Tài liệu điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập

Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.1. khái quát chung: Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trọng một phạm vi rộng và trong nhiều trường hợp cần có đặc tính cơ đặc biệt, thiết bị đơn giản hơn và rẻ tiền hơn các thiết bị điều khiển của động cơ ba pha.Vì một số ưu điểm như vậy cho nên động cơ điện một chiều được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp, trong giao thông vận tải…. 2.1. Phương trình đặc tính cơ: Để điều khiển được tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì ta phải phân tích, tìm các mối quan hệ giữa tốc độ với các thông số khác của động cơ để từ đó đưa ra phương pháp điều khiển. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì dòng kích từ độc lập với dòng phần ứng. Vì được nuôi bởi hai nguồn một chiều độc lập với nhau. I U I u E u C kt kt U u R f R kt Hình 1. Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập Theo hình 1 ta viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng Uư =Eư + ( Rư + Rf)Iư (1) Trong đó: Uư : Điện áp đặt lên phần ứng động cơ (V). Eư : Sức điện động phần ứng (V) Rư : Điện trở của mạch phần ứng ( Ω ) Rf : Điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω) Iư : Dòng điện mạch phần ứng (Α) Với Rư = rư + rcf +rb + rct Trong đó : rư điện trở cuộn dây phần ứng ( Ω ) rcf : Điện trở cuộn cực từ phụ ( Ω ) rb : Điện trở cuộn bù ( Ω ) rct : Điện trở tiép xúc chổi điện ( Ω ) • Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thưc sau Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 1 kt Đồ án tốt nghiệp Eư = trong đó : PN 2πa φω κφω = (2) p : Số đôi cực từ chính N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng φ : Từ thông kích từ dưới mỗi cực từ ω : Tốc độ góc (rad/s) (wb) PN : Hệ số cấu tạo của động cơ 2πa Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/ phút) thì Eư = keφ n ( 3) k= n 2π n = 9,55 60 PN φ n Eư = 60 a ω= vì vậy với ke = ke = PN : Hệ số sức điện động của động cơ 60 a k ≈ 0,105 k 9,55 Thay (1) vào (2) và biến đổi ta được ω= Uu R u + R f Iư(4) Kφ ( Kφ ) Biểu thức (4) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.Mặt khác, mômen điện (5) từ Mđt = kφ I u Nếu bỏ qua tổn thất trong các ổ trục, tổn thất tự quạt mát và tổn thất trong thép thì mômen cơ trên trục của động cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M, tức là Mđt = Mcơ =M Vậy phương trình đặc tính cơ của động cơ là ω= Uu - R + R u kφ (kφ ) 2 f M (6) Biểu thức (6) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Nếu không xét đến ảnh hưởng của phản ứng phần ứng ngang trục làm giảm từ thông φ của động cơ tức là xem φ=const thì quan hệ ω=f(M,I) là tuyến tính. Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 2 Đồ án tốt nghiệp ω ω ω 0 Δω dm 0 M I dm, dm M nm , I M,I nm Hình 2 đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Từ đồ thị ta có : khi Iư = 0 hoặc M =0 ta có ω = U kφ =ω0 (7) ω0 : được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ , khi ω=ω0 ta có Iư = U =Inm Ru + R f (8) Và M =k φ Inm =Mnm (9) Inm, Mnm : được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch. Mặt khác phương thình đặc tính (4) và (6) cũng có thể viết dưới dạng ω= U u kφ - ω =U u Kφ vì Iư = R Iư =ω0 - Δω (10) kφ R (kφ ) 2 M = ω0 - Δω (11) M ta suy ra từ (5) Kφ trong đó R = Rư + Rf , ω0 = U u Kφ Δω= R R Iư = M 2 Kφ (kφ ) (12) Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 3 Đồ án tốt nghiệp Δω : được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M (hay I) , ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị tương đối với điều kiện từ thông là định mức ( φ =φ dm ) Trong đó ω*= R ω I M , I* = ,M∗ = , R* = ω0 I dm M dm Rcb ( Rcb =Uđm/ Iđm được gọi là điện trở cơ bản ) Từ (4) và (6) ta viết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vị tương đối ω*=1- R*I* (13) (14) ω∗ = 1- R*M∗ • Độ cứng của đặc tính cơ : β= dM = dω (kφ nm) R 2 (15) ∑ • Công suất (năng lượng điện) Từ phương trình lý tưởng : IU =(Eư +IRư)I (16) Ta có Pđiện =Pđt + ΔΡ Trong đó Pđt =IEư công suất điện từ 2 Δ P =I Rư tổn hao công suất cơ trên điện trở phần ứng (17) Thực tế Pđiện =Pđt + ΔPư + ΔP0 Với ΔP0 tổn hao ma sát do sự quay Từ biểu thức (4) hoặc (6) ta thấy ω là một hàm phụ thuộc R, φ , U : 〈ω=f(R,Φ,U)® do đó để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba phương pháp điều khiển sau : - Điều khiển điện trở phụ phần ứng - Điều khiển từ thông kích từ - Điều khiển điện áp phần ứng Sau đây ta xem xét từng phương pháp điều khiển một 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 2.1 Phương pháp điều khiển bằng điện trở phụ phần ứng (Rf): •Nguyên lý điều chỉnh: Nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng Ta đã phân tích ở trên nên ta có ω= f〈 Rf , φkt , U ®, giả thiết rằng : Nếu giữ φ=φđm=const ; U= Uđm = const; Rư =const thì ω=f(Rf) Muốn thay đổi được giá trị Rf của mạch phần ứng bằng cách nối tiếp một điện trở phụ (Rf) thay đổi được giá trị vào mạch phần ứng. Lúc này ta có : R = Rư + Rf Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 4 Đồ án tốt nghiệp Từ phương trình đặc tính cơ : ω= U dm Kφ - dm R +R ( Kφ dm) u f 2 M Từ phương trình trên ta thấy : khi tăng giá trị của Rf thì tốc độ của động cơ giảm, khi giảm giá trị của Rf thì tốc độ của động cơ tăng . Lúc này ta có tốc độ không tải lý tưởng: ω0 = Còn độ cứng của đặc tính cơ : β = ( Kφ U = const (18) dm Kφ dm 2 dm) = var Ru + R f (19) Như vậy khi thay đổi Rf cho ta một họ đặc tính như sau: ω ω R 0 R 0 =0 f f1 R R f2 f3 M dm 2M M dm Hình 1-3 : Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ở những điện trở phụ khác nhau • Nhận xét: Nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời Inm và Mnm cũng giảm. Phương pháp này được dùng để hạn chế dòng điện động cơ khi khởi động. - Ưu điểm : Đơn giản , dễ thực hiện - Nhược điểm : + Độ cứng đặc tính cơ thấp + Tổn thất năng lượng trên điện trở lớn + Phạm vi điều chỉnh hẹp 2.2. Phương pháp điều chỉnh bằng từ thông kích từ: • Nguyên lý điều chỉnh: Điều chỉnh từ thông kích từ của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mô men điện từ của động cơ M = kφIư và sức điện động quay của động cơ Eư=kφω Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 5 Đồ án tốt nghiệp I I U E C kt kt U kt Hình 1-4 :Sơ đồ nối dây điều chỉnh kích từ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Từ biểu thức (4) và (6) ta thấy ω= f(U, φkt , Rf ), nếu giữ U=Uđm=const và điện trở phần ứng Rư = const (Rf =0 ) lúc này ω= f(φkt). Để thay đổi được tốc độ ω ta cần thay đổi φkt , mà từ thông kích từ do dòng kích từ sinh ra. Vậy để điều chỉnh φkt ta mắc thêm biến trở Rv vào mạch kích từ, khi điều chỉnh φkt ta phải tuân theo điều kiện sau. Không thể tăng dòng kích từ Ikt lớn hơn dòng định mức của cuộn dây kích từ vì nó phá hỏng cuộn kích từ và khi φkt = φđm đã bảo hồ rồi, nếu muốn tăng Ikt thì φkt cũng không tăng đáng kể nên ta điều chỉnh bằng cách giảm φkt . • Trong trường hợp này ta có: - Tốc độ không tải lý tưởng ω0 = U dm Kφ = var x - Độ cứng của đặc tính cơ β= (Kφ ) X R 2 = var u Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ thông giảm thì ωx tăng, còn β sẽ giảm. Ta có đồ thị đặc tính cơ với ωx tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông. Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 6 Đồ án tốt nghiệp ω ω ω ω φ ω φ ω 2 ω φ ω φ φ 1 2 2 1 1 0 2 1 0 dm φ 0 Ι dm Ι I nm 0 Μ dm Μ nm 2 Μ dm nm 1 Μ Μ nm Hình 1-5 : Đặc tính cơ và cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông. Từ đồ thị ta nhận thấy khi từ thông thay đổi vơi φđm > φ1 >φ2 ta có: - Dòng điện ngắn mạch : Inm = U dm =const R u - Mô men ngắn mạch : Mnm =kφxInm =var (Mnm > Mnm1 >Mnm2) Từ đồ thị đặc tính ta thấy ω0 <ω1 <ω2 . Vậy phương pháp điều chỉnh từ thông là phương pháp điều chỉnh trên tốc độ cơ bản. • Các chỉ tiêu chất lượng khi giảm từ thông φkt - Tốc độ không tải lý tưởng ωx = U dm tăng Kφ - Độ cứng đặc tính cơ β = (Kφ ) x R u - Dải điều chỉnh không rộng D = x 2 giảm ω ω max = 1:2 min + Tốc độ nhỏ nhất bị chặn bởi đặc tính tự nhiên (φ=φđm) + Tốc độ lớn nhất ωmax bị giới hạn bởi độ bền cơ khí và điều kiện chuyển mạch của động cơ - Ưu điểm : Công suất mạch điều chỉnh nhỏ, tổn thâùt năng lượng nhỏ - Cũng có thể sản xuất những động cơ giới hạn điều chỉnh 1:5 thậm chí đến 1:8 nhưng phải dùng những phương pháp khống chế đặc biệt, do đó cấu tạo và cộng nghệ chế tạo phức tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên. 2.3. Phương pháp điều khiển động cơ điện mợt chiều kích từ độc lập bằng thay đổi điện áp phần ứng: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 7 Đồ án tốt nghiệp R +R (kφ ) Từ phương trình đặc tính cơ (6) ω = U u - u Kφ f 2 M Giả thiết φ = φđm =const; Rư =const,(Rf =0), M = const. Lúc này ω = f(Uư) Khi thay đổi điện áp phần ứng ta có: - Tốc độ không tải lý tưởng ω0 = U u = var Kφ - Độ cứng của đặc tính cơ β = (kφ ) R 2 = const u Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng cho ta một họ các đặc tính sau. ω ω ω ω ω ω TN 0 1 2 U U U U U 3 i dm 1 2 3 i 0 M dm ,I M ,I dm Với Uđm >U1>U2>U3>……….>Ui Hình 1-6 : Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điện áp phần ứng thay đổi Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính tự nhiên. • Nhận xét : - Ưu điểm : + không gây ồn + không gây tổn hao phụ trong động cơ + dải điều chỉnh rộng D ≈10 : 1 +độ cứng đặc tính cơ không đổi trong tồn dải điều chỉnh + dễ tự động hố - Nhược điểm : + phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn có thể thay đổi trơn điện áp ra Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 8 Đồ án tốt nghiệp + điều khiển phức tạp • Kết luận : Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật như hiện nay thì phương pháp này càng được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng như trong các lĩnh vực khác. 2.4. Nuyên lý điều chỉnh: • Đặc tính điều chỉnh : Để điều chỉnh điện áp phần ứng, ta phải sử dụng một bộ biến đổi, điều chỉnh được điện áp đầu ra cấp cho mach phần ứng của động cơ. + BBÑ U∼ U ra = var E C kt − U dk Hình 1-7 : Sơ đồ ngyên lý điều chỉnh động cơ Bộ biến đổi dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của lưới điện thành một chiều và điều chỉnh được giá trị điện áp đầu ra theo yêu cầu. Điện trở trong của bộ biến đổi Rbđ phụ thuộc vào loại thiết bị, vì thông thường công suất của bộ bến đổi và động cơ xấp xỉ bằng nhau nên Rbđ cũng có giá trị đáng kể so với Rư của động cơ. Từ sơ đồ nguyên lý ta có sơ đồ thay thế R R ud bd E U bd E u Hình 1-8 : Sơ đồ thay thế nguyên lý điều chỉnh động cơ Từ sơ đồ thay thế ta có phương trình cân bằng điện áp. Eư = Ubđ – (Rbđ + Rư )Iư (20) Sức điện động của động cơ Eư = kφđmω (21) Từ biểu thức (20) và (21) ta có kφđmω = Ubđ – ( Rbđ + Rư )Iư (22) Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 9 Đồ án tốt nghiệp Từ phương trình (22) ta có phương trình đặc tính cơ điện. U ω= Kφ R - bd bd + Ru Kφ dm Iư (23) dm Phương trình đặc tính cơ U ω= bd Kφ dm - R +R ( K φ dm) bd u 2 M (24) Với M =kφđmIư Trong đó φđm là từ thông định mức của động cơ, φđm = const. Tốc độ không tải lý tưởng ω0 = U φ bd dm Độ cứng của đặc tính cơ β= (k φ dm) R +R bd 2 u Ta thấy tốc độ không tải lý tưởng không phụ thuộc vào M, I mà phụ thuộc vào Ubđ . Ubđ = kaUđk Trong đó : ka là hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi Uđk là điện áp điều khiển Từ đó suy ra : ω0 = kU a Kφ dk = f(Uđk) dm Từ phương trình (23) và (24) ta có đồ thị đặc tính được biểu diễn như sau. ω ω ω ω ω 01 02 03 04 ÑT T N U U U U dk 1 dk 2 dk 3 dk 4 0 M,I Hình 1-9 : Đồ thị đặc tính cơ điện khi Ubđ thay đổi Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 10 Đồ án tốt nghiệp Từ đồ thị ta thấy, khi Ubđ thay đổi thì ta có những tốc độ không tải lý tưởng khác nhau, còn độ cứng đặc tính cơ không đổi và đặc tính điều chỉnh dốc hơn đặc tính tự nhiên. • Nhận xét : - Điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào, kể cả không tải lý tưởng , đặc tính cơ điều chỉnh tuy mềm hơn đặc tính tự nhiên nhưng cứng hơn phương pháp dùng biến trở và thay đổi φkt - Tốc độ lớn nhất ωmax = ω0 - M dm β - Điều khiển phước tạp, vốn đầu tư lớn nhưng nó là phương pháp tốt hơn so với hai phương pháp trên • Kết luận : Sau khi phân tích ba phương pháp điều khiển nêu trên thì phương pháp điều khiển bằng thay đổi điện áp phần ứng là tốt hơn cả . Cho nên em chọn phương pháp làm phương pháp nguyên cứu cho đề tài của em. 3. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP BẰNG THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG . - Hiện nay trong công nghiệp người ta thường sư dụng ba loại bộ biến đổi sau: + Bộ biến đổi máy phát điện một chiều + Bộ biến đổi xung áp một chiều + Bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển - Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi đó ta có các hệ truyền động sau: + Hệ máy phát – động cơ ( F – Đ ) + Hệ điều chỉnh xung áp – động cơ ( XA – Đ ) + Hệ chỉnh lưu Tiristo – động cơ ( T – Đ ) 3.1. Hệ thống máy phát - động cơ ( F – Đ ): - Sơ đồ nguyên lý: U∼ + F ÑCSC KT F R + Ñ F - KT D - Hình 1-10 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống F – Đ Giả thiết ωf = const, sức điện động của máy phát Ef = f( Iktf ) theo qui luật đường cong từ hố, nếu coi máy phát không bão hồ thì đường đó thẳng nên. Ef = kfφfωf = kfφfαIktf (25) Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 11 Đồ án tốt nghiệp Trong đó : kf = PN : Hệ số cấu trúc của máy phát 2π a φf : Từ thông kích từ máy phát Δφ α= f : Hệ số góc của đường đặc tính từ hố ( xem là đường thẳng) Δ I ktf Iktf : Dòng kích từ của máy phát Nếu dây quấn kích từ của máy phát được cấp bởi nguồn áp lý tưởng Ukf thì : U r Ikf = kf kf Như vậy sức điện động lúc này tỷ lệ với điện áp kích thích bởi hệ số hằng số là kf . Lúc này có thể coi gần đúng máy phát điện một chiều kích từ độc lập là một bộ khuyếch đại tuyến tính. Ef = kfUkf - Phương trình đặc tính cơ điện: k kφ ω= f d Ukf d R Iư kφ (26) - Phương trình đặc tính cơ: k kφ ω= f d Ukf d R (k d φ d ) 2 M (27) Với R = Rưf + Rưđ Trong đó Rưf : Điện trở phần ứng của máy phát Rưđ : Điện trở phần ứng của động cơ - Tốc độ không tải lý tưởng : ω0 = kU kφ f d - kf = var = f(Uđk) d Độ cứng đặc tính cơ: β= (k d φ d ) R +R uf 2 = const ud Những biểu thức trên chứng toả rằng khi thay đổi dòng điện kích từ của máy thì điều chỉnh được tốc độ không tải của hệ thống, còn độ cứng của đặc tính cơ thì giữ nguyên, do đó đặc tính cơ điều chỉnh là một họ các đường thẳng song song nhau Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 12 Đồ án tốt nghiệp ω ω § TTN ω K F®m ω ω< 0 Hình 1-11 : Đồ thị đặc tính cơ của hệ F – Đ ứng với Ukf thay đổi Thông thường Rưf ≈ Rưđ nên β = 1 βtn 2 - Nếu cho máy phát kích từ thuận Ukt>0 thì đặc tính ở nửa trục ω>0 - Nếu cho máy phát kích từ nghịch Ukf <0 (đảo kích từ) thì Ef <0 thì đặc tính ở phía trục ω <0 - Mỗi đặc tính cho ta một tốc độ làm việc - Trường hợp Ukf =0 thì Ef =0 động cơ làm việc ở chế độ hãm động năng. - Hãm tái sinh khi giảm tốc độ hoặc khi đảo chiều dòng kích từ, hãm ngược ở cuối giai đoạn hãm tái sinh khi đảo chiều hoặc khi làm việc ổn định với mô men tải có tính chất thế năng • Nhận xét : - Ưu điểm : Hệ truyền động F – Đ có sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn, chi phí điều khiển nhỏ và điều khiển dễ dàng, cho phép động cơ làm việc được ở cả 4 góc phần tư của mặt phẳng đặc tính cơ. - Nhược điểm : Hệ F – Đ dùng nhiều máy điện quay, gây ồn , công suất lắp đặt máy ít nhất gấp ba lần công suất của động cơ chấp hành , với đề tài của em cho công suất động cơ là 6 kw thì công suất lắp đặ ≥18 kw. Khó điều chỉnh tốc độ sâu vì máy phát một chiều có từ dư và dặc tính từ hố có từ trễ . Mặt khác hệ thống cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích đặt ( không kinh tế), hiệu suất của hệ thống thấp η= P P ra vao = P P +P dc codc mf + Pdckdb = 0,3 . Vốn đầu tư ban đầu cao 3.2. Hệ truyền động điều chỉnh xung áp – động cơ: Bộ biến đổi xung áp là bộ nguồn điện áp dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, phần chủ yếu của nó là bộ nguồn áp và bộ khố điều khiển. Sơ đồ nguyên lý và điện áp : Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 13 Đồ án tốt nghiệp U k + d I + D U KT E 0 - - t 0 t 1 t 1 2 t t 2 3 t t 4 t 5 T Hình 1-12 : Sơ đồ nguyên lý và điện áp của hệ xung áp – động cơ Để cải thiện dòng điện phần ứng, người ta mắc thêm van đệm D0 . Giả thiết van đệm D0 là van lý tưởng, nghĩa là van có sụt áp thuận ΔU =0 và dòng điện ngược Ing =0 , khố k có thể là Tiristor hoặc Transistor. Đối với động cơ công suất lớn thì phải dùng Tiristor. Khi đóng, cắt khố k trên phần ứng động cơ sẽ có điện áp biến đổi theo dạng xung vuông. Khi ở trạng thái dòng liên tục, giá trị trung bình của điện áp đặt lên phần ứng của động cơ là : Ud = t 1 1 Udt = t1 U =γU ∫ Τ 0 Τ Trong đó: t1 là thời gian khố k đóng γ = t1 là độ rộng của xung áp Τ Như vậy, có thể coi bộ biến đổi xung đẳng trị với nguồn liên tục, có điện áp ra Ud = var bằng cách thay đổi độ rộng của xung áp γ. Vì thời gian một chu kỳ đóng cắt khố k rất nhỏ so vơi hằng số thời gian cơ học của hệ truyền động nên ta có thể coi tốc độ và sức điện động phần ứng động cơ là không đổi trong khoảng thời gian T • Đặc tính của hệ điều chỉnh xung áp – động cơ. - Đặc tính cơ điện : ω= γU Kφ dm R +R u Kφ bd I dm - Đặc tính cơ : ω= γU Kφ dm R +R ( Kφ dm) u bd 2 M Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 14 Đồ án tốt nghiệp Khi thay đổi độ rộng xung γ ta được họ đường thẳng song song với tốc độ không tải γU lý tưởng ω0i = Kφ (K φ dm dm) = var và độ cứng β = R +R u 2 = const, đồ thị đặc tính cơ gồm bd hai đoạn thẳng ứng với hai chế độ dòng điện liên tục và dòng điện gián đoạn. ω ω Bieân lieân tuïc 0 ω 01 ω 02 ω ω γ=1 γ 1 03 04 0 γ γ γ 2 3 M,(I) 4 γ=0 Hình 1-13: Đồ thị đặc tính cơ của hệ xung áp – động cơ. Vậy đặc tính sẽ không còn đúng khi dòng điện đủ nhỏ, hệ sẽ chuyển từ trạng thái dòng liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn . • Nhận xét: - Ưu điểm: + Bộ nguồn điều áp xung thường cần ít van điều khiển nên vốn đầu tư nhỏ, hệ đơn giản, chắc chắn , dễ điều khiển + Độ cứng đặc tính cơ lớn + Khi thay khố k bằng van có điều khiển thì có thể thiết lập hệ tự động vòng kín - Nhược điểm : Vì điện áp dạng xung gây tổn thất phụ khá lớn trong động cơ do thành phần xoay chiều của dòng điện, nằm trong dải công suất nhỏ. 3.2. Hệ biến đổi van Tiristor – Động cơ (T – Đ): Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 15 Đồ án tốt nghiệp • Sơ đồ nguyên lý : + U∼ + U = va r Ñ KT - ÑK Hình 1-14 : Sơ đồ nguyên lý của hệ T – Đ Bộ biến đổi van Tiristor là một loại nguồn điện áp một chiều, nó trực tiếp biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều. Việc điều chỉnh điện áp đầu ra của bộ biến đổi, được thực hiện bằng cách điều chỉnh góc mở α của van. Điện áp chỉnh lưu Ud0 (điên áp không tải ở đầu ra) có dạng đập mạch với số lần đập mạch là n trong một chu kỳ 2π của điện áp sơ cấp của máy biến áp lực. Sơ đồ hình tia n=m với m là số pha Sơ đồ hình cầu n=2m Giả sử điện áp cấp cho bộ biến đổi van có dạng U2 = U2msinωt Ta đã biết sau một chu kỳ dòng điện và điện áp lặp lại nên ta chỉ cần xét cho một chu kỳ là đủ, coi điện trở van Rv =0 • Sơ đồ thay thế của mạch . Mợt bộ biến đổi van có thể bao gồm : Máy biến áp lực, tổ van , kháng lọc, thiết bị bảo vệ và hệ thống điều khiển. Sơ đồ thay thế có dạng sau I u VAN ∼ U E 2 LΣ Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội RΣ 16 Đồ án tốt nghiệp Hình 1-15: Sơ đồ thay thế chỉnh lưu Tiristor – Động cơ một chiều Khi van dẫn ta có phương trình U2 – E = IRΣ + LΣ dI dt (28) RΣ = Rba + Rư + Rkt LΣ = Lba + Lư + Lkt • Nhận xét : - Ưu điểm : Hệ (T – Đ) tác động nhanh,tổn thất năng lượng ít, kích thước và trọng lượng nhỏ, không gây ồn và dễ tự động hóa do các van bán dẫn có hệ số khuyếch đại lớn, điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lương các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống - Nhược điểm : Do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lưu ra có biên độ đập mạch cao, khả năng linh hoạt và chuyển trạng thái làm việc không cao, khả năng quá tải về dòng và áp của van kém, chất lượng điện áp ra không cao, gây tổn thất phụ và làm sấu điều kiện chuyển mạch trên cổ góp Khắc phục : Thiết kế truyền động van cố gắng làm hẹp vùng dòng gián đoạn bằng cách nối kháng lọc đủ lớn, tăng số lần đập mạch, nối van đệm • Kết luận : Sau khi phân tích các hệ truyền động , ta nhận thấy sử dụng hệ điều chỉnh Tiristor – Động cơ là hợp lý nhất. Tuy hệ này có những nhược điểm nhất định, nhưng xét về ưu điểm thì hệ này có nhiều ưu điểm hơn, cho nên ta sẽ nghiên cứu về các bộ nguồn chỉnh lưu Tiristor. 4. GIỚI THIỆU VỀ CÁC BỘ NGUỒN CHỈNH LƯU VÀ ĐẢO CHIỀU QUAY TIRISTOR ĐẶC TRƯNG 4.1. Chỉnh lưu cầu một pha: • Sơ đồ mạch điện: Với Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 17 Đồ án tốt nghiệp U U1∼ Ud 0 T4 T1 π α A UT I T3 T2 F B L Rd E 0 I 0 I d IT T ; 1 IT T ; 0 2 t 3π 2π 1 I d t 3 t 4 t Hình 1-16: Sơ đồ nguyên lý và dạng điện áp, dòng điện tải • Hoạt động của sơ đồ: Nửa chu kỳ đầu khi A(+), B(-) trên T có phân cực thuận, cấp xung điều khiển cho T1 và T3 ta có dòng điện chạy từ A →T1→E→Ld→Rd→F→T3 →B. Nửa chu kỳ sau, khi B(+), A(-) cấp xung điều khiển cho T2 và T4 có dòng chạy từ B→T2→E→Ld→Rd→F→T4→A. Vậy ta có dòng một chiều chạy qua tải. - Điện áp trung bình trên tải : Ud =0,9 U2 1 + cos α 2 - Dòng điện chạy qua van : Ivtb = I d 2 - Điện áp ngược của van : Unv = 2 U2 - Công suất máy biến áp : Sba = 1,23IdUd • Nhận xét : các sơ đồ chỉnh lưu một pha cho ta điện áp với chất lượng chưa cao, biên độ đập mạch điện áp quá lớn, thành phần sóng hài bậc cao lớn điều này không đáp ứng được cho nhiều loại tải. Muốn có chất lượng điện áp tốt hơn chúng ta phải sử dụng các sơ đồ có số pha nhiều hơn 4.2. Chỉnh lưu tia ba pha: • Sơ đồ mạch điện : Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 18 Đồ án tốt nghiệp B A U C B A 0 B A α2 α1 α C α4 α3 T1 T2 T3 t IT 1 t 0 I c b IT 2 t 0 Ld I E t Id 0 I Rd a α6 α5 I F C 0 I IT IT 3 B A C 3 A t B C t 0 UA B U T1 U A C Hình 1-17: Sơ đồ động lực và dạng dòng, điện áp tải, dòng điện qua các van và điện áp van phải chịu • Hoạt động : Điện áp pha a, b, c dịch pha nhau một góc 1200 , theo các đường cong điện áp pha, chúng ta có điện của một pha nào dương hơn hai pha kia trong khoảng thời gian 1/3 chu kỳ thì van đó dẫn. Khi anode của một van nào đó dương hơn, ta cấp xung điều khiển cho van đó. Thời điểm hai điện áp của hai pha giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của các van bán dẫn. Các Tiristor chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm giao nhau của hai điện áp ( góc thông tư nhiên). Vậy ta sẽ nhận được điện áp tải lớn nhất khi các van mở ở góc thông tự nhiên. - Trị số điện áp trung bình : Ud = 1,17 U2f cosα Với U2f là điện áp pha thứ cấp máy biến áp - Điện áp ngược mà van phải chịu : Unv = 6 U2f - Giá trị dòng điện hiệu dụng chay qua van : Ivhd = I d 3 (với Id = U d ) R - Công suất máy biến áp : Sba = 1,35 Ud Id • Nhận xét : Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 19 Đồ án tốt nghiệp - So với chỉnh lưu cầu một pha, thì chỉnh lưu tia ba pha có chất lượng điện áp một chiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn, việc điều khiển các van bán dẫn trong trường hợp này cũng đơn giản hơn. - Phía thứ cấp máy biến áp tồn tại dòng một chiều, nhờ có biến áp ba pha ba trụ mà từ thông lõi thép biến áp là từ thông xoay chiều không đối xứng làm cho công suất máy biến áp phải lớn. - Phía thứ cấp máy biến áp phải đấu sao có trung tính (Y0) và dây trung tính phải có tiết diện lớn hơn dây pha . Vì dây trung tính chịu dòng điện tải 4.3. Chỉnh lưu cầu ba pha: • Sơ đồ mạch điện . B A C U A 0 T2 a b c T1 θ1 θ2 θ3 B C θ4 θ 5 A θ6 θ7 B C t θ8 θ9 Ud F T4 T3 T6 T5 Rd E Ud t 0 Ld Hình 1-18: Sơ đồ động lực và đường cong điện áp tải khi góc mở α=300 • Hoạt động : Dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm cần mở Tiristor, ta đồng thời cấp hai xung điều khiển ( một xung ở nhóm anode (+) theo sơ đồ là (T1 ,T3 ,T5 ) còn xung ở nhóm catode (-) theo sơ đồ là ( T2 ,T4 ,T6 )), thứ tự cấp xung điều khiển phải đúng thứ tự pha. Khi cấp đúng xung điều khiển dòng điện sẽ chạy từ pha có điện áp dương hơn về pha có điện áp âm hơn. Khi góc mở van nhỏ hoặc tải điện cảm lớn, trong mỗi khoảng dẫn của một van của nhóm này (Anode hay Catode ) thì sẽ có hai van của nhóm kia ( Catode hay Anode ) đổi chỗ cho nhau. - Giá trị điện áp trung bình của chỉnh lưu: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 20