơ đồ chỉnh lưu nói trên Với tải

là động cơ điện một chiều có công suất P15( W)K không quá lớn nên việc lựa chọn

sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha là hợp lí nhất, bởi vì đây là sơ đồ có chất lượng điện

áp và dòng điện ra tốt, biên độ điện áp đập mạch thấp, thành phần sóng hài bậc cao

bé, việc điều khiển các van bán dẫn cũng tương đối đơn giản

2.4 Tính chọn mạch động lực

2.4.1 Các thông số cơ bản của động cơ

Bảng 2 1: Các thông số của động cơ

82,15( ) 0,83.220

udm

dm u

dm dm

P

U U R

I U

a) Điện áp ngược lớn nhất mà Thyristor phải chịu:

Điện áp nguồn xoay chiều:

2

220 220

188, 034( )1,17

3 62

Điện áp ngược lớn nhất mà Thyristor phải chịu:

u

K





là hệ số điện áp chỉnh lưu hình tia ba pha

Điện áp ngược của van cần chọn:

max

Trong đó: KdtU  1,8 là hệ số dự trữ điện áp, với KdtU  (1,6 2) 

b) Dòng điện làm việc của van:

Dòng điện làm việc của van cần có:

1 .82,15 47,429( )

 Điện áp ngược cực đại của van: Unv  1000( ) V

 Dòng điện định mức của van: Idmv  200( ) A

 Dòng điện đỉnh cực đại: I pikmax 4000( )A

 Dòng điện xung điều khiển: I gmax 100(mA)

 Điện áp xung điều khiển: U gmax 3( )V

 Dòng điện duy trì: Ihmax  200( ) mA

 Độ sụt áp lớn nhất trên van:  Umax  1,7( ) V

 Tốc độ biến thiên điện áp: 200( / )

dU

V s

dt 

 Thời gian chuyển mạch của van: tcm  80( )  s

 Nhiệt độ làm việc cực đại: Tmax 1250C

2.4.4 Tính toán máy biến áp cho bộ chỉnh lưu

Chọn máy biến áp ba pha ba trụ có sơ đồ đấu dây/ Y , làm mát bằng không khí

tự nhiên Ta tính toán các thông số của máy biến áp:

1 Công suất biểu kiến của máy biến áp

315.10 1,05 18975,9( ) 18976( )

Trong đó: k s 1,05: Hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực.

2 Điện áp pha sơ cấp của máy biến áp

  : Góc dự trữ khi có sự suy giảm điện áp lưới

 : Độ sụt áp trên máy biến áp

1 380( )

Ta chọn sơ bộ sụt áp của máy biến áp là:

3 62

Fe tt i

8 Chọn loại thép

Chọn loại thép 27JGH100, các lá thép có độ dày 0,5mm Mật độ từ cảm trong trụ

là BT  1,56( estla) T

9 Tính sơ bộ chiều cao của trụ

Theo kinh nghiệm ta có: (2 2,5)

h

a   , ta chọn 2, 5

h

a  Nên h  2,5 a  2,5.9, 4 23,5  cm

Vậy ta chọn chiều cao của trụ là 24cm

Tính toán dây quấn.

10 Số vòng dây quấn mỗi pha của cuộn sơ cấp máy biến áp

11 Số vòng dây mỗi pha của cuộn dây thứ cấp máy biến áp

(vòng)Lấy W 1062  (vòng)

12 Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong dây quấn máy biến áp

Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô ta chọn: J1J2 2,75( /A mm2)

13 Tiết diện dây quấn sơ cấp máy biến áp

2 1

1 1

25,6

9,31( )2,75

I

J

Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cấp cách điện B

Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S1 9,35(mm2)

Kích thước dây quấn kể cả cách điện: a1  1,81( mm );b1 5,5( mm )

2 1

1 1

25,6

2,572( / )9,955

2 2

47, 43

17, 25( )2,75

I

J

Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cấp cách điện B

Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S2 17,9(mm2)

Kích thước dây quấn kể cả cách điện: a2  1,81( mm ); b2  10( mm )

2 2

47, 43

2,62( / )18,1

Kết cấu dây quấn sơ cấp

17 Kiểu dây quấn

Chọn kiểu dây quấn đồng tâm, bố trí theo chiều dọc trục

18 Tính sơ bộ số vòng dây trong một lớp của cuộn sơ cấp

k b

(vòng)Lấy W11 39(vòng)

Trong đó: bn: Chiều rộng của dây quấn chữ nhật kể cả cách điện.

20 Chọn số lớp dây cuộn sơ cấp

Chọn số lớp n 11 5 lớp, vậy có 196 vòng dây được chia thành 5 lớp Nên 4 lớp

đầu có số vòng mỗi lớp là 39 vòng, lớp cuối cùng có vòng dây là 40 vòng

21 Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp

11 1 1

W 39.5,5

233,2( ) 23,32( )0,92

Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày: S01 0,1( ) cm

23 Khoảng cách từ trụ đến cuộn sơ cấp

Kết cấu dây quấn thứ cấp

32 Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp

33 Tính sơ bộ số vòng dây trong một lớp

2 12 2

(vòng)Lấy W12  22(vòng)

34 Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp

2 12 12

35 Chọn số lớp dây cuộn thứ cấp

Chọn số lớp dây cuộn thứ cấp là 5 lớp, vậy có 106 vòng được chia thành 5 lớp.Chọn 4 lớp đầu có số vòng dây mỗi lớp là 22 vòng, số vòng dây còn lại của lớp cuốicùng là 18 vòng

36 Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp

12 2 2

W 22.1

23,9( )0,92

43 Đường kính trung bình các cuộn dây

45 Với đường kính trụ d=10 cm, ta chọn số bậc là 6 trong nửa tiết diện trụ.

Hình 2 12: Trụ nhiều bậc máy biến áp

46 Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ

22.(1,6.9,5 1,1.8,5 0,7.7,5 0,6.6,5 0,4.5,5 0, 7.4) 77,4( )

(lá)

11.2 440,5

(lá)

7.2 280,5

(lá)