- Dựa vào các thơng số của động cơ và đặc tính vạn năng vẽ được đặc tính cơ, đặc tính cơ điện tự nhiên.
3.3.2Các bộ nguồn thường dùng trong hệ điều tốc một chiều
Với những ưu điểm của hệ của mình, cĩ thể nĩi hệ điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện áp là phương pháp chủ yếu được dùng của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, đặc biệt là các hệ truyền động điện tự động. Điều chỉnh điện áp phần ứng địi hỏi một nguồn điện một chiều phải điều khiển được. Trên thực tế cĩ 3 loại nguồn điện thường dùng là:
- Hệ chỉnh lưu tĩnh
- Bộ phát xung một chiều hoặc bộ biến đổi độ rộng xung. Tương ứng với các bộ nguồn ta cĩ các hệ thống đĩ là: - Hệ thống máy phát - động cơ (F – Đ)
- Bộ chỉnh lưu - động cơ (V – Đ) - Bộ phát xung - động cơ
a. Hệ máy phát - động cơ:
Hệ thống máy phát - động cơ (F-Đ) là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi (BBĐ) điện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập. Máy phát này thường do động cơ sơ cấp khơng đồng bộ 3 pha quay và coi tốc độ quay của máy phát là khơng đổi.
Lấy ví dụ ta cĩ một sơ đồ hệ thống F – Đ đơn giản như trên hình 3.9.
Hình 3.9: Cấu trúc hệ thống F – Đ đơn giản
Trong sơ đồ gồm cĩ:
- K là máy phát kích từ là loại máy điện một chiều cĩ cuộn kích từ độc lập CKK cấp nguồn kích từ cho hệ F – Đ. Máy phát kích từ K cĩ thể được thay thế bằng các loại nguồn một chiều khác độc lập với mạch phần ứng F – Đ ví dụ như nguồn điện ắc quy, bộ chỉnh lưu điốt,…
- ĐK: Động cơ sơ cấp, cĩ thể là động cơ khơng đồng bộ 3 pha rơto lồng sĩc hoặc động cơ đồng bộ hay động cơ điezel để lai đồng trục (ĐTr) các máy phát K và F. Trong trường hợp như ở hình 7 ta sử dụng động cơ khơng đồng bộ 3 pha rơto lồng sĩc. Động cơ sơ cấp chỉ làm việc ở một tốc độ duy nhất và khơng cần đảo chiều quay.
- F: Máy phát một chiều cĩ cuộn kích từ độc lập CKF hoặc cĩ thể sử dụng máy khuếch đại điện từ trường ngang (ЭМУ).
- Đ: Động cơ điện một chiều cĩ cuộn kích từ độc lập CKĐ, là động cơ thừa hành cần điều chỉnh tốc độ
- Các cặp tiếp điểm của các khí cụ điều khiển dùng để đảo chiều dịng kích từ cho máy phát F là T và N nhằm đảo chiều quay động cơ điện Đ bằng phương pháp đổi chiều điện áp phần ứng.
- RKF và RKĐ là các biến trở điều chỉnh dịng kích từ của F và Đ. Điện áp ra của bộ biến đổi cấp cho động cơ Đ:
UF = UĐ = EF – I.RưF = kФFĐTr – I.RưF
Khi ta thay đổi giá trị của biến trở RKF thì sẽ làm cho dịng điện qua cuộn kích từ CKF thay đổi, do đĩ từ thơng kích từ ФF của máy phát thay đổi (giảm), dẫn đến điện áp uF thay đổi, do đĩ tốc độ động cơ Đ thay đổi < cb. Như vậy, bằng cách điều chỉnh biến trở RKF, ta điều chỉnh điên áp phần ứng của động cơ Đ trong khi giữ từ thơng khơng đổi ФĐ = Фđm.
Khi thay đổi giá trị của biến trở RKĐ ta cĩ thể thay đổi từ thơng kích từ của động cơ Đ. Khi ФĐ giảm thì tốc độ động cơ Đ tăng. Trong khi điều chỉnh từ thơng ФĐ,ta giữ điện áp phần ứng động cơ khơng đổi UưĐ = Uđm.
Để tiến hành đảo chiều, cặp tiếp điểm T đĩng hoặc N đĩng, dịng điện kích từ máy phát ICKF đảo chiều, do đĩ đảo chiều từ thơng ФF do đĩ UF đảo dấu, dẫn đến tốc độ đảo chiều.
Khi thực hiện hãm thì động cơ Đ sẽ qua 2 giai đoạn hãm tái sinh: + Tăng ФĐ về định mức
+ Giảm điện áp phần ứng của động cơ về giá trị 0. Nhận xét về hệ F-Đ:
- Ưu điểm:
+ Điều chỉnh tốc độ đơn giản, ít tốn năng lượng vì chỉ thực hiện trong mạch kích từ.
+ Dễ dàng đảo chiều quay bằng cách đảo chiều từ thơng máy phát hoặc đảo chiều từ thơng động cơ. Tuy nhiên trong thực tế thường dùng cách đảo chiều từ thơng máy phát vì khơng thể để ФĐ = 0 (ω → ∞).
- Nhược điểm:
+ Nhược điểm quan trọng nhất của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quay, trong đĩ ít nhất là 2 máy điện một chiều, trọng lượng và kích thước lớn,
gây tiếng ồn lớn khi làm việc, cơng suất lắp đặt máy ít nhất gấp 3 lần cơng suất động cơ chấp hành, dẫn đến giá thành tăng, hiệu suất thấp, tổn hao lớn.
+ Ngồi ra, do các máy phát một chiều cĩ từ dư, đặc tính từ hĩa cĩ trễ nên khĩ điều chỉnh sâu tốc độ (tốc độ thấp).
Phạm vi điều chỉnh tốc độ: D = Du.Dφ = 10.(2÷3)/1 = (20 ÷ 30)/1
Phạm vi điều chỉnh tốc độ bị chặn dưới bởi điện áp dư Udư. Tốc độ max
bị chặn trên bởi giới hạn cơ học. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khi dịng kích từ ICKF = 0 thì UF = Udư ≠ 0, do đĩ tồn tại giá trị tốc độ ω ≠ 0. Vì vậy để giảm nhanh tốc độ động cơ về 0 ta phải thực hiện hãm động năng.
b. Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ (V – Đ):
Với những nhược điểm như đã nêu đối với hệ thống F – Đ cùng với sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn, cĩ thể nĩi hệ điều chỉnh tốc độ động cơ sử dụng bộ chỉnh lưu bán dẫn ngày một chiếm ưu thế và dần trở thành hình thức chủ yếu của hệ điều tốc một chiều.
Tuỳ thuộc vào loại nguồn mà thực tế cĩ rất nhiều sơ đồ chỉnh lưu khác nhau được phân loại như sau:
- Theo số pha cĩ: Chỉnh lưu 1 pha, chỉnh lưu 3 pha,...
- Theo sơ đồ nối cĩ: Chỉnh lưu nửa chu kỳ, chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ, chỉnh lưu hình cầu, chỉnh lưu hình tia, chỉnh lưu đối xứng và khơng đối xứng...
- Theo sự điều khiển cĩ: Chỉnh lưu khơng điều khiển, chỉnh lưu cĩ điều khiển, chỉnh lưu bán điều khiển.
- Theo số nhịp: Số xung áp đập mạch trong thời gian một chu kỳ điện áp nguồn.
- Theo chế độ năng lượng: Chế độ chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc. - Theo tính chất dịng tải: Chế độ dịng liên tục và dịng gián đoạn. Để điều khiển được điện áp đầu ra, trên sơ đồ các bộ chỉnh lưu phải sử dụng các van chỉnh lưu điều khiển được. Thực tế các loại sơ đồ thường sử dụng tồn bộ các linh kiện thiristor hoặc kết hợp cả thiristor với điốt bán dẫn. Bộ biến đổi van cĩ chức năng chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành dịng một chiều và biến đổi giá trị sức điện động đầu ra cấp cho động cơ thừa hành. Vì mạch phần ứng động cơ thường cĩ cơng suất khơng nhỏ nên để làm bộ biến đổi van người ta phải dùng các linh kiện điện tử cơng suất lớn.
Một bộ biến đổi van bán dẫn cĩ thể gồm cĩ máy biến áp lực BA, bộ van chỉnh lưu bán dẫn CL, cuộn kháng lọc CK, các thiết bị bảo vệ và hệ thống điều khiển ĐK. Biến áp lực dùng để biến đổi giá trị điện áp của lưới cho phù hợp với cấp điện áp của động cơ. Ngồi ra nĩ cịn cĩ khả năng biến đổi số pha, tạo điểm trung tính khi cần thiết, hạn chế biên độ của dịng ngắn mạch, giảm tốc độ tăng trưởng của dịng điện trong van và cải thiện hình dáng dịng điện nhận từ lưới.
Điện áp sau khi chỉnh lưu là một hàm tuần hồn khơng sin. Khai triển Fourier ta sẽ được một hàm trong đĩ cĩ tồn tại các thành phần sĩng hài bậc cao. Cuộn kháng CK dùng để lọc các thành phần bậc cao đĩ để lấy thành phần một chiều A0.
f(t) = A0 + ΣAisiniωt + ΣBicosiωt
Trong thực tế khơng thể lọc hết hồn tồn các thành phần sĩng hài bậc cao, do đĩ cịn tồn tại thành phần dịng điện xoay chiều chạy qua động cơ làm động cơ nĩng hơn so với trường hợp làm việc trong hệ F-Đ.
Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu thiristor - động cơ một chiều, bộ biến đổi điện là các mạch chỉnh lưu điều khiển cĩ điện áp ra tải Ud phụ thuộc vào giá trị của gĩc điều khiển van thiristor. Chỉnh lưu cĩ thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dịng điện kích thích động cơ, tuỳ theo yêu cầu cụ thể của truyền động mà cĩ thể dùng các sơ đồ chỉnh lưu thích hợp. Chỉnh lưu dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng thì tải của bộ biến đổi là (L – R – E), cịn nếu dùng làm nguồn điều chỉnh dịng kích từ thì tải là (L – R).
Các sơ đồ của hệ thống V – Đ được chia ra làm hai nhĩm:
- Hệ thống V – Đ khơng đảo chiều được biểu diễn như trên hình 3.10, trong đĩ:
+ Hình 3.10 a: bộ chỉnh lưu CL1 là loại chỉnh lưu cĩ điều khiển, sử dụng thiristor để điều chỉnh điện áp phần ứng, CL2 là bộ chỉnh lưu sử dụng điốt để cấp nguồn điện cho cuộn kích từ động cơ CKĐ.
+ Hình 3.10 b: Sử dụng sơ đồ ngược với hình a, CL1 dùng điốt, CL2 dùng thiristor điều tốc bằng thay đổi từ thơng kích từ.
a) b)
c) d)
e) f)
Hình 3.10: Các sơ đồ truyền động V – Đ khơng đảo chiều
+ Hình 3.10 c: Cả hai bộ chỉnh lưu CL1 và CL2 đều dùng chỉnh lưu cĩ điều khiển để điều tốc kết hợp cả hai phương pháp điều chỉnh điện áp phần
ứng và điều chỉnh từ thơng kích từ. Chính vì vậy mà dải điều chỉnh tốc độ được nâng lên.
+ Hình 3.10 d: Dùng chỉnh lưu cầu một pha cĩ điều khiển để thay đổi điện áp phần ứng.
+ Hình 3.10 e: Dùng chỉnh lưu hình tia một pha cĩ điều khiển để thay đổi điện áp phần ứng.
+ Hình 3.10 f: Dùng cầu chỉnh lưu ba pha cĩ điều khiển để thay đổi điện áp phần ứng.
- Hệ thống V – Đ cĩ đảo chiều quay (hình 3.11): (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nguồn điện xoay chiều ba pha được qua bộ chỉnh lưu cĩ điều khiển để cấp điện cho mạch phần ứng động cơ. Để đảo chiều quay động cơ cĩ thể thực hiện bằng hai cách: Đảo chiều điện áp phần ứng (xem hình 3.11a) hoặc đảo chiều từ thơng kích từ (xem hình 3.11b).
a)
b)
Hình 3.11: Các sơ đồ hệ thống V – Đ đảo chiều
Trong các sơ đồ đảo chiều trên, cuộn kháng cân bằng CB dùng để chặn dịng điện cân bằng chảy qua hai bộ chỉnh lưu khi đảo chiều.
Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều phụ thuộc vào chế độ làm việc của bộ biến đổi (chế độ làm việc của các van thiristor) như: Chế độ dịng điện (dịng liên tục hay gián đoạn), chế độ chỉnh lưu hay nghịch lưu phụ thuộc (gĩc mở van , nếu 00 < < 900 thì ta cĩ chế độ chỉnh lưu cịn 900 < < 1800
là chế độ nghịch lưu phụ thuộc), hiện tượng trùng dẫn trong mạch. Nếu dịng điện là liên tục thì ta cĩ thể coi đặc tính cơ của động cơ điện cĩ dạng tuyến tính và khi đĩ cĩ thể coi bộ biến đổi thiristor là một nguồn điện áp tuyến tính điều khiển được. Tuy nhiên trên thực tế, dịng điện qua động cơ phụ thuộc rất lớn vào tải và điện cảm của cuộn kháng CK. Khi dịng tải nhỏ và giá trị điện cảm của mạch nhỏ thì đặc tính cơ của động cơ sẽ cĩ đoạn phi tuyến, tương ứng với chế độ dịng điện gián đoạn. Tại đoạn đặc tính ứng với chế độ dịng điện liên tục, đặc tính cơ mềm hơn so với trường hợp sử dụng hệ F – Đ (xem hình 3.12).
Từ các sơ đồ ta cĩ thể đưa ra một số nhhận xét về hệ V – Đ: - Ưu điểm:
+ Tác động nhanh, nhạy: So với hệ F – Đ thì khả năng tác động ở cấp giây nhưng hệ V – Đ ở cấp mili giây (ms), vì vậy mà giảm được thời gian quá độ của hệ truyền động.
+ Cĩ khả năng tự động hĩa cao.
+ Sơ đồ mạch đơn giản, nhỏ gọn, cĩ tính kinh tế cao
+ Các van bán dẫn làm việc ổn định, tin cậy, khơng gây ồn và ơ nhiễm mơi trường so với trường hợp dùng hệ F – Đ.
+ Tổn thất năng lượng trong hệ điều chỉnh giảm nhỏ đáng kể so với hệ F – Đ.
- Nhược điểm:
+ Do tính dẫn điện một chiều của bán dẫn nên nĩ khơng cho phép dịng điện chạy ngược chiều nên việc đảo chiều quay của động cơ gặp khĩ khăn. Nếu bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu thì khơng thể đảo chiều quay của động cơ (chỉ làm việc trong gĩc ¼ thứ nhất), nếu làm việc ở chế độ chỉnh lưu điều khiển tồn phần (cả chỉnh lưu và nghịch lưu) thì động cơ cĩ thể vận hành ở chế độ hãm đảo chiều (gĩc ¼ thứ nhất và thứ tư). Trường hợp muốn động cơ vừa làm việc ở chế độ động cơ vừa làm việc ở chế độ hãm (cả bốn gĩc tọa độ) thì phải sử dụng mạch điện chỉnh lưu khống chế tồn phần, thiết bị biến dịng kèm theo phải tăng gấp đơi.
+ Khả năng quá tải thấp: Các linh kiện bán dẫn rất nhạy cảm với trị số quá định mức của các đại lượng như dịng điện, điện áp; sự tăng trưởng của dịng điện và điện áp; đặc tính làm việc của linh kiện chịu ảnh hưởng lớn của nhiệt độ mơi trường. Chỉ cần một lượng quá tải nhỏ trong một khoảng thời gian ngắn cũng cĩ thể gây hư hỏng, cháy linh kiện. Vì vậy mạch điện bắt buộc phải cĩ đầy đủ các thiết bị bảo vệ tin cậy, điều kiện tản nhiệt tốt.
+ Ở trạng thái điều khiển sâu tốc độ (tốc độ thấp) thì gĩc mở của thiristor rất lớn, hệ số cơng suất của hệ thống sẽ bị giảm rất thấp, đồng thời sẽ sinh ra dịng điện hài cao tần làm cho sĩng điện áp mạng điện bị biến dị, làm nhiễu các thiết bị vơ tuyến, thiết bị điện xung quanh. Nếu thiết bị điều khiển tốc độ bán dẫn thiristor cĩ dung lượng khá lớn trong mạng điện thì sinh ra tổn hao cơng suất khơng nhỏ. Trong trường hợp này buộc phải lắp thêm thiết bị bù vơ cơng và bộ lọc sĩng hài.
c. Bộ tạo xung điện áp một chiều hoặc bộ biến đổi độ rộng xung (bộ PWM):
Trong thiết bị dẫn động đầu máy tàu hỏa chạy điện, đầu máy xe điện hầm mỏ, đầu máy xe điện ngầm,…thường sử dụng động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp hoặc kích từ hỗn hợp do nguồn điện một chiều điện áp khơng đổi cấp điện. Trước kia, người ta dùng cách đĩng cắt điện trở để khởi động và hãm xe điện, điện năng tiêu tốn rất lớn ở điện trở. Với sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn nên hiện nay chủ yếu sử dụng bộ phát xung hay cịn gọi là bộ điều áp một chiều.
t
tlv tn
Us Ud
T
Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý và đồ thị điện áp của hệ thống bộ phát xung – động cơ
Sơ đồ nguyên lý cơ bản của bộ phát xung được trình bày như trên hình 3.13. Sự khác biệt của nĩ so với mạch chỉnh lưu là ở chỗ: Hệ bán dẫn thiristor ở đây khơng chịu sự điều khiển của gĩc pha mà làm việc ở trạng thái đĩng mở. Lúc tiristor Tc dẫn, điện áp nguồn Us được đặt vào động cơ; lúc Tc bị khĩa, nguồn điện một chiều cắt khỏi động cơ, nhưng do hiện tượng cảm ứng điện từ nên sức điện động cảm ứng trong động cơ vẫn duy trì dịng điện chảy qua động cơ và khép kín mạch qua điốt D2, điện áp hai đầu giảm dần về tới 0. Cứ như thế lặp đi lặp lại, ta nhận được đồ thị điện áp đầu vào mạch phần ứng động cơ là một hàm phụ thuộc vào thời gian dẫn và khĩa của tiristor Tc là u = f(t) như trên hình 3.14, tựa như điện áp nguồn Us trong khoảng thời gian tlv. Như vậy điện áp trung bình mà động cơ nhận được là:
(3-5) trong đĩ:
T – chu kỳ đĩng mở của thiristor Tc
tlv – thời gian mở thơng của thiristor Tc
- hệ số phân áp (hay cịn gọi là tỷ số chiếm khơng) f – tần số đĩng cắt của điện áp nguồn
Hình 3.14: Đồ thị điện áp của bộ phát xung áp một chiều (PWM) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});