3. Kiến thức chuyên môn:
2.3Các trạng thái hãm
Trong chế độ hãm, động cơ hoạt động ở chế độ máy phát: nhận năng lượng từ tải và biến thành điện năng. Tùy theo cách tiêu tán năng lượng này, ta có các phương pháp hãm khác nhau:
- Hãm tái sinh - Hãm động năng - Hãm ngược
Hãm tái sinh (Regenerative braking)
Trong chế độ hãm tái sinh, động cơ nhận năng lượng từ tải, biến thành điện năng và trả về lưới. Đây là phương pháp hãm có hiệu suất cao nhất.
Mạch tương đương của động cơ DC kích từ độc lập trong chế độ hãm tái sinh được biểu diễn ở hình 2.3
Hình 2.3: Động cơ DC kích từ độc lập ở chế độ hãm tái sinh
Trong chế độ hãm tái sinh, sức điện động E cần phải lớn hơn nguồn cung cấp V và dòng qua động cơ chạy theo hướng ngược lại so với chế độ động cơ. Khi sử dụng bộ biến đổi bán dẫn, cần lưu ý là ở chế độ hãm tái sinh, hệ thống bộ biến đổi – động cơ phải có khả năng tải dòng theo cả hai chiều, hoặc phải đảo chiều được điện áp ra. Để thực hiện được điều này, bộ biến đổi phải có cấu hình và quy luật điều khiển thích hợp.
Bằng cách điều khiển điện áp phần ứng, dòng phần ứng và tương ứng là mômen hãm có thể điều khiển theo yêu cầu truyền động điện.
Động cơ kích từ nối tiếp
Động cơ kích từ nối tiếp không thể dùng ở chế độ hãm tái sinh bằng cách nối mạch đơn giản như động cơ DC kích từ độc lập.
Phương pháp thường được sử dụng trong chế độ hãm tái sinh cho động cơ DC kích từ nối tiếp là nối động cơ với một động cơ kích từ song song. Cuộn kích từ lúc này được nối tiếp với một điện trở phụ để hạn chế dòng kích từ trong một phạm vi an toàn. Một phương pháp khác là sử dụng bộ biến đổi chopper với cấu hình thích hợp và đấu nối lại cuộn kích từ để động cơ hoạt động tương tự như một động cơ kích từ độc lập.
Việc hãm động năng với động cơ DC được thực hiện bằng cách ngắt nguồn cung cấp ra khỏi động cơ và nối phần ứng động cơ qua một điện trở thích hợp. Động cơ lúc này như một máy phát tạo ra mômen hãm.
Sơ đồ đấu dây của động cơ DC kích từ độc lập ở chế độ hãm động năng được trình bày ở hình 2.4
Hình 2.4: Sơ đồ đấu dây khi hãm động năng động cơ DC kích từ độc lập
Trong trường hợp hãm động năng động cơ DC kích từ độc lập, đặc tính cơ của động cơ khi hãm có thể tính toán bằng công thức (2.3) với U = 0 và giá trị thích hợp của Rư (kể đến điện trở hãm trong mạch phần ứng).
Hãm ngược
Đối với động cơ DC kích từ độc lập hoặc song song, chế độ hãm ngược xảy ra khi cực tính nguồn hoặc phần ứng động cơ đảo chiều khi động cơ đang hoạt động. Dòng qua động cơ sẽ có chiều ngược với chiều dòng điện ở chế độ động cơ và sinh ra mômen hãm.
Đối với động cơ kích từ nối tiếp việc hãm ngược được thực hiện bằng cách đảo cực tính phần ứng hoặc cuộn kích từ.
Thông thường, cần thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để hạn chế dòng hãm ở giá trị cho phép.
Đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập và kích từ nối tiếp khi hãm ngược nhận được bằng cách thay đổi U bằng –U trong các công thức (2.3) hoặc (2.4). Mômen hãm khác zero khi tốc độ là zero. Khi hãm ngược, dùng để hãm dừng động cơ cần ngắt nguồn cung cấp khi tốc độ gần bằng không, nếu không, động cơ sẽ gia tốc theo chiều ngược lại.
Hãm ngược là phương pháp cho hiệu suất thấp, vì năng lượng của tải và nguồn đều tiêu hao hết trên điện trở phần ứng và điện trở hãm.
CHƢƠNG 3
HỆ THỐNG BỘ CHỈNH LƢU
3.1 Bộ chỉnh lƣu
Khái niệm chung:
Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Bộ chỉnh lưu được áp dụng làm nguồn điện một chiều có điều khiển cấp cho các thiết bị mạ, thiết bị hàn một chiều, nguồn điện cho các truyền động động cơ điện một chiều, nguồn cung cấp cho mạch kích từ của máy điện một chiều hoặc máy điện đồng bộ. Bộ chỉnh lưu còn dùng để chuyển đổi điện áp xoay chiều thành dạng một chiều để truyền tải đi xa (HVDC). Bộ chỉnh lưu còn tạo thành một bộ phận trong thiết bị biến tần, cycloconventer dùng trong truyền động động cơ xoay chiều. Công suất của các bộ chỉnh lưu có thể từ vài trăm W đến hàng chục MW.
3.2 Các thông số đánh giá chất lƣợng của hệ
Khi động cơ hoạt động với bộ chỉnh lưu có điều khiển, dòng qua động cơ không phải là hằng số. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng đáp ứng của hệ thống và ảnh hưởng lên nguồn cung cấp. Một số thông số sau đây ảnh hưởng đến chất lượng đáp ứng của động cơ, cũng như ảnh hưởng của hệ thống lên nguồn AC cung cấp:
1- Đặc tính cơ của động cơ
2- Tính chất của dòng điện qua động cơ: có thể là lien tục hoặc gián đoạn. Điều này ảnh hưởng lên đặc tính cơ và đáp ứng quá độ của hệ thống.
3- Dòng phần ứng trung bình Iư; khi động cơ hoạt động với bộ chỉnh lưu, dòng phần ứng trung bình là: Iư = T 1 dt iu.
Trong đó: Iư: dòng phần ứng tức thời (biến thiên theo t) α: góc kích của SCR
4- Dòng phần ứng hiệu dụng Iưhd được xác định bởi công thức: Iưhd = dt i T u 2 1
Nhiệt sinh ra trong phần ứng động cơ tỷ lệ với dòng phần ứng hiệu dụng.
5- Dòng phần ứng đỉnh iưm: sự chuyển mạch gây ra tia lửa điện ở cổ góp động cơ DC phụ thuộc vào giá trị đỉnh của dòng phần ứng.
3.3 Phân loại bộ chỉnh lƣu
Tùy thuộc vào chức năng, đặc điểm người ta chia ra thành các loại sau: - Theo khả năng điều khiển:
+ Bộ chỉnh lưu không điều khiển + Bộ chỉnh lưu có điều khiển
Bộ chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển - Theo cách đấu dây:
+ Bộ chỉnh lưu 1 pha + Bộ chỉnh lưu 3 pha
- Theo chu kỳ chỉnh lưu:
+ Bộ chỉnh lưu bán kỳ: đối xứng và không đối xứng + Bộ chỉnh lưu toàn kỳ
Bộ chỉnh lưu 1 pha bán kỳ đối xứng
Bộ chỉnh lưu 1 pha toàn kỳ
Nhận xét: nội dung đồ án là “điều khiển tốc độ động cơ qua bộ chỉnh lưu toàn kỳ 1 pha” nên ta chỉ xét sâu đến “bộ chỉnh lưu toàn kỳ 1 pha có điều khiển”.
Kết quả mô phỏng dạng sóng bằng phần mềm psim
Các giá trị, thông số cơ bản:
- Điện áp trung bình chỉnh lưu (điện áp tải): Ud =
2
2 U.cos α (V) - Trị trung bình dòng chỉnh lưu (dòng điện tải):
Id =
R E Ud
(A) - Áp ngược lớn nhất mà SCR phải chịu:
URWM = 2U = Us - Dòng trung bình qua SCR: IT1 = … = IT4 = 2 d I
- Trị hiệu dụng dòng điện nguồn:
I1 = Id - Công suất tiêu thụ trên tải:
Pd = Ud.Id
- Hệ số công suất nguồn bộ chỉnh lưu:
γ = . 0,901.cos . 2 2 . . 1 d d d d d d d I U I U I U I U S P
CHƢƠNG 4 MẠCH THỰC TẾ
4.1 Mạch mô phỏng 4.1.1 Mô phỏng psim 4.1.1 Mô phỏng psim
Mô phỏng bộ “điều khiển tốc độ động cơ qua bộ chỉnh lưu toàn kỳ 1 pha” bằng phần mềm psim như hình sau (ở đây ta mô phỏng động cơ DC kích từ độc lập):
Tốc độ động cơ khi góc kích α = 1200 là n = 216 vòng/phút:
Thêm điện trở phụ (Rf = 0,75Ω) với góc kích α = 1200 tốc độ giảm: n = 156 vòng/phút
4.1.2 So sánh thực tế
Trên thực tế bộ điều khiển tốc độ động cơ có động cơ quay khi được điều chỉnh quay nhanh nhất với tốc độ khoảng 200 vòng/phút, nhưng với phần mềm mô
phỏng psim thì đo được tốc độ tại góc kích 1200 là n = 216 vòng/phút.
Ở đây có sự chênh lệch nhỏ so với thực tế, nguyên nhân có thể là do động cơ mua trên thực tế với các tiêu chuẩn, thông số chỉ gần giống với động cơ trong phần mềm mô phỏng, điện áp đầu vào nguồn 220V có thể không ổn định hoặc máy biến áp 220/12VAC không hoàn toàn giống trong phần mềm mô phỏng, sự tổn thất điện áp rơi trên thyristor, độ chính xác của các thông số của linh kiện chỉ mang tính tương đối, không hoàn toàn chính xác như trong mô phỏng.
4.2 Mạch thực tế
4.2.1 Các khối mạch điều khiển thyristor
- Khối nguồn
Có nhiệm vụ cung cấp nguồn năng lượng cho khối cách ly ngõ ra lấy từ lưới điện xoay chiều 220VAC có tần số f = 50Hz.
- Khối cách ly ngõ vào và ngõ ra:
Hai khối này làm nhiệm vụ cách ly mạch điều khiển thyristor với phần công suất của mạch chỉnh lưu, phân dòng từ phần công suất chảy vào phần điều khiển hay ngược lại. Các khối này thường được sử dụng máy biến áp để cách ly.
- Khối đồng bộ:
Đưa điện áp vào mạch tích phân, làm cho dạng sóng lệch đi một góc 900
và lấy điện áp này so sánh với điện áp điều khiển. Sơ đồ đồng bộ cosin và đồ thị điện áp:
Đồng bộ cosin
Dạng sóng đồng bộ
Tạo đồng bộ cosin trong khoảng từ 0 đến 1800, Uđk và Uđb (chỉ cắt một điểm). Yêu cầu ứng với mỗi giá trị của t thì có một giá trị của U.
- Khối so sánh:
Ta sử dụng đặc tính của OPAMP để thực hiện so sánh điện áp đầu vào cổng V+ và V-, so sánh giữa điện áp đồng bộ (cosin) với điện áp điều khiển Uđk. Khi
Uđb=Uđk thì OPAMP sẽ phát ra một xung vuông để kích cho thyristor. - Khối tạo xung:
Có nhiệm vụ sửa dạng xung đầu ra của bộ so sánh sao cho có độ rộng và biên độ thích hợp với thyristor cần kích. Có thể chọn dòng kích lớn, điện áp kích nhỏ hoặc ngược lại. độ rộng xung được quyết định bởi thời gian dòng qua thyristor đạt đến giá trị dòng cài (tra trong sổ tay nghiên cứu ứng với loại thyristor sử dụng).
Trong thực tế mạch tạo xung vuông thường sử dụng mạch vi phân.
Gọi tx là độ rộng xung: tx = C (R1 // R2) Chọn C = 0.47µF
Chọn R1 và R2 sẽ được độ rộng xung tx thích hợp.
* Nguyên lý hoạt động:
a) Khi điều chỉnh biến trở RV1 kéo lên trên (tăng giá trị biến trở) Bán kỳ dương:
- Dòng điện từ nguồn V1 chạy thành 2 nhánh tới thyristor T1 và điện trở R1. Dòng điện tới chân số 2 của con opamp U1, tại đây U1 sẽ so sánh điện áp giữa chân + và chân -, vì V+ < V- nên điện áp ra tại chân số 1 bằng 0. Chân số 2 của opamp U2 sẽ so sánh điện áp giống như U1, vì V+ > V- nên dòng ra tại chân số 1 của U2 lớn hơn 0. Điện trở R2 có nhiệm vụ hạn dòng. Dòng điện qua diode D4 tới diode D3và kích cho thyristor T1. T1 dẫn khi đồng thời có dòng kích và đang ở trạng thái dẫn thuận, như vậy T1 sẽ dẫn và dòng tới động cơ và làm động cơ quay. Diode D4 có nhiệm vụ chống dòng xuống mass mà không qua động cơ. Còn điện trở R3 và R4 thì hạn dòng nếu dòng qua R2 vẫn còn quá lớn và dẫn dòng xuống mass.
Bán kỳ âm: hoàn toàn tương tự và động cơ được điều khiển ở cả 2 bán kỳ. b) Khi biến trở RV1 kéo xuống dưới (giảm giá trị biến trở)
- Nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống với trường hợp a). Chỉ có điều dòng kích qua D3 (đối với bán kỳ dương) hoặc dòng kích qua D5 (đối với bán kỳ âm) sẽ giảm và dòng điện kích này giảm phụ thuộc vào độ lớn của giá trị biến trở. Giá trị biến trở càng nhỏ, dòng điện kích càng nhỏ và động cơ quay càng chậm. Giá trị biến trở bằng 0, dòng điện kích bằng 0 và động cơ không quay.
Nhận xét: Động cơ được điều khiển tốc độ ở cả 2 bán kỳ và tốc độ này tỷ lệ thuận với giá trị của biến trở RV1.
CHƢƠNG 5
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
5.1 Kết luận
Đề tài đã trình bày nội dung về máy điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng, ứng dụng bộ chỉnh lưu 1 pha toàn kỳ có điều khiển để điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều.
5.2 Hƣớng phát triển của đề tài
Do thời gian còn hạn chế nên đề tài của em chỉ tập trung vào việc mô phỏng trên psim động cơ điện một chiều kích từ độc lập, chưa mở rộng vấn đề của động cơ điện một chiều và so sánh giữa chúng.
Tuy đề tài chỉ mang tính lý thuyết, nội dung nêu ra gồm mạch mô phỏng và mạch thực tế, lý thuyết về máy điện một chiều cũng như bộ chỉnh lưu có điều khiển toàn kỳ 1 pha, nhưng em được sự giúp đỡ của các bạn đã làm mạch điều khiển thực tế động cơ một chiều với đề tài được giao “điều khiển tốc độ động cơ qua bộ chỉnh lưu toàn kỳ 1 pha”.
Đề tài của em có thể mở rộng ra điều khiển tốc độ cho động cơ xoay chiều với bộ biến đổi điện áp trong môn điện tử công suất đã được học.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Văn Nhờ, Giáo trình điện tử công suất 1, Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh, năm 2002.