Điều chỉnh tốc độ động cơ DC dùng chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng

Điều chỉnh tốc độ động cơ DC dùng chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU Trang 2 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Trang 31.TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU CẦU 3 PHA ………… Trang 4

1.1.Tổng quan về bộ chỉnh lưu THYRISTOR hình cầu 3 pha Trang 41.2.Chỉnh lưu THYRISTOR cầu 3 pha…… Trang 5

2.1.Phương trình đặc tính cơ Trang 52.2.Ảnh hưởng của các thông số điện đối với đặc tính cơ Trang 82.2.1.Trường hợp thay đổi điện áp phần ứng Trang 82.2.2.Trường hợp thay đổi điện trở mạch phần ứng Trang 92.2.3.Trường hợp thay đổi từ thông kích từ Trang 113.BÀI TẬP MINH HỌA Trang 12

Trang 2

LỜI NÓI ĐẦU

Chúng em xin cảm ơn thầy Trần Quang Thọ là người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và chỉ bảo chúng em trong đồ án truyền động điện này Thầy đã giúp chúng em giải quyết những vấn đề nảy sinh trong quá trình làm chuyên

đề thực tế và hoàn thành đề tài đúng thời gian quy định ban đầu Đặc biệt là học hỏi những kinh nghiệm và phong cách làm việc chuyên nghiệp của thầy

để chúng em áp dụng sau này.

Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô khoa Điện – Điện tử của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, đã tận tình giảng dạy truyền đạt cho chúng em những kiến thức về chuyên ngành nói chung và bộ môn truyền động điện nói riêng Đó là những kiến thức vô cùng quý báu mà chúng em đã học được trong thời gian qua.

Một lần nữa chúng em xin gửi lời biết ơn sâu sắc nhất đến quý thầy cô

đã giúp đỡ chúng em đã hoàn thành chuyên đề thực tế này.

Kính chúc quý thầy cô dồi dào sức khỏe.

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

I: GIỚI THIỆU.

Sự bùng nổ của tiến bộ khoa học kỹ thuật trong các lĩnh vực điện, điện tử, tin học trong những năm gần đây đã ảnh hưởng sâu sắc cả về lý thuyết thực tiển và ứng dụng rộng rải có hiểu quả cao trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau Đặt biệt là lĩnh vực điều khiển tự động và các dây truyền khép kín ra đời trong đó có lĩnh vực điều khiển động cơ điện Điền khiển động cơ điện một chiều là lĩnh vực không mới

và được ứng dụng rất nhiều trong thực tế như công nghiệp sản xuất, có khá nhiều các phương pháp điều khiển trong giới hạn đồ án môn học vận dụng các linh kiện điện tử đơn giản và các phương pháp điều khiển được học Chúng em tiến hành nghiên cứu đề tài về ‘ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC DÙNG BỘ CHỈNH LƯU CẦU 3 PHA’

II: TỔNG QUAN CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG.

II.1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ.

II.1.1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.

2 TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU THYRISTOR HÌNH CẦU 3 PHA.

2.1 Giới thiệu THYRISTOR.

THYRISTOR là linh kiện 4 lớp bán dẫn P1 – N1 – P2 – N2 liên tiếp tạo

nên 3 cực: anot A, Catot K và cực điều khiển G (gaet) tại 3 vị trí tiếp xúc nhau của các lớp P1 - N1 – P2 – N2 – P2 tạo nên các lớp tiếp giáp J1,J2,J3

Về lý thuyết có hai loại thyristor:

- Thyristor kiểu N hay thyristor có cực điều khiển G nói với vùng N gần anot

HÌNH 1.1: THYRISTOR

- Thyristor kiểu P hay Thyristor có cực G nói với vùng P gần catot

- Hoạt động của Thyristor :

- Thyristor làm với ba trạng thái : Đóng – mở - khóa

UBP: điện áp ngược đánh thủng

UBO: điện áp tự mở của Thyristor

UTO: điện áp rơi trên thyristor.

IL latching

IH dòng duy trì

HÌNH 1.2 Sơ đồ dặt tính làm việc của Thyristor

 Thyristor khóa nếu UAK < 0 và sẻ vẩn tháo nếu ta cho UAK > 0

 Thyristor chuyển qua trạng thái từ khóa sang dần nếu đồng thời đảo bảo

2 điều kiện: UAK > 0 và có dòng điều khiển IG đủ mạnh ( về cả công suất

và thời gian) Khi thyristor đã dẩn nếu ngắt dòng điều khiển đi ( IC = 0)

nó sẻ vẩn dẩn chừng nào dòng điện qua nó lớn hơn một giá trị gọi là dòng duy trì

- Trong thật tế người ta sử dụng THYRISTOR kiểu N nhiều hơn

2.2 Chỉnh lưu Thyristor cầu 3 pha

2.2.1 Sơ đồ chỉnh lưu cầu Thyristor cầu 3 pha.

Hình 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha

Hình 2.3 Dang sóng chỉnh lưu cầu 3 pha.

2.2.2 Các tham số chính của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha.

- Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu

Khi = 0 thì Ud0 = 2,34.U2

- Trỉ số trung bìnhdòng điện qua van:

- Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu khi làm việc:

- Công suất tính toán mạch MBA nguồn: Sba = 1,05Pd

- Hệ số mạch cảu điện áp chỉnh lưu Kđm = 0,057 sơ đồ chỉnh lưu 3 pha( H gồm 6 Thyristor chia thành hai nhóm)

+ Nhóm catot chung: T1,T3,T5

- Hoạt động của hồ sơ

Giả thiết T5 và T6 đang cho dòng chảy qua VF = U2C , VG = U2B khi = θ =+ - cho xung điều khiển mơ T1 Thyristor mở vì U2a >0 Sự mở của T1 lamfcho T5 bị khóa lại một cách tự nhiên và U2a > U2c, lúc này T6 và T1 cho dòng chạy qua Điện áp trên tải Ud = Uab = U2a = U2b

Khi = θ = - + cho xung điều khiển mở T2 Thyristor này mở là khi T6 nàydẫn dòng, nó đặt U2b trên catot T2 mà U2b > U2c sự mở đầu của T2 làm cho T6 bị khóa lại một cách tự nhiên U2b > U2c

Các xung điều khiển lệch nhau được lần lược đưa đến cực điều khiển củacác thyristor theo thứ tự 1,2,,3,4,5,6,1,2,……

Trong mỗi nhóm khi 1 thyristor mở nó sẻ khóa nay thyristor dẫn dòng trước nó

Tóm tắc bảng:

Giá trị trung bình điện áp:

 Nhận xét: chỉnh lưu Thyristor cầu 3 pha là loại được sử dụng nhiều nhất trong thật tế vì có nhiều ưu điểm hơn cả Nó cho phép đấu thẳng vào lướiđiện 3 pha, độ đập mạnh rất nhỏ( 5%).

Nếu có dùng biến áp thì dây lưới điện ít hơn các lạo trên, đồng thời công suất MBA cũng sắp sỉ bằng công suất tải công suất mạch chỉnh lưu có thể rất lớn lên tới hàng trăm kw

Nhược điểm của nó là sụt áp trong mạch van gắp đôi sơ đồ hình tia nên không phụ hợp với điện áp tải ra dưới 10v

2.2.3 Hiện tượng trùng dẫn

Giả sử T1, T2 đang dẫn dòng Khi θ = θ1 cho xung điều khiển mở T3, do Lc ≠

0 nên iT3 không thể tăng đột ngột từ 0 Id và dòng iT1 cũng không thể giảm đột ngột từ Id  0 Cả 3 Thyristor T1,T3,T5 đều dẫn dòng, hai nguồn ea vad eb ngắn mạch

Nếu chuyển góc tọa độ từ 0 đến θ1 ta có:

ea = U2.sin( θ + + α ) (2.2)

eb= U2.sin( θ + + α) (2.3)

Điện ngắn mạch Uc = Ub - Ua = U2 Sin ( θ + α)

Dòng điện ngắn mạch ic được xác định bởi phương trình:

Uc = U2.sin( θ + α) = 2Xc ; ic =.( cosα – cos( θ + α) ; (2.5)

Dòng điện chạy trong T1 là iT1 = Td - Ic

Dòng điện chạy trong T3 là iT3 = ic

Giả thiết quá trình trùng dẫn kết thúc khi θ = θ2 và kí hiệu µ = θ2 – θ1 là góc trùng dẫn

Khi θ = µ, iT1 =0, ta có biểu thức sau:

Cosα – cos(µ + α) = (2.6)

Hình dạng điện áp tải Ud trong giai doạn trùng dẫn và trong khoảng θ1  θ2 T2 dẫn dòng, T1, T3 trùng dẫn dòng Vậy có thể viết các phương trình như sau:

1.1 Cấu tạo:

Gồm có stator và rotor Stator là lõi thép ghép từ các lá thép kỹ thuật điện bêntrong có xẻ rảnh để đặt dây quấn kích từ Rotor là lõi thép ghép từ các lá thép kỹthuật điện bên ngoài có xẻ rảnh để đặt dây quấn phần ứng Nguồn điện mộtchiều cấp cho phần ứng thông qua hệ thống chôi than và cổ góp

a) Chổi than b) Stator

c) Rotor

Hình 1: Các bộ phận chính của động cơ một chiều

Đặc tính cơ của động cơ điện là quan hệ giữa tốc độ quay và mô men của

động cơ được thể hiện dưới dạng: n=f(Mđc), có 2 loại đặc tính cơ:

 Đặc tính cơ tự nhiên: Nếu như động cơ vận hành ở chế độ định mức (điện

áp, tần số, từ thông định mức và không nối thêm các điện trở, điện khángvào động cơ) Trên đặc tính cơ tự nhiên ta có điểm làm việc định mức cógiá trị Mđm, Wđm

 Đặc tính cơ nhân tạo: Là đặc tính khi ta thay đổi các tham số nguồn hoặcnối thêm các điện trở, điện kháng vào động cơ

2.1.Phương trình đặc tính cơ:

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập cuộn kích từ được cấp điện từ nguồn một chiều độc lập với nguồn điện cấp cho rotor

Hình 2: sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ độc lập.

Khi động cơ làm việc, rotor mang cuộn dây phần ứng quay trong từ trường củacuộn cảm nên trong cuộn ứng xuất hiện một sức điện động cảm ứng có chiềungược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ Theo sơ đồ nguyên lý trên hình 2,

có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng (rotor) như sau:

(2.1)Trong đó:

- Uư là điện áp phần ứng động cơ (V)

- Eư là sức điện động phần ứng động cơ (V)

- Rư là điện trở cuộn dây phần ứng (Ω)

- Rp là điện trở phụ mạch phần ứng (Ω)

- Iư là dòng điện phần ứng động cơ

(2.2)

Trong đó:

-rư là điện trở cuộn dây phần ứng

-rct là điện trở tiếp xúc giửa chổi than và phiến góp

 - 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:

(2.4)

Nhờ lực từ trường tác dụng vào dây dẫn phần ứng khi có dòng điện, rotor quay dưới tác dụng cùa momen quay:

(2.5)

Từ hệ 2 phương trình (2.1) và (2.3)ta có thể rút ra được phương trình đặc tính cơđiện (hay phương trình đặc tính tốc độ) biểu thị mối quan hệ ω =f(I) của động cơđiện một chiều kích từ độc lập như sau:

  Uu K

−Ru  Rp I K

u

(2.6)

Từ phương trình (2.5) rút ra Iư thay vào phương trình (2.6) ta được phương trìnhđặc tính cơ biểu thị mối quan hệ ω = f(M) của động cơ điện một chiều kích từđộc lập như sau:

  Uu K

gọi là tốc độ không tải lý tưởng

gọi là độ sụt tốc độ.

Phương trình đặc tính cơ (2.7) có dạng hàm bậc nhất y = B + Ax, nên đường biểudiễn 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:

Uu K

.Tốc độ 0 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 khôngthể đạt được ở chế độ động cơ vì không bao giờ xảy ra trường hợp

M c

= 0

Hình 3 - 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 của đặctính cơ với trục hoành 0M có tung độ ω = 0 và có hoành độ suy từ phương trình(2.7):

Hình 4- 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 giátrị 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 cơđang chạy mà bị dừng lại vì bị kẹt hoặc tải lớn quá kéo không được Dòngđiện I này

lớn và thường

bằng:

Inm  (10  20)Idm

2.2 Ảnh hưởng của các thông số điện đối 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 số điện U, RP và

f Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng thông số này

2.2.1 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 thể thay đổi về phía giảm

Trang 23

Uư biến đổi; RP = const;  = constTrong phương trình đặc tính cơ, ta thấy độ dốc (hay độ cứng) đặc tính cơ

không thay đổi:

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

Trang 24

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 tự nhiên

Hình 5 - Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

khi giảm điện áp phần ứng

Khi thay đổi điện áp (giảm áp ) thì mô men ngắn mạch, dòng điện ngắn mạchcủa động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với phụ tải nhất định Dó đóphương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chếdòng điện khi khởi động

Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằng biện pháp thay đổi điện áp phần ứng có các đặc điểm sau:

-Điện áp phần ứng càng giảm, 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 mômen là như nhau

Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh Dovậy, sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp nhất không vượtquá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh

-Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể: D ~ 10:1.

-Chỉ có thể điều chỉnh tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổi với Uư ≤ Uđm ).

-Phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn để có thể thay đổi trơn điện áp

ra 2.2.2 Trường hợp thay đổi điện trở mạch phần ứng

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

Uư = const ; Rưf = var;  = const

Trường hợp này tốc độ không tải giữ nguyên:

Còn độ dốc (hay độ cứng) của đặc tính cơ thay đổi tỷ lệ thuận theo RưΣ

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

Hình 6 - 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.

Như vậy khi thay đổi điện trở phụ Rf ta được một họ đặc tính cơ biến trở ứngvới một phụ tải MC nào đó, nếu MC càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm.Người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnhtốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản

Đặc điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng:

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

-Phương pháp chỉ cho phép điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thể tăng thêm điện trở)

-Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng cho nên tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trên điện trở càng lớn

- Dải điều chỉnh phụ thuộc vào trị số mômen tải Tải càng nhỏ (M1) thì dải điều

D  max chỉnh càng nhỏ Nói chung, phương pháp này cho dải điều chỉnh:D ≈ 5:1

1 

min

-Về nguyên tắc, phương pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi điện trởnhưng vì dòng rotor lớn nên việc chuyển đổi điện trở sẽ khó khăn Thực tếthường sử dụng chuyển đổi theo từng cấp điện trở

2.2.3 Trường hợp thay đổi từ thông kích từ :

Uư = const ; Rưf = const;  = var

Để thay đổi từ thông  , ta phải thay đổi dòng điện kích từ nhờ biến trở Rkt mắc

ở mạch kích từ của động cơ Vì chỉ có thể tăng điện trở mạch kích từ nhờ Rkt nên

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 đều thay đổi

  Uu K

−Ru  Ruf

Hình 7 - Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông kích từ.

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông có các đặc điểm sau:

-Từ thông càng giảm thì tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng,tốc

độ động cơ càng lớn

-Độ cứng đặc tính cơ giảm khi giảm từ thông

-Có thể điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh:D ~ 3:1

-Chỉ có thể điều chỉnh thay đổi tốc độ về phía tăng

-Do độ dốc đặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các đặc tính sẽ cắt nhau và

do đó, với tải không lớn (M1) thì tốc độ tăng khi từ thông giảm Còn ở vùng tảilớn (M2) tốc độ có thể tăng hoặc giảm tùy theo tải Thực tế, phương pháp nàychỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so với định mức

-Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từvới dòng kích từ là (1÷10)% dòng định mức của phần ứng Tổn hao điều chỉnhthấp

3.

BÀI TẬP MINH HỌA: