60 Φ (Φ max Φ min)
2.3.2 Cỏc bộ điều chỉnh điện (tiết chế) tiờu biểu
2.3.2.1 Phõn loại tiết chế
Tựy thuộc vào cấu tạo và nguyờn lý làm việc của cỏc tiết chế điện thế người ta chia thành hai loại:
a. Bộ tiết chế loại rung
Việc điều chỉnh điện ỏp dạng rung (hỡnh 2.28) thuộc loại điều chỉnh relay mà ở đú chức năng của bộ phận điều chỉnh do relay điện từ thực hiện. Nhờ cú cỏc tiếp điểm của relay mà cỏc điện trở phụ được nối với mạch kớch thớch.
Nếu điện ỏp của mỏy phỏt nhỏ hơn điện thế U1 điện ỏp hoạt động của
relay điện từ, thỡ tiếp điểm K đúng và cuộn kớch thớch kt của mỏy phỏt được mắc vào
đầu ra của mỏy phỏt. Khi điện ỏp mỏy phỏt đạt giỏ trị U1 thỡ tiếp điểm K sẽ bị ngắt,
điện trở phụ Rp được mắc vào mạch kớch thớch. Dũng điện trong cuộn kớch thớch và
o
dt k
phản hồi relay U2, cỏc tiếp điểm của relay được đúng lại. Dũng điện trong cuộn kớch
thớch và điện thế mỏy phỏt bắt đầu tăng lờn. Khi điện ỏp mỏy phỏt đạt điện ỏp làm việc của relay thỡ cỏc tiếp điểm lại bị ngắt. Quỏ trỡnh lại tiếp tục một cỏch tuần hoàn.
Hỡnh 2.28: Sơ đồ nguyờn lý tiết chế loại rung
Việc điều chỉnh dũng điện kớch thớch được thực hiện bằng cỏch thay đổi thời
gian đúng tiếp điểm tương đối và chu kỳ tương đối . Do bộ phận điều chỉnh
của bộ điều chỉnh loại rung là relay điện từ nờn, để xỏc định mức độ và chất lượng điều chỉnh cần phải biết cỏc đặc tớnh của nú. Đương nhiờn là việc ngắt cỏc
tiếp điểm cú thể thực hiện khi lực kộo của lũ xo Fk và lực điện từ Fđt của relay
bằng nhau. Trong đú:
Lực điện từ: Fđt = 0,5 . 2
/( . S)
: từ thụng ở khe hở khụng khớ giữa lừi sắt và phần ứng của relay.
S : tiết diện của lừi sắt.
o: độ từ thẩm khụng khớ
Từ thụng ở khe hở cú thể xỏc định bởi suất từ động do dũng điện chạy
trong cuộn chớnh o và trở từ RM:
= Io o/RM.
Dũng điện Io khi relay hoạt động (cỏc tiếp điểm bị ngắt) sẽ là U1/Ro.
Ro : điện trở của cuộn chớnh relay.
Trở từ (nếu bỏ qua từ trở của thộp) ti lệ thuận với khe hở khụng khớ giữa
lừi sắt và phần ứng relay: RM = C’.
Như vậy lực điện từ của relay cú thể biểu diễn bởi: 2 U F 1 o 1 F R o C' 2o S
Giải phương trỡnh đối với điện thế hoạt động của relay ta tỡm được:
R o
Trong đú:
U1 C Fk
o
Như vậy, điện ỏp hoạt động của relay phụ thuộc vào sức căng lũ xo Fk,
khe hở và thụng số Ro và 0 của cuộn điều khiển relay.
Đối với cỏc relay điện từ dựng trong cỏc bộ điều chỉnh dạng rung, hệ số
phản hồi của relay Kp = 0,8 0,9. (Kp = U2/U1)
Trị trung bỡnh của điện ỏp do bộ điều chỉnh điện ỏp rung tạo ra được xỏc định theo cụng thức: (1 K p ) CR o Fk U ủmtb 2 (2.23) o
Điện ỏp điều chỉnh phụ thuộc vào sức căng lũ xo và giỏ trị khe hở . Khi thay
đổi khe hở khụng khớ sẽ thay đổi hệ số phản hồi relay. Trong thực tế, việc điều chỉnh
điện ỏp được thực hiện bằng cỏch thay đổi sức căng lũ xo Fk.
Khi khảo sỏt hoạt động của bộ điều chỉnh điện ỏp, ta giả thiết là cỏc tiếp
điểm của relay đúng và ngắt tức thời ở U1 và U2. Thực tế, do quỏn tớnh điện từ
của cuộn điều khiển relay và quỏn tớnh cơ học, tiếp điểm sẽ bị giữ thờm một khoảng thời gian sau khi ngắt và đúng. Điều này làm giảm hệ số phản hồi của
relay. Vỡ vậy, Umf tăng và làm giảm tần số chuyển đổi mạch. Kết quả của cỏc
tớnh toỏn cho thấy tần số chuyển đổi của bộ biến đổi điện ỏp đơn giản dạng rung
là rất thấp: 10 20 Hz.
Tần số chuyển đổi thấp của điện ỏp làm cỏc búng đốn nhấp nhỏy và tạo ra tia lửa tại cỏc tiếp điểm do việc tăng lượng điện tớch đi qua tiếp điểm đang mở.
Để tăng tần số đúng mở relay ta cần tăng hệ số phản hồi (giảm Uđm),
tăng độ nhạy của relay hoặc điện trở phụ. Việc tăng điện trở phụ làm tăng cụng
suất ngắt trờn cỏc tiếp điểm. Để giảm Umf người ta dựng cỏc loại mạch hồi tiếp
mềm và cứng khỏc nhau.
- Cỏc bộ điều chỉnh điện ỏp cú cỏc liờn kết phản hồi hoặc tăng tốc:
Việc giảm độ biến thiờn điện ỏp Uđm ở cỏc bộ điều chỉnh điện ỏp dạng
rung cú thể được thực hiện khi dựng cỏc cuộn dõy gia tốc và cỏc điện trở gia tốc.
Hỡnh 2.29: Sơ đồ tiết chế với cuộn gia tốc
Cuộn dõy gia tốc Wgt được quấn trờn lừi sắt relay điện từ và được mắc
song song với cỏc tiếp điểm của relay (hỡnh 2.29a) hoặc cuộn dõy kớch thớch Wkt
phương với sức từ động của cuộn dõy chớnh Wo của bộ biến đổi điện ỏp. Nếu cuộn dõy gia tốc được mắc song song với cuộn kớch thớch thỡ, khi tiếp điểm đúng, điện ỏp trờn cuộn gia tốc và cuộn chớnh bằng điện thế mỏy phỏt. Nếu relay
với cuộn gia tốc cú cựng điện ỏp làm việc U1 như ở relay cú một cuộn dõy chớnh,
thỡ ở cựng một độ căng lũ xo, sức từ động làm việc của hai relay như nhau.
Khi tiếp điểm hở, điện thế trờn cuộn dõy gia tốc giảm đột ngột một giỏ trị
là Ik Rp. Điều này dẫn đến hiện tượng đúng lại tiếp điểm ở điện ỏp của mỏy phỏt
cao hơn, tức là điện ỏp phản hồi U2 tăng lờn:
Do đú: Umf = U1 – U2 giảm xuống cũn hệ số phản hồi của relay tăng.
Khi Umf giảm, tần số đúng mở sẽ tăng.
Do cỏc cuộn dõy (gia tốc và cuộn kớch thớch) được mắc song song nờn ở
thời điểm bất kỳ, điện ỏp của chỳng sẽ bằng nhau (Ugt = Uk)
Nếu xem Ugt = Igt.Rgt; Uk = Ik Rk thỡ Igt = Ik (Rk/ Rgt)
Như vậy, dũng điện trong cuộn gia tốc tỉ lệ thuận với dũng kớch thớch của mỏy phỏt, tức là ở mạch hiệu chỉnh sẽ cú mạch hồi tiếp theo dũng kớch thớch.
Vỡ vậy, khi đưa vào cuộn dõy gia tốc, tần số đúng mở của relay sẽ tăng lờn. Song, khi tăng vận tốc rotor mỏy phỏt (dũng kớch thớch giảm) thỡ điện ỏp trung bỡnh trờn đầu ra của mỏy phỏt tăng.
Điện trở gia tốc ở sơ đồ điều chỉnh điện ỏp dạng rung cú dạng là một phần
điện trở phụ Rp. Relay điện từ cú một cuộn dõy điều khiển chớnh Wo được đấu
vào đầu ra của mỏy phỏt qua điện trở gia tốc. Điện trở tớnh toỏn của điện trở phụ:
Rp = Rgt + R’p
Thường thỡ ở cỏc bộ điều chỉnh điện ỏp cú điện trở gia tốc giỏ trị
Rgt<<R’p. Khi đấu mạch cuộn dõy chớnh với điện trở gia tốc sẽ đảm bảo được việc tăng tần số đúng mở relay.
Tại thời điểm cỏc tiếp điểm đúng, điện ỏp trờn cuộn dõy chớnh là:
U0 = Umf – Io[(RgtR’p)/(Rgt + Rp)] Uđm – Io.Rp
Khi cỏc tiếp điểm bị ngắt, dũng điện kớch thớch do hiện tượng tự cảm sẽ bảo toàn về giỏ trị và hướng. Dũng điện qua điện trở gia tốc sẽ sinh ra độ sụt ỏp.
Vỡ vậy, điện thế đặt lờn cuộn dõy chớnh của bộ điều chỉnh sẽ giảm xuống và U0
= Umf – (Io + Ik)Rp
Như vậy, cỏc tiếp điểm của relay được đúng lại ở điện thế cao hơn của
mỏy phỏt. Điện ỏp phản hồi U2 của relay tăng lờn cũn Umf = U1 – U2 giảm
xuống và tần số đúng mở relay tăng.
Việc đưa điện trở gia tốc để làm tăng tần số đúng mở relay sẽ dẫn đến hiện tượng: khi vận tốc rotor mỏy phỏt tăng, giỏ trị điện ỏp trung bỡnh trờn đầu ra của mỏy phỏt tăng. Sơ đồ cú điện trở tăng tốc rất đơn giản. Nú được sử dụng rộng rói trong cỏc bộ điều chỉnh điện ỏp dạng rung. Để giảm hiện tượng vừa nờu, trong cỏc bộ điều chỉnh điện ỏp dạng rung, ta dựng cuộn dõy cõn bằng (cuộn
khử) và cỏc điện trở cõn bằng. Cuộn cõn bằng Wcb (hỡnh 2.30a) được mắc nối
tiếp với cuộn kớch thớch Wkt, cũn sức từ động Fcb ngược hướng với sức từ động
Fo của cuộn chớnh Wo của bộ điều chỉnh điện ỏp.
Nếu ta xem xột bộ điều chỉnh điện ỏp cú cuộn chớnh và cuộn cõn bằng mà khụng cú cỏc liờn kết gia tốc thỡ sức từ động toàn phần là:
Ftp = Fo – Fcb = UmftbW0/Ro - IkWcb.
Lỳc đú trị trung bỡnh của điện ỏp được duy trỡ bởi bộ điều chỉnh là:
(1 K ph ). R o
U ủmtb
2Wo (C. Flx I k Wcb )
Sự hiện diện của cuộn dõy cõn bằng làm giảm điện ỏp khi tăng vận tốc của rotor. Nhờ vậy cuộn cõn bằng thực hiện được việc bự lại sai số của việc điều chỉnh trong cỏc bộ điều chỉnh điện ỏp dạng rung cú liờn kết gia tốc.
Hỡnh 2.30: Sơ đồ tiết chế với cuộn cõn bằng và điện trở cõn bằng
Điện trở Rcb (hỡnh 2.30b) được mắc nối tiếp vào mạch kớch thớch của mỏy
phỏt. Điện ỏp mỏy phỏt cao hơn điện ỏp được đưa lờn bộ điều chỉnh dạng rung một lượng IkRcb.
Sơ đồ của bộ điều chỉnh điện ỏp dựng điện trở cõn bằng Rcb rất đơn giản.
Song nhược điểm của nú là việc tăng điện trở của mạch kớch thớch sẽ làm tăng tốc độ khụng tải của mỏy phỏt. Như vậy, bộ điều chỉnh dạng rung để điều chỉnh chớnh xỏc điện ỏp phải cú cuộn điều khiển chớnh, cuộn gia tốc và cuộn cõn bằng.
- Vấn đề ổn định nhiệt cho bộ điều chỉnh điện ỏp dạng rung
Từ phương trỡnh (4.31) ta thấy hiệu điện thế hiệu chỉnh sẽ tỉ lệ với điện
trở Ro của cuộn dõy chớnh. Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở Ro thay đổi. Vớ dụ khi
tăng 100oC, Ro tăng lờn 40%. Vỡ vậy, điện ỏp điều chỉnh cũng sẽ thay đổi. Để
đảm bảo độ ổn định theo nhiệt của điện ỏp điều chỉnh, ta mắc điện trở bự nhiệt nối tiếp với cuộn dõy chớnh làm bằng nicrụm hoặc constantan (loại cú điện trở khụng phụ thuộc nhiệt độ).
Ngoài cỏch mắc điện trở bự nhiệt, người ta cũn dựng giỏ treo relay điện từ bằng tấm lưỡng kim nhiệt. Tấm này cấu tạo từ hai kim loại được hàn với nhau. Một tấm làm từ hợp kim sắt niken cú hệ số dón nở nhiệt thấp và tấm kia từ thộp Cr - Ni hoặc Mo - Ni – cú hệ số dón nở lớn. Do sự biến dạng của tấm lưỡng kim nhiệt sẽ xuất hiện lực ngược chiều với độ căng lũ xo. Trong trường hợp này tổng lực tỏc dụng lờn mỏ treo sẽ giảm khi nhiệt độ mụi trường tăng lờn.
Để khử ảnh hưởng nhiệt lờn điện ỏp điều chỉnh người ta cũn dựng cỏc sun từ làm bằng thộp niken. Từ trở của sun từ tăng khi nhiệt độ tăng. Sun được mắc giữa ỏch từ và lừi sắt. Ở nhiệt độ cao, sun sẽ bị khử từ cũn từ thụng tại khe hở
khớ sẽ phụ thuộc vào sức từ động và từ trở của khe hở khụng khớ. Ở nhiệt độ
thấp, sun sẽ trở nờn dẫn từ và một phần từ thụng do sức từ động tạo nờn sẽ được khộp mạch theo sun này.
- Độ bền của bộ điều chỉnh điện ỏp loại rung
Trong quỏ trỡnh làm việc, cỏc tiếp điểm chịu tỏc động ăn mũn về cơ, húa và điện, ảnh hưởng lờn độ bền của bộ điều chỉnh điện ỏp dạng rung.
Tỏc động cơ học dưới dạng va đập của cỏc tiếp điểm động lờn cỏc tiếp điểm cố định sẽ dẫn đến hiện tượng nộn cục bộ và nứt cỏc tiếp điểm. Tỏc động hoỏ học sẽ làm cho cỏc tiếp điểm bị oxy húa và cỏc phản ứng hoỏ học khỏc của kim loại với cỏc loại khớ chứa trong mụi trường dẫn tới tỡnh trạng rỉ sột, kết quả là trờn bề mặt tiếp điểm hỡnh thành cỏc màng cú điện trở riờng cao. Tỏc động về điện thường ở dưới dạng tia lửa điện hồ quang sẽ làm xuất hiện sự ăn mũn. Lỳc này một tiếp điểm bị lừm cũn tiếp điểm kia lồi.
Vật liệu phổ biến để chế tạo tiếp điểm thường là vonfram, cú độ cứng lớn
và nhiệt độ núng chảy rất cao (3370oC). Độ bền ăn mũn của vonfram cao hơn
bạc hay platin. Nhược điểm của tiếp điểm vonfram là khi bị rỉ sẽ tạo nờn cỏc màng sunphit và màng oxyt.
Trong cỏc bộ điều chỉnh dạng rung người ta dựng cặp tiếp điểm (vonfram – vonfram bạc) cú tớnh dẫn điện và độ bền cao hơn.
Thụng thường, hồ quang cú thể xuất hiện khi tiếp điểm bị ngắt, cũn tia lửa điện xuất hiện lỳc đúng và lỳc ngắt tiếp điểm. Tia lửa xuất hiện ở cường độ dũng
điện khụng lớn và hiệu điện thế trờn cỏc tiếp điểm cao hơn 300V.
Ảnh hưởng của tỏc động về điện lờn khả năng làm việc của cỏc tiếp điểm cú thể được đặc trưng bởi cụng suất ngắt:
Png = Ing.Ung
Trong đú: Ing, Ung là cường độ và điện ỏp trờn cỏc tiếp điểm ở thời điểm ngắt.
Để cặp tiếp điểm vonfram – vonfram làm việc ổn định thỡ cụng suất ngắt
khụng được vượt quỏ 300V.A. Cụng suất ngắt cực đại chỉ cú thể cú ở vận tốc
nhỏ nhất của rotor mỏy phỏt, khi mà Ik = Ikmax.
2
. R = I 2(k – 1).R = U . I (4-32)
Png = Ikmax p kmax 1 k mftb kmax
Vỡ vậy: Ikmin < PK.Umftb(k1 – 1).
Trong thực tế, ở cỏc mạch của bộ tiết chế, để đảm bảo giới hạn điều chỉnh đó nờu theo vận tốc của rotor cú tớnh đến sự làm việc ổn định của relay ta chọn
giỏ trị Rp lớn hơn.
Độ bền của cỏc tiếp điểm bộ điều chỉnh dạng rung cú thể tăng khi điều chỉnh hai nấc. Bộ điều chỉnh điện ỏp hai nấc dạng rung (hỡnh 2.31a) cú hai cặp
tiếp điểm K1 và K2. Nếu nmin < n < ntb thỡ cú tiếp điểm K1 mở hoặc đúng. Như vậy
Hỡnh 2.31: Sơ đồ và đặc tuyến làm việc của tiết chế 2 nấc
Điện trở phụ được lựa chọn để giữ điện ỏp khụng đổi chỉ đến ntb
(hỡnh 2.32b) và được xỏc định bởi cụng thức:
Rp = Uđm/Ik – Rk
Khi tiếp tục tăng vận tốc rotor thỡ K2 sẽ hoạt động. Lỳc này, điện ỏp hiệu
chỉnh sẽ tăng lờn một ớt do phải tạo thờm lực từ để vượt qua khe hở.
Cấp điều chỉnh thứ 2 thuộc nhúm 5 (c > 1, K = 0). Do điện trở phụ Rp ở
bộ điều chỉnh hai cấp nhỏ hơn nhiều so với một cấp cho nờn cụng suất ngắt trờn cỏc tiếp điểm cũng thấp hơn. Điều kiện hoạt động của cặp tiếp điểm thứ hai cũng tốt hơn nhờ khi ngắt, dũng kớch thớch khụng lớn.
Nhược điểm của bộ điều chỉnh điện ỏp hai cấp là độ ổn định thấp. Để giảm độ chờnh lệch điều chỉnh điện ỏp ở 2 nấc, khe hở phải nhỏ. Do đú, khi mặt vớt bị bẩn, tiếp điểm sẽ bị kẹt, làm cho hoạt động của bộ điều chỉnh sai lệch.
Phương phỏp khỏc để giảm cụng suất ngắt của bộ điều chỉnh điện ỏp dạng rung là sử dụng bộ điều chỉnh điện ỏp đụi. Ở loại này, dũng kớch sẽ đi qua 2 cặp tiếp điểm mắc song song.
b. Tiết chế bỏn dẫn
Nhược điểm cơ bản của bộ điều chỉnh điện ỏp dựng tiếp điểm dạng rung là dũng điện kớch thớch bị hạn chế và độ bền của bộ điều chỉnh thấp. Cỏc phương phỏp giảm cụng suất ngắt được sử dụng khụng khắc phục được hết cỏc nhược điểm đó nờu mà chỉ cú thể mở rộng phạm vi sử dụng cỏc bộ điều chỉnh điện ỏp dạng rung.
Bộ điều chỉnh điện ỏp dạng rung trong quỏ trỡnh sử dụng cần phải điều chỉnh và bảo dưỡng thường xuyờn do phần tử quyết định là lũ xo cú độ đàn hồi phụ thuộc vào điều kiện vận hành.
Để khắc phục những nhược điểm của bộ điều chỉnh điện ỏp dạng rung, người ta sản xuất cỏc bộ điều chỉnh điện ỏp khụng tiếp điểm (tiết chế bỏn dẫn), sử dụng cỏc linh kiện bỏn dẫn: diode, diode ổn ỏp (diode zener), transistor. Cú 2 loại tiết chế bỏn dẫn khỏc biệt ở transistor mắc nối tiếp với cuộn kớch. Nếu dựng