Đồ án dtcs mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển

Chỉnh lưu là một họ mạch điện tử công suất vô cùng phổ biến trong đời sống ngày nay. Với vai trò là biến đổi điện áp xoay chiều (thường là điện áp lưới) về dạng điện áp một chiều (thường sử dụng trong các bảng mạch điện tử), mạch chỉnh lưu có mặt hầu hết trong các ứng dụng về điện và điện tử. Cũng chính vì thế mà mạch chỉnh lưu được quan tâm nghiên cứu rất sâu và bài bản. Hiện nay có rất nhiều kiểu mạch chỉnh lưu khác nhau được biết đến, mỗi dạng mạch lại có những ưu điểm và nhược điểm riêng nên được vận dụng linh hoạt cho các yêu cầu công nghệ khác nhau.Phần tử cơ bản nhất và quan trọng nhất để tạo nên mạch chỉnh lưu là van bán dẫn. Người ta thường sử dụng van diode cho mạch chỉnh lưu không điều khiển và van Thyristor cho mạch chỉnh lưu điều khiển. Ở một số ứng dụng khác người ta sử dụng thêm một số loại van điều khiển hoàn toàn được kết hợp với 2 loại van trên để tạo nên những mạch chỉnh lưu nhiều chức năng hơn (mạch chỉnh lưu tích cực).Chỉnh lưu được áp dụng nhiều nhất trong công nhiệp là dạng chỉnh lưu điều khiển với van Thyristor. Các mạch chỉnh lưu điều khiểnbán điều khiển cơ bản gồm 9 sơ đồ sau:

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 2

1.1 Cấu trúc chung và phân loại hệ điều khiển truyền động điện 2

1.2 Động cơ một chiều 5

1.2.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều kích từ độc lập 6

1.2.2 Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều kích từ độc lập 9

1.2.3 Đặc tính cơ 10

1.2.4 Nguyên lý cơ bản về điều khiển truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập 12

1.3 Hệ điều khiển truyền động động cơ một chiều 18

1.3.1 Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ) 19

1.3.2 Hệ truyền động xung áp- động cơ (XA-Đ) 20

1.3.3 Hệ truyền động chỉnh lưu tiristo - động cơ (T-Đ) 21

1.4 Kết luận 23

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC 24

2.1 Lựa chọn phương án mạch động lực 24

2.2 Phân tích sơ đồ mạch động lực 24

2.2.1 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn 24

2.2.2 Giới thiệu về van Thyristor 26

2.2.3 Điều khiển van bán dẫn Thyristor 32

2.3 Thông tin về hệ thống 34

2.4 Sơ đồ mạch lực 35

2.6 Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực 37

2.6.1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn 37

2.6.2 Bảo vệ quá dòng cho van 39

2.6.3 Bảo vệ quá điện áp cho van 41

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 43

3.1 Cấu trúc tổng quát của mạch điều khiển 43

3.2 Thiết kế mạch điều khiển 45

3.2.1 Khâu đồng pha 45

3.2.2 Khâu tạo điện áp răng cưa 46

3.2.3 Khâu so sánh 48

3.2.4 Khâu phát xung chùm 50

3.2.5 Khâu khuếch đại xung 51

3.3 Kết luận 54

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG 55

4.1 Sơ đồ mô phỏng PSIM 55

4.2 Kết quả mô phỏng 56

Hình 1.1: Cấu trúc điều khiển nối tầng hệ truyền động điện 4

Hình 1.2: Cấu trúc động cơ một chiều 6

Hình 1.3: Stator 7

Hình 1.4: Cực từ trong động cơ một chiều 7

Hình 1.5: Rotor 8

Hình 1.6: Cổ góp 9

Hình 1.7: Nguyên lý tạo ra từ trường quay động cơ một chiều 10

Hình 1.8: Sơ đồ mạch điện thay thế động cơ điện một chiều 10

Hình 1.9: Đặc tính cơ tự nhiên động cơ một chiều kích từ độc lập 12

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng 13

Hình 1.11: Dạng đặc tính cơ hệ truyền động điều chỉnh điện áp 14

Hình 1.12: a) Sơ đồ thay thế; b) Đặc tính điều chỉnh khi điều khiển từ thông động cơ; c) Quan hệ (iF) 15

Hình 1.13: Nguyên lý mạch lực truyền động điều khiển hai thông số điện áp và từ thông 16

Hình 1.14: Đặc tính điều khiển hai vùng kế tiếp nhau 17

Hình 1.15: Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ) 19

Hình 1.16: Nguyên lý băm xung một chiều (BXMC) 20

Hình 1.17: a) Sơ đồ thay thế hệ T – Đ không đảo chiều 23

Hình 2.1: Các dạng sơ đồ chỉnh lưu cơ bản (1) Sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ; (2) Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia; (3) Sơ đồ chỉnh lưu một pha cầu; (4) Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia; (5) Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha; (6) Sơ đồ chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng 25

Hình 2.2: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha 26

Hình 2.3: Đồ thị làm việc của chỉnh lưu cầu 3 pha 26

Hình 2.4: Thyristor (a) Cấu tạo; (b) Ký hiệu 26

Hình 2.5: Đặc tính vôn-ampe của Thyristor 27

Hình 2.6: Hiệu ứng dU/dt tác dụng như dòng điều khiển 31

Hình 2.9: Aptomat BKN 3P 25A 40

Hình 2.10: Mạch R-C bảo vệ quá áp do chuyển mạch 41

Hình 2.11: Bảo vệ quá điện áp từ lưới 42

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển dọc 43

Hình 3.2: Giản đồ các tầng điều khiển 44

Hình 3.3: Sơ đồ khâu đồng bộ 45

Hình 3.4: Điện áp đồng bộ Uđb 45

Hình 3.5: Mạch tạo răng cưa 46

Hình 3.6: Đồ thị điện áp răng cưa 47

Hình 3.7: Khâu so sánh 48

Hình 3.8: Tín hiêu xung sau khâu so sánh 49

Hình 3.9: Khâu tạo xung chùm 50

Hình 3.10: Đồ thị khâu tạo xung chùm 50

Hình 3.11: Sơ đồ khuếch đại xung 51

Hình 4.1: Sơ đồ mạch điều khiển 55

Hình 4.2: Sơ đồ mạch lực 55

Hình 4.3: Đặc tính các tầng điều khiển 57

Hình 4.4: Điện áp sau chỉnh lưu 57

Bảng 1.1: Khái quát các phương pháp điều khiển động cơ một chiều 18

Bảng 2.1: Thông tin về hệ thống 34

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật Aptomat 39

Bảng 2.3: Bảng lựa chọn các thiết bị mạch lực 42

Bảng 3.1: Thông số thiết bị khâu đồng pha 46

Bảng 3.2: Thông số các thiết bị khâu tạo điện áp răng cưa 48

Bảng 3.3: Thông số các thiết bị khâu so sánh 49

Bảng 3.4: Thông số các thiết bị khâu tạo xung chùm 50

Bảng 3.5 Thông số cơ bản transistor TIP41C 53

Bảng 3.6: Thông số cơ bản cúa C945 53

Bảng 3.7: Thông số các thiết bị khâu khuếch đại xung 53

LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC HỆ THỐNG

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1.1 Cấu trúc chung và phân loại hệ điều khiển truyền động điện

Hệ truyền động điện là một tập hợp các thiết bị như: Thiết bị điện, thiết bị điện

tử, thiết bị cơ để phục vụ cho việc biến đổi năng lượng điện-cơ Biến đổi điện năng từlưới điện thành cơ năng cấp cho máy sản xuất, khi hệ làm việc trong chế độ động cơ

và biến đổi cơ năng thành điện năng, khi hệ làm việc trong chế độ hãm Điều khiểntruyền động điện thực hiện điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó theo yêu cầucông nghệ của máy sản xuất

Cấu trúc chung của hệ truyền động điện, bao gồm ba phần chính:

 Phần cơ truyền động điện là các cơ cấu truyền động của máy sản xuất,

 Phần lực truyền động điện là bộ biến đổi và động cơ truyền động Các bộbiến đổi trước đây gồm có bộ biến đổi máy điện (máy phát một chiều,xoay chiều), bộ biến đổi từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bão hòa), ngàynay thường sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất (chỉnh lưu Thyristor,biến tần transistor…) Động cơ điện có các loại: Động cơ một chiều,xoay chiều đồng bộ ba pha, không đồng bộ ba pha và các loại động cơđặc biệt khác v.v

 Phần điều khiển gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều khiển truyền động

và công nghệ, ngoài ra còn có các thiết bị điều khiển, đóng cắt phục vụcông nghệ và cho người vận hành Đồng thời một số hệ truyền động có

cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác trong một dây truyền sảnxuất

Có nhiều phương pháp phân loại hệ truyền động:

 Phân loại theo động cơ tham gia truyền động như truyền động động cơmột chiều, truyền động động cơ xoay chiều đồng bộ và xoay chiềukhông đồng bộ…

 Phân loại theo cấp công suất: Truyền động công suất lớn có công suất từ

MW trở lên, thường loại này có máy biến áp riêng; truyền động công

suất vừa có công suất vài chục đến vài trăm kW và truyền động côngsuất nhỏ đến chục kW.

 Phân loại theo cấp điện áp hạ áp đến 1000V, trung áp trên 1kV đến10kV

Hệ điều khiển truyền động bao gồm điều khiển tham số và điều khiển lô gic.Điều khiển tham số truyền động điện là điều khiển tốc độ điều khiển mô men và điềukhiển vị trí Điều khiển lô gic có: Điều khiển lô gic khởi động, điều khiển lô gic vậnhành, điều khiển lô gic bảo vệ, dừng và dừng khẩn cấp Hệ điều khiển truyền độngđược phân loại như sau:

 Truyền động không điều khiển tham số: Thường chỉ có động cơ nối trựctiếp với lưới điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định, mô mentruyền động theo yêu cầu của tải Hệ điều khiển loại truyền động này chủyếu là điều khiển logic Truyền động kiếu này xuất hiện phổ biến vớicông suất từ nhỏ đến lớn

 Truyền động có điều khiển tham số được phân loại theo đại lượng cầnđiều khiển như điều khiển tốc độ, điều khiển mô men và điều khiển vịtrí Hệ điều khiển truyền động có điều khiển tham số có độ chính xácđiều khiển cao thường có công suất không lớn (như các truyền độngservo cho máy CNC, Robot….) Truyền động điều khiển tham số có độchính xác không cao như các máy bơm quạt gió, máy nâng vận chuyển,máy cán… có công suất vừa đến hàng MW Hệ điều khiển tham sốtruyền động bao giờ cũng trang bị bộ biến đổi điện tử công suất với cấpđiện áp từ hạ áp, đến trung áp Trong cấu trúc hệ truyền động có điềukhiển có thể là truyền động một động cơ hay nhiều động cơ

Trong công nghiệp hệ điều khiển tham số truyền động điện thường dùng điềukhiển phản hồi tuyến tính với bộ điều khiển PID theo cấu trúc điều khiển mạch vòngnối tầng kết hợp với điều khiển bù Feedforward Với hệ truyền động có thông số thayđổi lớn người ta còn dùng bộ điều khiển thích nghi Điều khiển truyền động cho rô bốt

là hệ rất phức tạp, thường phải dùng điều khiển như điều khiển thích nghi phi tuyếnhoặc các thuật điều khiển hiện đại khác, được đề cập trong nội dung giáo trình riêng vềđiều khiển rô bốt

Sơ đồ nguyên lý điều khiển truyền động trong công nghiệp được trình bày trênHình 1.1, có cấu trúc theo các mạch vòng nối tầng với bốn cấp điều khiển.

Hình 1.1: Cấu trúc điều khiển nối tầng hệ truyền động điện

 Cấp điều khiển bộ biến đổi, có hai phần

1) Phần điều khiển lô gic và bảo vệ an toàn bộ biến đổi như bảo vệ quá nhiệt,quá áp, quá dòng ; 2) Phần điều khiển các tham số bộ biến đổi như: Giá trị và dạngđiện áp ra; Tần số đầu ra, dạng dòng đầu vào v.v… Người ta gọi cấp này là cấp điềukhiển quá trình điện tử, thời gian điều khiển cỡ <1ms Các bộ biến đổi thương phẩmđều đã trang bị đầy đủ chức năng này, khi đưa vào vận hành các kỹ sư chỉ khai báo sốliệu không cần can thiệp gì khác trừ khi bộ biển đổi hỏng phải sửa chữa thay thế

 Cấp điều khiển động cơ

Ngoài vấn đề điều khiển lô gic (xem chương 8), điều khiển động cơ thực chất làđiều khiển mô men với hai đại lượng tác động là từ thông (phần cảm) và dòng điện(phần ứng) Người ta gọi cấp này là cấp điều khiển quá trình điện từ, thời gian điềukhiển cỡ từ 10÷20ms.Thực tế khi đưa động cơ vận hành, kỹ sư chỉ việc khai báo tham

số động cơ và tiến hành quá trình “Test” các tham số, hệ điều khiển sẽ nhận dạng, tínhtoán các tham số động cơ và điều khiển để tự động cài vào bộ điều khiển, trừ trườnghợp có ứng dụng đặc biệt cần can thiệp vào mạch vòng điều khiển mô men

 Cấp điều khiển truyền động

Có ba đại lượng cần điều khiển là mô men, tốc độ quay và vị trí (hoặc là lựckéo, tốc độ dài và quãng đường) Người ta gọi cấp điều khiển này là điều khiển truyềnđộng phục vụ quá trình công nghệ Cấp điều khiển truyền động, hiện đang tồn tại hai

giải pháp: Tích hợp chung vào bảng mạch điều khiển bộ biến đổi hoặc thiết lập riêngmột bảng mạch độc lập Ngoài ra có một số dây chuyền, điều khiển truyền động đượcthiết lập trong bộ điều khiển quá trình (Process Controller) Đối với cấp điều khiển

truyền động, các kỹ sư Tự động hóa có nhiệm vụ thiết kế điều khiển, cài đặt chỉnh định

các tham số và đưa hệ vào vận hành.

 Cấp điều khiển giám sát vận hành

Cấp điều khiển giám sát vận hành hệ truyền động phục vụ người vận hành theodõi, ra lệnh tác động theo yêu cầu sản xuất và đảm bảo hệ an toàn không có sự cố Cấpđiều khiển giám sát vận hành thường chỉ có đối với hệ truyền động nhiều động cơ Đốivới truyền động một động cơ công suất không lớn có thể sử dụng màn hình giao diệncủa bộ biến đổi để vận hành

1.2 Động cơ một chiều

Động cơ điện một chiều được phát minh và sử dụng trong công nghiệp từ rấtsớm, theo cấu tạo mạch kích từ ta có ba loại động cơ chính: Động cơ kích từ độc lập,động cơ kích từ nối tiếp và động cơ kích từ hỗn hợp Động cơ kích từ độc lập có mạchkích từ riêng, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ở mọi dải công suất (đối vớiđộng cơ công suất rất nhỏ người ta hay dùng kích từ dùng nam châm vĩnh cửu) Động

cơ kích từ nối tiếp: Cuộn kích từ nối tiếp với cuộn dây phần ứng, được sử dụng trongtruyền động cho các phương tiện giao thông như tàu hỏa tàu điện và các máy nâng vậnchuyển trong hệ thống kho hàng Động cơ kích từ hỗn hợp gồm hai cuộn kích từ nốitiếp và độc lập, trong đó từ thông chính vẫn là từ thông kích từ độc lập, để không làmtăng kích thước động cơ, cuộn kích từ nối tiếp có số vòng dây ít để bổ sung lượng từthông để tăng mô men mở máy và tránh sự cố mất từ thông động cơ.Trong chương nàytập trung vào hệ truyền động dùng động cơ một chiều kích từ độc lập

Từ đầu thế kỷ 20 cho đến những năm 80 thế kỷ 20, hệ truyền động có điềukhiển tốc độ trong công nghiệp chủ yếu dựa vào truyền động động cơ một chiều Chođến nay mặc dù hệ truyền động xoay chiều có điều chỉnh tốc độ chiếm ưu thế trongcông nghiệp nhưng có một số ứng dụng người ta vẫn dùng truyền động động cơ mộtchiều (chủ yếu ở các dây chuyền cán kéo các vật liệu kim loại, các máy xúc khai tháckhoáng sản, các hệ truyền động yêu cầu hệ số quá tải lớn, )

Hệ điều khiển truyền động động cơ điện một chiều chủ yếu hiện nay dùng hệchỉnh lưu Thyristor– động cơ (T-Đ), một số trang thiết bị như máy xúc còn dùng hệmáy phát - động cơ (F-Đ), khi công suất rất nhỏ người ta còn dùng hệ điều khiển xungđiện áp transisto Trong đó hệ điều khiển truyền động F-Đ mặc dù có nhiều nhượcđiểm cồng kềnh hiệu suất thấp vốn đầu tư lớn nhưng nó có ưu điểm lớn là đơn giản, độtin cậy cao, dễ vận hành, đảo chiều êm, không phát tác sóng điều hòa lên lưới, chính

vì vậy người ta sử dụng nó trong trang thiết bị khai thác khoáng sản với nguồn điệncục bộ hữu hạn từ máy phát điện diesel Hệ T-Đ có nhiều ưu điểm nổi trội kích thướcgọn, giá thành hạ, hiệu suất cao tác động nhanh nên nó được sử dụng rộng rãi trongcông nghiệp Tuy nhiên nó có nhược điểm là phát sóng điều hòa lên lưới, nên khi sửdụng hệ truyền động T-Đ bắt buộc có bộ lọc đầu vào hoặc dùng sơ đồ chỉnh lưu nhiềuxung ra (12 hay 18 xung).Trong phạm vi đồ án này em tập trung phân tích để thiết kếđiều khiển chủ yếu cho hệ T-Đ từ đó vận dụng cho các hệ hệ truyền động khác

1.2.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Giống như những máy điện quay khác nó cũng gồm phần đứng im (stato) vàphần quay (rotor) Về chức năng máy điện một chiều cũng được chia thành phần cảm(kích từ) và phần ứng (phần biến đổi năng lượng) Khác với máy điện đồng bộ ở máyđiện một chiều phần cảm bao giờ cũng ở phần tĩnh còn phần ứng là ở roto Trên hình1.2 biểu diễn cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm các bộ phận chính

Hình 1.2: Cấu trúc động cơ một chiều

Để tản nhiệt tốt cuộn dây được tách ra thành những lớp, đặt cách nhau một rãnhlàm mát.

2 Cực từ phụ

Cực từ phụ nằm giữa các cực từ chính, thông thường số cực phụ bằng ½ số cựcchính Lõi thép cực phụ thường là bột thép ghép lại, ở những máy có tải thay đổi thì lõithép cực phụ cũng được ghép bằng các lá thép Cuộn dây đặt trên lõi thép Khe khí ởcực từ phụ lớn hơn khe khí ở cực từ chính

Hình 1.4: Cực từ trong động cơ một chiều

3 Gông từ

Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trongđộng cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trong máy điện lớnthường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

4 Cơ cấu chổi than

Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơ cấu chổi than bao gồm có chổithan đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than được cốđịnh trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có thể quay được để điềuchỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại

1.2.1.2 Rotor

Rotor của máy điện một chiều là phần ứng Ngày nay người ta dùng chủ yếu làloại rôto hình trống có răng được ghép lại bằng các lá thép điện kỹ thuật Ở những máycông suất lớn người ta còn làm các rãnh làm mát theo bán kính (các lá thép được ghéplại từng tệp, các tệp cách nhau một rãnh làm mát)

Hình 1.5: Rotor

1 Lõi sắt phần ứng

Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủcách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên.Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào Trong nhữngđộng cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõisắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục Trong những động cơ điện lớn hơn thìlõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi làkhe hở thông gió Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi

sắt Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto Dùng giá rôto có thể tiếtkiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto.

2 Cổ góp

Cuộn dây rôto là cuộn dây khép kín, mỗi cạnh của nó được nối với phiến góp.Các phiến góp được ghép cách điện với nhau và với trục hình thành một cổ góp Phiếngóp được làm bằng đồng, vừa có độ dẫn điện tốt vừa có độ bền cơ học, chống màimòn

Hình 1.6: Cổ góp

3 Thiết bị chổi

Để đưa dòng điện ra ngoài phải dùng thiết bị chổi gồm: chổi than được làmbằng than granit vừa đảm bảo độ dẫn điện tốt vừa có khả năng chống mài mòn, bộ giữchổi được làm bằng kim loại gắn vào stato, có lò so tạo áp lực chổi và các thiết bị phụkhác

4 Dây quấn phần ứng

Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạyqua Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điệnnhỏ có công suất dưới vài kW thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa

và lớn thường dung dây tiết diện chữ nhật Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnhcủa lõi thép Để tránh khi quay bị văng ra lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nệm để đèchặt hoặc đai chặt dây quấn Nệm thường làm bằng tre, gỗ…

1.2.2 Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều kích từ độc lập

Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện Các thanhdẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều củalực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau Do cóphiếu góp chiều dòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi.Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiều của suấtđiện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều suất điện động Eưngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động

Hình 1.7: Nguyên lý tạo ra từ trường quay động cơ một chiều

1.2.3 Đặc tính cơ

Hình 1.8: Sơ đồ mạch điện thay thế động cơ điện một chiều

Phương trình cơ bản và phương trình đặc tính cơ: Với giả thiết phản ứng phầnứng được bù đủ, mạch từ chưa bão hòa và các tham số động cơ không thay đổi trongquá trình vận hành, ta có các phương trình động học của động cơ một chiều kích từđộc lập gồm :

Động học quá trình điện từ phần ứng:

( 1.1)

Động học quá trình điện từ mạch kích từ :

( 1.2)

Động học quá trình điện cơ:

( 1.3) Trong đó: Sức điện động động cơ e a =kψ f ω (tính bằng V); ω (tính bằng rad/s) là

tốc độ góc của động cơ, thực tế hay dùng đơn vị kỹ thuật n (v/phút), được tính quy đổi

Phương trình đặc tính cơ

( 1.5)

Hình 1.9: Đặc tính cơ tự nhiên động cơ một chiều kích từ độc lập

Khi từ thông không đổi ta có phương trình đặc tính cơ điện tương đương vớiđặc tính cơ :

( 1.6)

Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập với các thông số định mức(đặc tính cơ tự nhiên) được trình bày trênHình 1.9, trong đó có các tham số định mức:

( 1.7)

1.2.4 Nguyên lý cơ bản về điều khiển truyền động động cơ một chiều kích

Để thực hiện điều khiển điện áp phần ứng và điện áp kích từ, cấu trúc phần lựccủa hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bao giờ cũng cần có bộbiến đổi, ta có bộ biến đổi cho phần ứng và bộ biến đổi cho mạch kích từ Cho đến naytrong công nghiệp sử dụng ba loại bộ biến đổi chính:

Bộ biến đổi máy điện gồm: Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máyđiện khuếch đại (MĐKĐ),

 Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu tiristo (CLT),

 Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito (BBĐXA)

Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như:

 Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ)

 Hệ truyền động máy điện khuếch đại từ trường ngang- động cơ Đ)

(MĐKĐ- Hệ truyền động chỉnh lưu tiristo - động cơ (T-Đ)

 Hệ truyền động xung áp- động cơ (XA-Đ)

1.2.4.1 Nguyên lý điều khiển điện áp phần ứng

Để điều khiển điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị bộ biến đổi,

tổng quát ta có đặc tính chung như sau: Gọi E b là sức điện động bộ biến đổi nó được

điều khiển bởi u, ta có quan hệ: E b =k b u b

Thực tế các bộ biến đổi đều có tính phi tuyến hệ số khuếch đại k b thay đổi theo

đại lượng đầu vào k b (u b ) (phi tuyến vào –ra) Các bộ biến đổi là nguồn có công suất

hữu hạn so với động cơ, nên đều có điện trở trong R b khác không Sơ đồ mạch điệnnguyên lý được trình bày trên Hình 1.10: a) là sơ đồ nguyên lý, b) là sơ đồ thay thế

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng

Ta có phương trình đặc tính cơ hệ truyền động điều chỉnh điện áp phần ứng khi

từ thông không đổi và bằng định mức:

( 1.8)

Sự khác nhau giữa đặc tính cơ của động cơ và đặc tính cơ hệ truyền động là độ

sụt tốc độ ∆ω của hệ truyền động lớn hơn do xuất hiện điện trở trong của bộ biến đổi.

Hình 1.11: Dạng đặc tính cơ hệ truyền động điều chỉnh điện áp

Trên Hình 1.11 là đặc tính cơ hệ truyền động điều chỉnh điện áp (hệ hở) Khi

điều chỉnh giá trị u ta nhận được các giá trị E b khác nhau và được họ đặc tính cơ song

song với nhau với các giá trị ω o (ứng với E b) khác nhau Ta nhận thấy khi điều chỉnhđiện áp phần ứng công suất đông cơ tăng tuyến tính với tốc độ còn khả năng sinh mômen của động cơ không đổi

1.2.4.1 Nguyên lý điều khiển từ thông động cơ

Tương tự như điều chỉnh điện áp phần ứng, điều chỉnh áp kích từ để điều chỉnh

từ thông động cơ ta cũng cần trang bị bộ biến đổi Bộ biến đổi cho mạch kích từ có sức

điện động là E f , điện trở trong là r bf Giả thiết khi điều chỉnh từ thông điện áp phần ứng

giữ không đổi U a =U aN Mạch nguyên lý điều khiển được trình bày trên Hình 1.12, ta

có sức điện động bộ biến đổi là e bf , điện trở trong bộ biến đổi là r bf trong chế độ xáclập dòng kích từ:

( 1.9)

Từ thông động cơ  là hàm của dòng kích từ, được xác định theo đặc tính từhóa máy điện Giả thiết không tính đến từ trễ, ta có quan hệ từ thông và dòng kích từlà:

( 1.1 0)

Hình 1.12: a) Sơ đồ thay thế; b) Đặc tính điều chỉnh khi điều khiển từ thông động cơ;

c) Quan hệ (i F )

Trên Hình 1.12c biểu diễn quan hệ từ thông và dòng kích từ, ta thấy từ thông tỷ

lệ tuyến tính với dòng kích từ ở vùng tuyến tính (k μ là hệ số không đổi), khi vào vùng

cận bão hòa và bão hòa k μ suy giảm

Xét về đặc tính cơ khi điều chỉnh giảm từ thông

( 1.1 1) Trong đó: ψ f *= ψ f /ψ fN

Ta thấy khi điều chỉnh giảm từ thông, tốc độ không tải lý tưởng tăng và độ sụttốc độ tăng theo Như vậy đặc tính cơ sẽ dốc, rất mềm so với đặc tính điều chỉnh điện

áp, khả năng sinh mô men được giới hạn bởi đường nét đứt (Mmax~1/ω) Trên Hình1.12a là nguyên lý cấu trúc mạch lực điều chỉnh từ thông, Hình 1.12b biểu diễn đặc

tính cơ khi điều khiển từ thông và Hình 1.12c là đặc tính quan hệ giữa dòng kích từ và

từ thông Ta thấy khi giảm từ thông tốc độ tăng nhưng khả năng sinh mô men động cơsuy giảm nhiều, vì vậy giảm từ thông thường dùng để chạy nhanh không tải hoặc chạyvới tải nhỏ Vùng điều khiển giảm từ thông về thực tế có thể thiết kế đạt 4:1, nó phụthuộc vào phần cơ của động cơ như ổ bi, vành góp chổi than hoặc khả năng chống lực

ly tâm của bối dây phần ứng Ta nhận thấy khi giảm từ thông công suất động cơ khôngđổi và khả năng sinh mô men suy giảm tỷ lệ nghịch với độ suy giảm từ thông

1.2.4.2 Nguyên lý điều khiển kết hợp điện áp và từ thông

Phần lớn các hệ truyền động động cơ một chiều thực hiện điều khiển cả điện áp

và từ thông Sơ đồ nguyên lý hệ điều khiển được trình bày trên Error: Referencesource not found, trong đó có hai bộ biến đổi cho mạch phần ứng và bộ biến đổi chomạch kích từ Tuỳ theo yêu cầu từng loại công nghệ mà việc phối hợp giữa hai kênhđiều khiển điện áp và từ thông sẽ có đặc điểm khác nhau, thông thường có hai loạichính như sau:

 Điều khiển hai vùng kế tiếp nhau,

 Điều khiển đồng thời giữ dòng phần ứng không đổi hoặc điều khiểntham số công nghệ

Hình 1.13: Nguyên lý mạch lực truyền động điều khiển hai thông số điện áp và từ

thông

Điều khiển hai vùng kế tiếp nhau: Nguyên lý điều chỉnh hai vùng kế tiếp nhau

được phân chia rõ ràng:

định mức Khả năng sinh mô men của động cơ là không đổi, công suất tăng tuyến tínhvới tốc độ Tại giá trị điện áp định mức, động cơ làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên, ta

có tốc độ cơ bản là tốc độ không tải lý tưởng trên đặc tính cơ tự nhiên ω cb =Ua N /kψ N

Vùng điều khiển giảm từ thông: Khi điều chỉnh điện áp đạt giá trị định mức, ta

điều chỉnh giảm từ thông, từ giá trị định mức đến giá trị từ thông cực tiểu ψfN→ψfmin,tốc độ động cơ sẽ tăng từ giá trị tốc độ cơ bản đến giá trị cực đại Công suất truyềnđộng không đổi, mô men động cơ suy giảm tỉ lệ nghịch với tốc độ M~1/ω Đặc tínhđiều chỉnh được trình bày trên Hình 1.14

Hình 1.14: Đặc tính điều khiển hai vùng kế tiếp nhau

Bảng 1.1: Khái quát các phương pháp điều khiển động cơ một chiều

1.3 Hệ điều khiển truyền động động cơ một chiều

Bộ biến đổi máy điện gồm: Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máyđiện khuếch đại (MĐKĐ),

 Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu tiristo (CLT),

 Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito (BBĐXA)

Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như:

 Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ)

 Hệ truyền động chỉnh lưu tiristo - động cơ (T-Đ)

 Hệ truyền động xung áp- động cơ (XA-Đ)

1.3.1 Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ)

Hệ truyền động F-Đ là hệ truyền động có độ biến đổi điện là máy phát điện mộtchiều kích từ độc lập Máy phát này thường do động cơ sơ cấp không động bộ ba pha

ĐK quay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi

Để có thể hình dung hơn về hoạt động của máy phát động cơ về hệ truyền độnF-Đ

Hình 1.15: Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ)

Dựa theo sơ bên trên, động cơ chấp hành trên có thể làm việc ở chế độ điềuchỉnh cả hai phía: kích thích máy phát F và kích thích động cơ Đ, đảo chiều quay bằngcách đảo chiều dòng kích thích máy phát, hãm động năng khi dòng kích thích máyphát bằng 0, hãm tái sinh khi giảm tốc độ hoặc đảo chiều dòng kích từ, hãm ngược ởcuối giai đoạn hãm tái sinh khi đảo chiều hoặc khi làm việc với momen có tính chấtthế năng… Hệ F-Đ có đặc tính cơ điền đầy cả 4 góc phần tư của mặt phẳng

 Ở góc phần tư thứ I và thứ III, tốc độ quay và momen quay của động cơluôn cùng chiều nhau, sức điện động máy phát và động cơ có chiều xungđối với nhau công suất điện từ của máy phát và động cơ Suy ra nănglượng được vận chuyển từ nguồn tới máy phát tới động cơ và đến tải

 Vùng hãm tái sinh nằm ở góc phần tư thứ II và IV, lúc này với dòng điệnchảy ngược động cơ về máy phát làm cho momen quay ngược chiều vớitốc độ quay Công suất điện từ của máy phát, công suất điện từ và côngsuất cơ học của động cơ là: Pf = ErI < 0

1.3.2 Hệ truyền động xung áp- động cơ (XA-Đ)

Hình 1.16: Nguyên lý băm xung một chiều (BXMC)

Nguyên lý cơ bản của băm xung một chiều được mô tả trên hình 1.1 Giữanguồn một chiều E và tải Rt là van Tr làm việc như một khóa điện tử, hoạt động củaBXMC là cho van đóng cắt với quy luật:

 Trong khoảng thời gian 0 – t0 cho van dẫn (khoá Tr đóng mạch), điện áp

Ut sẽ cho giá trị bằng điện áp nguồn Ut = E

 Từ t0 đến T, van Tr không dẫn (mạch hở), tải bị ngắt khỏi nguồn Ut = 0.Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ nhận được là:

Biểu thức cho thấy có thể điều chỉnh điện áp ra tải bằng cách thay đổi tham số

γ Việc điều chỉnh điện áp ra bằng cách “băm” điện áp một chiều E thành các “xung”điện áp ở đầu ra nên thiết bị này có tên gọi là “ Băm xung một chiều - BXMC”

Trong đó:

 t0 là thời gian van Tr dẫn;

 γ là độ rộng xung điện áp chính là tham số điều chỉnh

 T là chu kỳ đóng cắt của van

Có hai phương pháp chính cho phép thay đổi tham số γ là :

 Thay đổi thời gian t1, còn giữ chu kỳ T không đổi, như vậy ta dùng cáchthay đổi độ rộng của xung điện áp ra tải trong quá trình điều khiển chỉnh,nên cách này được gọi là phương pháp điều chế độ rộng xung PWM

 Thay đổi chu kỳ T, giữ thời gian t1 không đổi Cách này ngược lại vớiphương pháp trên, độ rộng xung điện áp ra tải được giữ nguyên, mà chỉthay đổi tần số lặp lại của xung này, vì vậy được gọi là phương phápxung - tần Phương pháp này không thuận lợi khi phải điều chỉnh điện áptrong một dải rộng, vì tần số biến thiên nhiều sẽ làm thay đổi mạnh giátrị trở kháng khi mạch có chứa các điện cảm hoặc tụ điện nên khó tínhtoán thiết kế, nhất là các hệ thống điều chỉnh kín vì lúc đó mạch thuộc hệ

có tham số biến đổi

Ta thấy rằng khoá Tr chỉ làm việc đúng như một van bán dẫn, vì vậy băm xungmột chiều có nhiều ưu điểm :

 Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi là không đáng kể sovới các bộ biến đổi liên tục do tổn hao ở van bán dẫn là nhỏ

 Độ chính xác cao và ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường vì yếu tốđiều chỉnh là thời gian đóng khoá Tr mà không phải giá trị điện trở phần

tử điều chỉnh như những bộ điều chỉnh liên tục kinh điển

 Kích thước gọn và nhẹ

Tuy nhiên BXMC cũng có những nhược điểm là »

 Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính điều chỉnh

 Tần số đóng cắt lớn sẽ gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh

Các bộ băm xung một chiều được phân thành BXMC không đảo chiều vàBXMC có đảo chiều dòng tải

1.3.3 Hệ truyền động chỉnh lưu tiristo - động cơ (T-Đ)

Hệ T-Đ là hệ thống chỉnh lưu điều khiển – động cơ một chiều thực hiện điềukhiển động cơ theo nguyên lý thay đổi điện áp phần ứng

Khi ta dùng các bộ chỉnh lưu có điều khiển hay là các bộ chỉnh lưu dùngthyristor để làm bộ nguồn một chiều cung cấp cho phần ứng động cơ điện một chiềunhư các phần trước ta đã giới thiệu, ta có điện áp chỉnh lưu của hệ là :

( 1.1 3)

Vậy ta có phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của hệ chỉnh lưu T – Đkhông đảo chiều là :

( 1.1 4) ( 1.1 5) ( 1.1 6)

Trong đó:

ω0 =

E d 0 cosα

Kφ dm là tốc độ không tải lý tưởng, vì lúc đó ở vùng dòng điện gián

đoạn, hệ sẽ có thêm một lượng sụt áp nên đường đặc tính điều chỉnh đốc hơn, tốc độkhông tải lý tưởng thực ω0 sẽ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng giả tưởng ω’0 như hình(1.17)

Vậy khi thay đổi góc điều khiển α = 0 → π thì Ed0 thay đổi từ Ed0 đến -Ed0 và ta

sẽ được một họ đặc tính cơ song song với nhau nằm ở nữa bên phải của mặt phẳng toạ

độ [ω, I] hoặc [ω, M]

( 1.1 7)

Trong đó: E2m: Biên độ sức điện động thứ cấp máy biến áp chỉnh lưu.

Đường giới hạn tốc độ cực đại:

( 1.1 9)

Hình 1.17: a) Sơ đồ thay thế hệ T – Đ không đảo chiều.

Các bộ biến đổi bán dẫn công suất được sử dụng để tạo nên điện áp một

chiều U d thay đổi theo yêu cầu

 Bộ biến đổi: Hệ chỉnh lưu- động cơ một chiều

Trong chương tiếp theo, từ các thông số đề bài đã cho, em phân tích bộ biến đổiđiện tử công suất và tiến hành lựa chọn van mạch lực phù hợp.

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC

2.1 Lựa chọn phương án mạch động lực

Từ yêu cầu đề bài, Pđm =37kW > 5kW  ta sử dụng mạch chỉnh lưu ba pha

Uđm = 440V, khá cao nên ta nên chọn sơ đồ cầu ta sử dụng mạch chỉnh lưucầu 3 pha có điều khiển

2.2 Phân tích sơ đồ mạch động lực

2.2.1 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn

Chỉnh lưu là một họ mạch điện tử công suất vô cùng phổ biến trong đời sốngngày nay Với vai trò là biến đổi điện áp xoay chiều (thường là điện áp lưới) về dạngđiện áp một chiều (thường sử dụng trong các bảng mạch điện tử), mạch chỉnh lưu cómặt hầu hết trong các ứng dụng về điện và điện tử Cũng chính vì thế mà mạch chỉnhlưu được quan tâm nghiên cứu rất sâu và bài bản Hiện nay có rất nhiều kiểu mạchchỉnh lưu khác nhau được biết đến, mỗi dạng mạch lại có những ưu điểm và nhượcđiểm riêng nên được vận dụng linh hoạt cho các yêu cầu công nghệ khác nhau

Phần tử cơ bản nhất và quan trọng nhất để tạo nên mạch chỉnh lưu là van bándẫn Người ta thường sử dụng van diode cho mạch chỉnh lưu không điều khiển và vanThyristor cho mạch chỉnh lưu điều khiển Ở một số ứng dụng khác người ta sử dụngthêm một số loại van điều khiển hoàn toàn được kết hợp với 2 loại van trên để tạo nênnhững mạch chỉnh lưu nhiều chức năng hơn (mạch chỉnh lưu tích cực)

Chỉnh lưu được áp dụng nhiều nhất trong công nhiệp là dạng chỉnh lưu điềukhiển với van Thyristor Các mạch chỉnh lưu điều khiển/bán điều khiển cơ bản gồm 9

sơ đồ sau:

 Chỉnh lưu hình tia một pha

 Chỉnh lưu hình tia hai pha

 Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển

 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển

 Chỉnh lưu 6 pha cuộn kháng cân bằng

 Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển có thyristor đấu thẳng hàng

 Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển có thyristor đấu katot chung

 Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển có thyristor đấu katot chung.

Hình 2.18: Các dạng sơ đồ chỉnh lưu cơ bản (1) Sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa chu kỳ; (2) Sơ

đồ chỉnh lưu một pha hình tia; (3) Sơ đồ chỉnh lưu một pha cầu; (4) Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia; (5) Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha; (6) Sơ đồ chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân

Do có nhiều ưu điểm vượt trội như trên, chỉnh lưu cầu ba pha được sửdụng trong dải công suất rất rộng, từ nhỏ đến hàng nghìn kW