đồ án điện tử công suất

đồ án biến tần

CHƯƠNG ITỔNG QUAN VỀ ĐÔNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ (KĐ)

Động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp từcông suất nhỏ đến công suất lớn hơn và chiếm tỷ lệ lớn so với các động cơ khác Dokết cấu đơn giản dể chế tạo , vận hành an toàn và sử dung nguồn cung cấp trực tiếp

từ lưới điện xoay chiều ba pha Trong công nghiệp thường sử dụng động cơ khôngđồng bộ làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho cácmáy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ v v Trong nông nghiệp động cơ ĐKđược dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản.Trong đời sống hằng ngàyđộng cơ ĐK cũng chiếm một vị trí hết sức quan trọng,vì nó được sử dụng trong cácthiết bị sinh hoạt hằng ngày như : máy bơm , quạt gió , động cơ trong tủ lạnh

Tuy nhiên trước đây các hệ động động cơ ĐK có điều chỉnh tốc độ lại vôcùng hiếm hoi , chiếm tỷ lệ rất nhỏ là do điều chỉnh tốc độ đông cơ ĐK có khó khănhơn các loại đọng cơ khác Trong thời gian gần đây do sự phát triển của ngành côngnghiệp chế tạo bán dẩn công suất kỹ thuật điện tử và tin học, mà động cơ ĐK mớikhai thác được ưu điểm của mình Nó đã trở thành hệ truyền động cạnh tranh cóhiệu quả với các hệ truyền động khác

Khác với động cơ điện một chiều , động cơ ĐK được cấu tạo phần cảm vàphần ứng không tách biệt Từ thông của đọng cơ cũng như mô men của động cơsinh ra phụ thuộc vào nhiều tham số Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền độngđiện cho động cơ ĐK là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến mạnh

Trong định hướng xây dựng hệ truyền động điện động cơ ĐK người ta có xuhướng với các đặt tính điều chỉnh của hệ truyền động điện động cơ một chiều

Hiện nay trong công nghiệp thường sử dụng hệ truyền động điều khiển tốc

độ động cơ ĐK

1 Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ bằng bộ biến đổi tiristor

2 Điều chỉnh điện trở bằng bộ biến đổi xung tiristor

3 Điều chỉnh công suất trược

4 Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho đông cơ bằng các bộ biến đổitần số(Bộ biến tần) dùng tiristor hay transistor

A.SƠ LƯỢC VỀ TRUỲÊN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ ĐK

I.Giới thiệu về động cơ ĐK

ĐK là một loại máy điện xoay chiều làm việc theo nguyên lý cảm ứng điệntừ

Mdm

ω

Trong đó : Xnm=X1d + X’2d điện kháng ngắn mạch

U1f : trị hiệu dụngcủa điệ áp pha stato

Phương trình đặt tính của động cơ ĐK :

(I-2)

Đường đặt tính của động cơ như hình (H I-2)

với : Sth= (I-3) Sth là hệ số trược tới hạn của độngcơ

2 Ảnh hưởng các thổng số đến đặt tính cơ:

Từ phương trình đặt tính cơ ĐK ta thấy các thông số ảnh hưởng đến đặt tinh cơbao gồm:

a Ảnh hưởng của sự suy giảm điện áp lưới cấp cho đông cơ ĐK

Khi điên áp lưới suy giảm thì theo (I-4) mômen Mth tới hạn của động cơ sẽ giảmbình phương lần biên độ suy giảm của điện áp,theo (I-3) thì Sth vẩn không đổi

b Ảnh hưởng của điện trở điện kháng mạch stator

Khi nối thêm diện trở hoặc điện kháng vào mạch stator thì theo (I-3) và (I-4)

M

Hình I-4

0 Mc Mth2Mth1 Mth

c.Ảnh hưởng của điện trở mạch roto

Đối với động cơ không đồng bộ người ta mắc thím điện trở phụ văo mạchroto để hạn chế dòng khởi động thì theo (I-3) , (I-4) thì Sth thay đổi còn Mth = const

d.Ảnh hưởng của tần số

ω1=Xuất phât từ biểu thức trín ta thấy nếu tần số thay đổi sẽ lăm thay đổi tốc độcủa từ trường quay vă từ đó thay đổi tốc độ động cơ

Từ (I-3) vă (I-4) ta thấy : Nếu Xnm =ω1.L cho nín khi thay đổi tần số thì Sth vă Mth sẽthay đổi

e.Ảnh hưởng của số đoi cực p

Để thay đổi số đôi cực ở stato người ta thường thay đổi câch đấu dđy vì :

ω1= (I-5)ω=ω1(1-s) (I-6)

Vì vậy khi thay đổi số đôi cực pthì tốc độ từ trường quay ω1 thay đổi dẩn đến tốc độ

ω thay đôi theo

II.CÂC PHƯƠNG PHÂP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐK

1.Phương phâp điều chỉnh điện âp lưới

Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 3

Mômen động cơ ĐK tỷ lệ với bình phương điện âp stato nín có thể điềuchỉnh được momen tốc độ động cơ bằng câch điều chỉnh giâ trị điện âp stato trongkhi gĩư nguyín tần số.

Để điều khiển đựơc tốc độ động cơ ĐK phải dùng bộ biến đổi điện âp xoaychiều (ĐAXC)

Nếu coi (ĐAXC) lă nguồn âp lý tưởng(Z=0) thì căn cứ văo biểu thứcmoment tới hạn ta có quan hệ sau :

hay MthU* = Ub* (I-7)

Trong đó :Uđm :Điện áp định mức của độngcơ

Ub : Điện áp đầu ra của bộ điều ápxung

Mth Mômen tới hạn khi điện áp là Uđm

MthU moment tới hạn khi điện áp là Ub

Phương pháp này được dùng điều chỉnh điện áp chođộng cơ ĐK roto lồng sóc.Khi thực hiện điều chỉnh điệnáp cho động cơ ĐK roto dây quấn cần phải nối thêm điệntrở phụ vào mạch roto , khi ta thây đổi điện trở phụ vàomạch roto sẽ mở rộng dãi điều chỉnh tốc độü và M.Vànhư vậy thì tổn thất điều chỉnh sẽ rất lớn

*Ưu điểm : của phương pháp này là chỉ thích hợp với

truyền động và momen tải là hàm tăng theo tốc độ

*Nhược điểm : Do tính chất phức tạp của moment ,điện

áp ,tốc độ nên trong tính toán người ta thường dùng cácphương pháp đồ thị để dựng các đăt tính điều chỉnh ,côngviệc này khá phức tạp

2.Phương pháp điều chỉnh điện trở mạch roto

Sơ đồ nguyên lý và đặt tính cơ như hình vẽ (Hình I-10)Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 4

ĐKĐAXC

thay đổi còn Mth = const dẫn đến thay đổi được tốc độđộng cơ khi thay đổi R2f ta có hệ đặc tính cơ có cùng Mth

nhưng khác Sth

*.Ưu điểm: Đơn giản rẻ tiền ,có khã năng hiện đại hoá

bằng bán dẫn

*.Nhược điểm : Tổn hao công suất khi điều chỉnh , hiệu

suất thấp , phạm vi điều chỉnh hẹp , điều chỉnh khôngtriệt để

3.Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ ĐK

a.Đặc điểm lam việc khi thay đổi tần số

Như ta đã biết, tần số của lưới điện quyết định giátrị tốc độ góc của từ trường quay trong máy điện ,do đóbằng cách thay đổi tần số dòng điện stato ta có thể điềuchỉnh được tốc độ động cơ

Quan hệ này có thể được phân tích nhờ phương trìnhcân bằng điện áp đối với mạch stato của máy điện

E1 = K.Φ.f1 (I-10)Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 5

ĐK

E1 : sức điện động cảm ứng trong cuộn dây stato

Φ : Từ thông móc vòng qua cuộn dây stato

K : Hằng số tỷ lệ

U1 = Ub :Điện áp đặt vào stato của động cơ

F1 = fb : Tần số dòng điện stato

Nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở của cuộn dây stato thì từ(I-10) ta có :

(Z1 = 0) ; (I-11)Nếu điện áp đặt vào stato không đổi (U1 = const) thì (I-11) cho thấy khi tần số tăng hơn giá trị định mức f1 > f1đm

thì từ thông máy sẽ giảm do đó moment trong máy sẽ giảmtheo : M = K.f.I

Nếu moment tải khôngđôíi hoặc là hàm theo tốc độthì lúc này dòng điện của động cơ thì lúc này dòng điệncủa động cơ phải tăng lên để cân bằng với moment phụ tải

(Mc là moment phụ tải hay moment cản)

Kết quả là cuộn dây stato bị quá tải về dòng gây phátnóng cuộn dây , giảm tuổi thọ động cơ

Nếu điện áp đặt vào stato không đổi (U1 = const) thìtheo (hình I-11) Khi tần số giảm nhỏ hơn so với định mứcì f1

< fđm thì từ thông của máy sẽ tăng dẫn đến mạch từ bịbảo hoà hay quá tải mạch từ Hiện tượng này làm tăngdòng từ hoá nghĩa là tăng tổn thất thép và đốt nóng máyđiện

Như vậy khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổitần số nếu giữ nguyên điện áp stato không đổi thì khảnăng mang tải của máy sẽ giảm và các chỉ tiêu chất lượngđều thấp Do đó khi thay đổi tần số phải kết hợp thayđổi điện áp trên dây quấn stato

b.Quy luật điều chỉnh điện áp

Người ta chứng minh được rằng khi thay đổi tầnsố ,Nếu đồng thời điều chỉnh điện áp sao cho hệ số quátải không đổi thì chế độ làm việc của máyluôn luôn được duy trì ở mức tối ưu khi làm việc ở cácthông số định mức ,khi đó hiệu suất cosφ của máy điệntrong toàn dãi hầu như không đổi

Từ nhận xét trên ta có thể tìm ra quy luật thay đổiđiện áp theo tần số , để cho đơn giản ta sử dụng các giảthiết đặt ra khi tìm phương trình đặt tính cơ của máy điệnkhông đồng bộ ( Hình I-12)

Trong đó Uf : trị số hiệu dụng điện áp pha ở stato (V)

Iμ,I’1,I’2 các dòng điện từ hoá ,stato,roto quy đổi về stato (A)

Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 6

Tiếp theo ta thay Mc(ω) = Mcđm.ω2 =

Khi đó (I14) được viết lại :

Biểu thức này thể hiện trong trường hơûp làm việc ở cácthông số định mức U1đm,f1đm và trường hợp ở U1,f1 bất kỳgiữ nguyên điều kiện λ =const ta được :

Từ đó rút ra quy luật điện áp :

Hoặc U1*= với và Như vậy điện áp stato phải thay đổi phụ thuộc vàotần số và đặc tính phụ tải cho những giá trịkhácnhau ,ta sẽ tìm ra những quy luật biến đổi điện áp vớitừng trường hợp phụ tải vớ bảng sau:

Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 7

Loại tải X Quy luật điền chỉnh

điện ápKiểu máy tiện -1

Kiểu máy nâng 0 f1*

Ma sát nhớt 1

Máy bơm,Quạt gió 2

Trong thực tế có nhiều loại máy sản xuất khácnhau , đặt tính cơ cũng có nhiều dạng khác nhau.Tuy vậyđặc tính cơ của máy sản xuất thường gặp :

Mc = Mc0 + (Mcđm + Mc0)( )x

Trongđó :

Mc :Moment cản là moment là moment trên trục máyứng với tốc độ ωc nào đấy

Mc0 : Moment cản của máy sản suất khi không quay

Mcdm :Moment cản định mức, là moment trên trục củamáy sản xuất ứng với tốc độ góc định định mức ωcdm

X : Những số tự nhiên đặc trưng cho từng dạngđặc tính cơ của máy sản xuất

1 Ứng với x = 0, Mc = const : Kiểu máy nâng,cầu trục ,

Máy tiện,máy doa máy mài ω2 f12

ω0 f1dm

ω1 f11

Hình (I-15) 0

M4.Ứng với x = 2, Mc tỷ lệ nghịch với tốc độ :

Kiểu máy bơm ,băng tải quạt gió;

Vì quy luật được rút ra với điều kiện côngnhận những giá trị giả thiết đã nhắc trên nên nó chỉ làgần đúng Nó được gọi là quy luật cơ bản hoặc là quyluật gần đúng có thể sử dụng khi điều chỉnh trong dãikhông rộng.Nếu dải diều chỉnh lớn dẩn đến sai sô đángkểú ở vùng tần số thấp

CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ BIẾN TẦN I.Giới thiệu chung

Bộ biến tần là một thiết bị biến đổi năng lượngđiện xoay chiều từ tần số f1 sang nguồn điện có tần sốkhác f2

Tần số của lưới điện quyết định tốc độ góc của từtrường quay trnong máy điện do đó bằng cách thay đổi tầnsố dòng điện stato ta có thể điều chỉnh được tốc độđộng cơ.Để thức hiện được vấn đềì này ta dùng bộ

Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 9

biến tần cung cấp tần số phù hợp với động cơ điềuchỉnh tốc độ.

Ở bộ biến tần làm nguồn cung cấp cho động cơ

ĐK ,yêu cầìu bộ này có khã năng biến đổi tần số và điệnáp sao cho tỉ số :

II.Phân loại các bộ biến tần

Biến tần có hai loại :

_ Biến tần dùng máy điện_ Biến tần van dùng thiết bị điện tử

1.Biến tần dùng máy điện :

Nguyên lý chung của loại này là sử dụng hai tổ máy ,một tổ máy nối với lưới điện có tốc độ không đổi còntổ kia được gắn với tải có tốc độ thay đổi.Nhờ biến đổitốc độ của tổ thứ hai mà tần số ra của thiết bị có thểbiến đổi được

Fbvar,Ubvar

F1, U1

CKĐ

ω2=varCKF

Hình (II-1)

*Nguyên lý hoạt động như sau :

Tổ ĐS có tốc độ ω1 = const làm chức năng biến điệnnăng từ lưới thành điện năng một chiều trên chổi thanphần ứng của máy phát F Tổ thứ hai gồm động cơ mộtchiều Đ và máy phát biến tần FBT ,có tốc độ trục ω2 = var

Tốc độ này được điều chỉnh theo yêu cầu bằng cách vàocác mạch kích từ của máy phát F và động cơ Đ Tần số racủa FBT phụ thuộc vào tốc độ quay ω2 của nó Việc sửdụng cũng như điều khiển bộ biến tần này rất phứctạp do sử dụng nhiều tổ máy điện ,hiệu suất thấp,thiết bị quay gây ồn nên việc lắp đặt máy phải kiên cố,dovậy giá thành cao

2.Biến tần dùng van bán dẫn:

Loại này được chế tạo từ các van bán dẫn côngsuất (transistor hoặc tiristor )

Được phân chia thành hai loại :

_ Biến tần trực tiếp_ Biến tần gián tiếpCác loại biến tần dùng van được ứng dụng rộng rãi nhờcác ưu điểm sau :

Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 10

Đ

ĐS

MẠCH VAN

_ Kích thước nhỏ nên diện tíchlắp đặt không lớn

_ Trọng lượng nhẹ_ Hệ số khuyếch đại công suấtlớn

_ Có quán tính nhỏ

*.Biến tần trực tiếp (Hình II-2)

Hình II-2Là bộ biến đổi mà tần số mà tần số được tạo rabằng cách đóng cắt thích hợp từng đoạn thích hợp mộtdòng điện xoay chiều có tần số cao hơn Từ điện áp xoaychiều U1 có tần số f1 ,chỉ cần qua một mạch van làchuyển ngay ra tải với tần số khác f2

Trong bộ biến tần trực tiếp chức năng chỉnh lưu vànghịch lưu nằm trên cùng một bộ biến đổi , không sửdụng tụ chuyển mạch và chỉ chuyển đổi một lần nênhiệu suất cao Nhưng thực tế mạch van khá phức tạpsố lượng van lớn , nhất là đối với mạch ba pha Việc thayđổi tần số f2 khó khăn và phụ thuộc vào f1 Biến tầnđược sử dụng với phạm vi điều chỉnh f2 < f1

*.Biến tần gián tiếp (Hình II-3)

Việc biến đổi năng lượng hai lần làm giảm hiệusuất của bộ biến tần song việc thay đổi f2 lại không phụthuộc vào f1 trong một dãy rộng cả trên và dưới f1 Hơn n ữa

dưới sự ứng dụng của hệ điều khiển số nhờ kỹ thuật

vi xử lý và van lức nên phát huy tối đa ưu điểm của biếntần loại này ,nên được sử dụng rộng rãi

Do tính chất của bộ lọc nên biến tần loại này còn đượcphân chia làm hai loại:

Biến tần dùng nghịch lưu áp Biến tần dùng bộ nghịch lưudòng

Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 11

Chỉnh

 Biến tần sử dụng nghịch lưu áp (Hình II-4)

Ta xét biến tần sử dụng nghịch lưu áp

Bộ lọc sử dụng tụ C lớn ở đầu vào của bộ nghịch lưunên điện áp đặt vào bộ nghịch lưu xem như nguồnáp ,cùng với điện cảm L tụ C làm phẳng điện áp chỉnh lưu-Ngoài ra tụ C còn tạo điều kiện trao đổi công suất phảnkháng Q gữa tải với bộ nghịch lưu và mạch mộtchiều ,bằng cách cho phép sự thay đổi nhưng trong thờigian ngắn dòng vào bộ nghịch lưu mà không phụ thuộcvào bộ chỉnh lưu

-Khi sử dụng bộ băm điện áp hay phương pháp điều biêïnđộ rộng xung thì có thể sử dụng bộ chỉnh lưu khôngđiều khiển (chỉnh lưu diod)

-do tác dụng của diod ngược nên đầu vào của bộ nghịchlưu luôn luôn dương

-Đôïi với loại này yêu cầu của bộ biến tần là năng lượngđược truyền hai chiều tức là động cơ thực hiện hãm táisinh thì bộ chỉnh lưu làm việc đươcü ở cả bốn góc phần

tư

Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 12

-Với yêu của đề tài chọn động cơ công suất nhỏ (P=120w)nên việc hãm tái sinh động cơ trả năng lượng về nguồn làkhông cần thiết nên ta sử dụng biến tần ngịch lưu áp vớibộ chỉnh lưu không điều khiển dùng diod và sử dụngphương pháp điều biến độ rộng xung để điều khiển ápđặt vào động cơ

*Xét biêïn tần sử dụng nghịch lưu dòng :

Bộ lọc có cuộn san bằng có cảm kháng lớn có tácdụng như nguồn dòng cấp cho bộ ngịch lưu dòng điệntrong mạch một chiều được san bằng bởi L dòng điệnnày không thể đảo chiều

Ngoài ra cuộn san bằng L còn có tác dụng đảo chiêìucông suất phản kháng của tải trong mạch một chiều, cuộnkháng này cho phép đảo chiều điện áp đặt vào bộ nghịchlưu mà không phụ thuộc vào bộ chỉnh lưu, do vậy rấïtphù hợp với việc hãm tái sinh động cơ Tuy nhiên chỉ điềuchỉnh đươcü dòng và áp của tải theo phương pháp biên độnên chỉnh lưu phải sử dụng linh kiện bán dẫn có điềukhiển

CHƯƠNG III THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC

Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 13

Mạch động lực dùng để truyền tải năng lượng điện chođộng cơ Sơ đồ khối như hình II-1

I.Chức năng

1.Khối chỉnh lưu

Khối chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi nguồn xoaychiều (AC) thành nguồn một chiều (DC)

Theo sự phân loại ta có các phương pháp sau :

- Chỉnh lưu không điều khiển : Sử dụng diod

- Chỉnh lưu có điều khiển : Sử dụng tisistor haytransistor

- Chỉnh lưu bán điều khiển : Sử dụng diod vàtisistor

Theo yêu cầu của đề tài động cơ công suất nhỏ nên thiếtkế khối chỉnh lưu không điều khiển sử dụng diod

Điện áp đầu ra của khối chỉnh lưu tuy là DC nhưngkhông bằng phẵng mà còn nhấp nhô gọi là hiện tượngđập mạch ( số pha của nguồn càng cao thì sự đập mạchcàng nhỏ).Bộ chỉnh lưu bao gồm các van chỉnh lưu và máybiến áp lực

2.Chức năng của máy biến áp lực

 Biến đổi điện áp nguồn phù hợp với yêu cầucủa tải

 Cách ly phụ tải với lưới điện để vận hành antoàn và thuận tiện

 Tạo điểm trung tính cho chỉnh lưu hình tia

 Hạn chế dòng điện ngắn mạch chỉnh lưu vàhạn chế tốc độ tăng dòng điện anôt trên cácvan chỉnh lưu

 Cải thiện hình dáng dòng điện trong lưới để làmcho dòng này ít biến dạng so với hình sin

Đối vớ điện áp ba pha có hai cách mắc chỉnh lưu :

- Sơ đồ hình tia ba pha Sơ đồ hình tia một pha (chỉnhlưu 1/2 sóng)

- Sơ đồ hình cầu ba pha Sơ đồ hình cầu một pha

Sơ đồ như hình (Hình 2),ì (Hình 3), ì (Hình 4), ì (Hình 5)

Hình III-5 Hình III-4Tuỳ thuộc vào mức độ yêu cầu về châït lượng điiệnáp DC mà ta chọn sơ đồ nào cho phù hợp

Dạng sóng điện áp ra như hai sơ đồ hình (Hình III-6), (HìnhIII-7), (Hình III-8) và

(Hình III-9)

Gọi điện áp xoay chiều đặt lên bộ chỉnh lưu là U1

còn điện áp DC là Ud ta có sự so sánh giữa các sơ đồ :

* Đối với chỉnh lưu một pha

+Chỉnh lưu một pha 1/2 chu kỳ

Nhận xét :máy biến áp sử dụng tồi

Sơ đồ chỉnh lưu một pha bán sóng đơn giản.Muốncó dòng tải ít nhấp nhô cần có bộ lọc tốt

+Chỉnh lưu cầu một pha

S2 = U2I2 =1,74UdId ; S1 = U1I1 = 1,23UdId

= 1,48Pd

Ta thấy đối với chỉnh lưu một pha thi chỉnh lưu cầu sửdung công suất của máy biến áp triệt để hơn, kinh tế hơn ,

so với chỉnh lưu bán sóng

*Đối với chỉnh lưu ba pha

+ Sơ đồ hình tia đơn giản hơn ,số pha ít hơn nên sụt áp béhơn và tổn thất bé hơn,Phù hợp với sơ đồ không đòi hỏiđiện áp ra Ud bằng phẵng Giá trị trung bình điện áp ra của

sơ đồ hình tia bé hơn

Ud =

S = 1,345Pd

+ Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình cầu cho điện áp và dòngchỉnh lưu tốt hơn so với ba pha hình tia ,máy biến áp đượcsử dụng triệt để hơn,máy biến áp không bị từ hoácưỡng bức bởi dòng một chiều Với cùng một giá trị Pd thìcông suát của máy biến áp ở sơ đồ cầu nhỏ hơn so với sơđồ hình tia đáng kể

Giá tri trung bình của điện áp ra đối với sơ đồ hìnhcầu như sau:

+Khối lọc tụ C thường sử dụng với tải công suất bé+Khối lọc có tụ C và cuộn kháng thường sử dụngvới tải công suất lớn

-Trong mạch chỉnh lưu (CL) điện áp hay dòng điện ta tải cócực tính không đổi nhưng giá trị của chúng thay đổi theothời gian một cách có chu kỳ (Hiện tượng đập mạch) tạo

ra các thành phần sóng hài gây nên sự tiêu phí năng lươûngmột cách vô ích và gây ra sự nhiểu loạn cho sự làm việccủa tải Vấn đề được đặt ra là ta phải lọc bớt các thànhphần sóng hàiđể có được thành phần một chiêu chiềucó hệ số đập mạch cho phép

Người ta định nghĩa hệ số đập mạch như sau:

Kp =Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 16

Giá trị trung bình của Ud(Id)Biên độ sóng hài lớn nhất của Ud(Id)

Kp có giá trị càng nhỏ thì chất lượng bộ lọc càng cao

* Các phương pháp lọc :

a.Lọc bằng tụ C: Thường dùng với công suất bé Sơ đồ

hình (Hình III-10)

Hình III-10

Do sự phóng điện của tụ C theo quy luật hàm mũ và docác sóng hài bật cao được rẽ qua tụ C,còn lại thành phầnmột chiều với số ít sóng hài bật thấp đi qua tải

Hệ số đập mạch

b.Bộ lọc dùng cuộn dây L

Được dùng với tải có công suất lớn hơn Hình III-11

Hình III-11

Vì cuộn dây L mắc nối tiếp với tải nên khi dòng điện ra tảibiến thiên đập mạch ,trong cuộn dây L xuất hiện dòngđiện tự cảm làm giảm các sóng hài bật cao

Hệ số đập mạch :

Khi tính chọn L nên chọn giá trị L không quá lớn vì như vậysẽ gây ra hiện tượng sụt áp DC trên nó lớn làm cho hiệusuất chỉnh lưu giảm

c.Lọc dùng cả tụ C và cuộn kháng L :

Sơ dồ này sử dụng ưu điểm của cả hai sơ đồ trênHình III-12

Hình III-12

Do sử dụng tổng hợp cả hai loại trên nên biên độsóng hài càng bị giảm nhỏ và điện áp ra tải ít bị đậpmạch hơn.Vì vậy bộ lọc LC thường thường được sửdụng nhièu nhất

Vì những ưu điểm trên trong đề tài này ta dùng bộlọc LC

-tU

tU

+Khối nghịch lưu dùng để biến đổi điện áp DC sau bộlọc thành thành xoay chiều AC có tần số thay đổi đượcđể cung cấp cho động cơ ĐK.

+Ta sử dụng nghịch lưu áp ba pha hình cầu ,thiết bịdùng để nghịch lưu có thể là tiristor,transistor,Mosfets

-Dùng Tiristor:Mỗi Tiristor khi dẫn dòng thì tác dụng của tínhiệu điều khiển không còn tác dụng nữa đòi hỏi cần phảicó bộ phận chuyển mạch cho Tiristor Bộ phận chuyểnmạch gồm có rất lớn các tụ điện và cuộn dây,điều nàygây khó khăn và làm tăng giá thành của mạch lắp ráp

-Dùng transistor (BJT hoặc Fet)

Nguyên lý làm việc của transistor tuơng tự như Tiristor

Transistor chuyển nhanh hơn loại Mosfets Đối với BJT dòngđiều khiển là Ib lớn ,trong chu trình dẫn phaỉ kiểm tra kỹlưỡng để các BJT này dẫn bảo hoà

Đối với Mosfets cực điều khiển được điều khiểnbằng áp nên rất thuận tiện khi phối hợp với mạch điềukhiển

Vì Tiristor Khi dẩn thì không phụ thuộc vào tín hiệuđiều khiển nên ta phải dùng cầu chì để bảo vệ đề phòngsự cố Dùng BJT hay Mosfets đòi hỏi phải tác động vàocực B,G trong suốt chu trình dẩn , thế nhưng dùngtransistor thì bỏ được khâu chuyển mạch cưỡíng bức , Hơnnữa tổn hao đổ chiều nhỏ hơn ,ngoài ra dùng transistor cókhã năng làm việc ở tần số cao hơn,kích thước gọn nhẹhơn

Qua những so sánh cả ưu và khuýêt điểm củatransistor và tirstor trong mạch động lực theo đề tài này tachọn bộ nghịch lưu dùng transistor

II.Nguyên lý làm việc

1.Bộ chỉnh lưu

a.Chỉnh lưu cầu một pha :Đối với những bộ chỉnh lưu

công suất nhỏ người ta thường dùng bộ chỉnh lưu cầumột pha nên ta xét bộ chỉnh lưu cầu một pha

+Hoạt động của sơ đồ :

Trong khoảng thời gian từ 0< < bộ chỉnh lưu mắcvào nguồn xoay chiều có giá trị cực dương tại điểm A ,cực âm ở điểm B ,do đó Đ1 và Đ3 ; Đ2 và Đ4 khoá

Trong khoảng thời gian , van Đ2 và Đ4 dẩn ,van Đ1

và Đ3 khoá

Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 18

BA



Ud

+Biểu thức dòng điện và điện áp :

Như ta đã biết ,chức năng của cuọn cảm L là tích luỷnăng lượng khi dòng id tăng và hoàn trả năng lượng khidòng id giảm Xác định dòng id

Phương trình dòng điện

Dạng toán tử Laplace :

đặt sơ kiện id = I0 , ta có

Hàm ảnh: Hàm gốc:

e-bt

Đối với nữa chu kỳ đầu tiên,0< < ,I0 = 0

Trong biểu thức trên :X =

b.Chỉnh lưu cầu ba pha

*Hoạt động của sơ đồ

Điện áp các pha thứ cấp máy biến áp

Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 19

Đ2 6

B

9π/6

7π/65π/6

+Xét tại thời điểm tương ứng với ta thấy điện thểï tạicác điểm A,B ,C như sau

VA> VB > VC dòng điện tải đi từ điểm A và B đến điểm

C Diod Đ1 ,Đ3 mở cho dòng chảy qua do đó Vf = VA > VB > VC , Đ5

khoá là vì điện thế katôt của chúng là

VA> VB> VC

Diod Đ2 mở cho dòng chảy qua và do đó VG = VA< VB< VC cácdiod Đ4,Đ6 bị khoá là do điện thế catôt của chúng là là VA

hoặc VB lớn hơn điện thế anot là VC

Ta có bảng tóm tắt hoạt động của sơ đồ :

Khoảng Chiều dòng

điện Diod mở Điện áptải Ud

Từ đến Từ A đến B Đ1 và Đ6 VA - VB

Từ đến Từ A đến C Đ1 và Đ2 VA-VC

Từ đến Từ B đến C Đ3 và Đ2 VB-VC

Từ đến Từ B đến A Đ3 và Đ4 VB-VA

Từ đến Từ C đến A Đ5 và Đ4 VC-VA

Từ đến Từ C đến B Đ5 và Đ3 VC và VB

Kết luận :

-Dòng tải bao giờ cũng xuất phát từ điểm có điện thế caonhất đến điểm có điện thế thấp nhất.Mổi diod cho dòngchảy qua trong một phần ba chu kỳ ( )

Mỗøi cuộn dây thứ cấp máy biến áp trong hai lần mộtphần ba chu kì ( ) :1/3 chu kì với diod trên và 1/3 chu kì vớidiod dưới

-Giá trị tức thời của diện áp tải Ud bằng hiệu giá trị tứcthời điện áp của hai pha đang cấp cho tải

-Ud bằng sáu chỏm cầu hình sin tạo nên

-Điện áp ngược lớn nhất mà mỗi diod phải chịu là :

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu

Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 20

Ud = =2,34U2

-Dòng chảy trong mỗi diod bằng dòng tải : iD = id

-Dòng chảy trong mổi cuộn dây thứ cấp máy biến áp làdòng điện xoay chiều

ia = i1-i4

ib = i3- i6

ic = i5- i2

-Giá trị trung bình của dòng điện tải :

-Giá trị trung bình của dòng qua mổi diod :

2.Bộ lọc

Sơ đồ mạch hình (Hình III-17)

b.Hoạt động của sơ đồ

Bộ lọc cho phép thành phần một chiều của bộchỉnh lưu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay chiều

Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu cầu ba pha khai triểnchuổi fourier Nếu chỉ dừng lại ở hai số hạng đầu ta có :

Biểu thức tổng quát của điện áp chỉnh lưu

Tong đó

: Tần số góc nhỏ nhất của sóng hài

V : Gá trị hiệu dụng của điện áp pha

Ud : Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu

-Nếu chúng ta giả thiết ,đối với sóng hài tần số thấp mà

XL>>XC thì dòng điện xoay chiều chảy qua Lvà C sẽ quyếtđịnh bởi XL và có thể viết :

Điện áp nhấp nhô :

Tỉ số nhấp nhô : KLC =

Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 21

CL

Hình 17

III-Vậy : LC =

Trong đó : a = 0,425 và n = 2 đối với chỉnh lưu một pha hainữa chu kỳ

a = 0,2 và n = 3 đối vớ chỉnh lưu ba pha hình tia

a = 0,095 và n = 6 đối với chỉnh lưu ba pha hìnhcầu

3.Bộ nghịch lưu điện áp (NLĐA) một pha

Bộ nghịch lưu điện áp ba pha thường dùng sơ đồcầu,sơ đồ cầu ba pha đươc tạo ra bằng cách mắc thêmmột nhánh vào sơ đồ cầu một pha,do đó trước khi khảosát sơ đồ cầu ba pha ta xem xét sơ đồ cầu một pha

a.Sơ đồ mạch nghịch lưu áp một pha (Hình II-18)

Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 22

Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 23

*Nguồn điện cấp cho nghịch lưu điện áp (NLĐA) phải lànguồn sức điện động nội trở nhỏ.Nếu sử dụng chỉnhlưu làm nguồn cấp cho NLĐA thì ta mắc thêm tụ điện C0 ởđầu nghịch lưu để một phần đảm bảo điện áp nguồn ít

bị thay đổi mặt khác để trao đổi năng lượng cảm khángvới điện cảm tải (với tải là R_L hay động cơ điện )

b.Nguyên lý hoạt động

Các van từ T1 đến T4 được điều khiển theo từng cặp

T1, T3 và T2, T4 lệch pha nhau 1800 Ở nữa chu kỳ đầu tiênđiều khiển mở T1, T3 với cực tính được xác định dấukhông có trong ngoặc ) ta có Ut = En Dòng điện chảy từdương nguồn qua T1 ,Zt , T3 về âm nguồn

-Đến thời điểm T/2 (hoặc ) ta đảo trạng thái điều khiểncho T2, T4 dẫn Nhưng do tải có tính cảm kháng nên dòngđiện không đảo chiều ngay ,năng lượng tích luỷ ở điệncảm sẽ duy trì dòng điện theo chiều cũ, lúc này dòng điệnbuộc phải thoát qua các diod D2,D4 để về nguồn theođường D2 cực dương En qua nguồn En xuống cực âmvề D4 (một phần chảy qua T2, T4 theo chiều ngược ).Nhưvậy do D2D4 và T2 T4 dẫn điện áp ra tải đảo cực tính ngay(dấu trong ngoặc ) ta có Ut = -En nhưng dòng điện tải vẩnduy trì theo chiêìu củ cho đến thời đểm t2 mới đảochiều Đến điểm lại đổi trạng thái ,quá trình diển ratương tự : dòng điện sẽ duy trì theo chiều cũ một đoạnbằng t1 nhờ các van D1 , D3 , T1, T3 rồi mới đảo chiều

-Qua một chu kỳ tải nhận được điện áp và dòng điện làxoay chiều ,đây chính là nguyên lý nghịch lưu

4.Bộ nghịch lưu áp ba pha

a.Sơ đồ mạch hình (Hình III-1)Bằng cách mắc thêm một

nhánh vào cầu nghịch lưu mộit pha ta được cầu nghịchlưu ba pha tải R,L đấu sao

Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 24

t2π

b.Nguyên lý làm việc

các transistor làm việc với góc dẫn = 1800 theo biểuđồ điều khiển hình (Hình III-21), các transistor mở lần lượctừ T1 T6 với góc lệch pha giữa hai transistor là 600 Nhưvậy ở bất kỳ thời điểm nào cũng có ba transistor dẫn (haicủa nhóm này và một của nhóm kia ) cho dòng chảy qua

Ở mỗi thời điểm sơ đồ đều có một pha mắc nốitiếp với hai pha đấu song song do vậy điện áp trên tải chỉcó hai giá trị hoặc Ed/3 ( khi pha đó đấu song song với mộtpha khác ) hoặc 2Ed/3 ( khi nó đấu nối tiếp với hai pha khácđấu song song ).Giả thiết tải đối xứng ZA = ZB = ZC theodạng điện áp ra ta có trị hiệu dụng của nó :

Để có biểu đồ điện áp ra tải theo thời gian ,ta xétmột chu kỳ làm việc của mạch ,trong đó chỉ xét nguyên lýhoạt động của transistor

+Giá trị tại thời điểm ban đầu T1,T5,T6 làm việc từ 00 đến

(vì cứ lại có sự chuyển mạch )

Điện áp dây của tải có dạng xung chử nhật

Có độ rộng 1200 và điều hoà

Điện áp pha của tải có dạng bật thang

Dòng điện của tải có dạng xoay chiều

Không điều hoà ,tăng và suy giảm theo hàm mũ.(Hình III-20)

Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 25

-Dạng sóng điện áp ra của bộ nghịch lưu hình :

Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 26

5Bộ điều chỉnh xung áp:

Bộ điều chỉnh xung áp một chiều (ĐAMC) được sửdụng khi có sẵn nguồn một chiều cố định mà cần phảiđiều chỉnh được điện áp ra tải các ĐAMC hoạt động theonguyên tắc đóng ngắt nguồn một chiều với tải một cáchcó chu kỳ theo một số quy luật nhất định Phần tử thựchiện nhiệm vụ này là van bán dẫn ,song do chúng làmviệc với nguồn một chiều nên không thể dùng van tiristorthông thường vì nó không thể khoá được một cách tựnhiên vì áp nguồn không đổi chiều như khi làm việc vớinguồn xoay chiều.Do vậy buộc phải có một mạch chuyêndụng để khoá tiristor gọi là “Mạch khoá cưỡng bức “gâynhiều khó khăn trong lắp mạch thực tế Vì vậy hiện nayngười ta sử dụng loại van điều khiển cả đóng và mở nhưtransistor

a.Sơ đồ nguyên lý và phương pháp điều chỉnh xung áp

Hình III-21Trong khoảng thời gian từ 0 T1 ta cho

Van T mở toàn bộ điện áp nguồn đượcđưa ra tải Ut = Ud

Sinh viín thực hiện:PHẠM PHƯỚC MINH-Lớp 03Đ1 Trang 27