Đề tài xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều ba pha điều khiển động cơ xoay chiều ba pha 23

1.1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha Để điều khiển tốc độ động cơ ba pha người ta có thể sử dụng các phương pháp sau: Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ- KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN

_ _ _ _ ***_ _ _ _

UNETI

ĐỒ ÁN 1

TÊN ĐỀ TÀI:

Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều ba

pha điều khiển động cơ xoay chiều ba pha.

Người hướng dẫn môn học: Mai Văn Duy

Họ tên sinh viên: Nguyễn Minh Chiến

Lớp: Điện 14a1

Ngành đào tạo: Điện-Tự động hóa

Hà Nội – 2023

0

PHỤ LỤC

Phụ lục

L I NÓI ĐẦẦU Ờ 3

CH ƯƠ NG 1: T NG QUAN ĐỐỐI T Ổ ƯỢ NG NGHIÊN C U Ứ 4

1.1 Tổng quan động cơ xoay chiều ba pha 4

1.1.1 Tổng quan nguyên lý 4

1.1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha 6

1.2 Tổng quan động cơ xoay chiều ba pha 13

1.2.1 Giới thiệu về bộ điều áp xoay chiều ba pha 13

1.2.2 Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi 14

1.3 Đặt bài toán 18

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC 19

2.1 Tính toán, thiết kế mạch lực 19

2.1.1 Tính toán, thiếết kếế s đồồ m ch l c ơ ạ ự 23

2.1.2 Tính toán, l a ch n các phầồn t m ch l c ự ọ ử ạ ự 25

2.2 Mồ ph ng m ch l c ỏ ạ ự 28

2.2.1 Xầy d ng mồ hình mồ ph ng ự ỏ 28

2.2.2 Kết quả mô phỏng 28

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 29

3.1 Tính toán, thiếết kế m ch điếồu khi n ạ ể 29

3.1.1 Khầu đồồng b : ộ 31

3.1.2 Khầu t o đi n áp răng c a ạ ệ ư 33

3.1.3 Khầu so sánh 36

1

3.1.5 Khâu khuếch đại xung và khâu phân chia xung 39

3.1.6 Khầu dao đ ng tầồn sồế cao ộ 41

3.1.7 Khầu t o xung chùm ạ 42

3.1.8 Tính toán, l a ch n các phầồn t trong m ch điếồu khi n ự ọ ử ạ ể 42

3.2 Mô phỏng mạch điều khiển 44

3.2.1 Xây dựng sơ đồ mô phỏng 44

3.2.2 Kếết qu mồ ph ng ả ỏ 45

2

LỜI NÓI ĐẦU

Trong cuộc sống, điện có một vai trò rất quan trọng Việc đào tạo ra các kỹ sưngành điện có vai trò quan trọng không kém Ngày nay theo đà phát triển của xãhội mà điều kiện học tập của sinh viên nói chung và sinh viên ngành điện nóiriêng đã có nhiều cải thiện rất thuận lợi Ngành điện là một ngành có rất nhiềutriển vọng trong xã hội hiện tại cũng như trong tương lai Chính vì vậy em cùngrất nhiều bạn sinh viên khác đã chọn ngành điện là nghề nghiệp của mình saunày Sinh viên trường Đại học Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp Hà Nội là sinhviên của một trường kỹ thuật do vậy điều kiện thực hành và nghiên cứu là rấtquan trọng và cần thiết hơn cả Chính vì vậy trước khi tốt nghiệp sinh viênchúng em đã được nhà trường tạo điều kiện cho làm khóa luận để tích lũy thêmvốn kiến thức thực tế cũng như được áp dụng những kiến thức mình được học ở

nhà trường vào thực tế công việc Đề tài khóa luận của em là “Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi điều áp xoay chiều một pha điều khiển động cơ xoay chiều ba pha”.

Em xin chân thành cảm ơn!

3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan động cơ xoay chiều ba pha

1.1.1 Tổng quan nguyên lý

a Khái niệm động cơ xoay chiều ba pha

Động cơ 3 pha là máy điện không đồng bộ sử dụng dòng điện xoay chiều 3pha, chủ yếu sử dụng trong các ngành công nghiệp, dây chuyền sản xuất lớn(máy bơm li tâm trục đứng, trục ngang, )

Dòng điện 3 pha chạy qua nam châm điện đặt lệch trên một vòng tròn sẽ tạo

ra từ trường quay Các cuộn dây được bố trí tương tự như trong máy phát điện 3pha Song, trong động cơ điện, người ta đưa dòng điện từ ngoài vào các cuộndây 1, 2, 3

Khi motor điện xoay chiều 3 pha được đấu vào lưới điện 3 pha thì từ trườngquay được tạo ra sẽ làm rotor quay trên trục Chuyển động của rotor được trụcmáy truyền ra ngoài và được dùng để vận hành các máy công cụ hay cơ cấuchuyển động khác

b Cấu tạo động cơ điện xoay chiều ba pha

Cấu tạo của động cơ điện xoay chiều một pha gốm 2 bộ phận chính là :

- Phần stator: Bộ phận stator được ghép từ các tấm thép kỹ thuật điện

mỏng, bên trong có xẻ rãnh hoặc là khối thép đúc Hình dưới thể hiệncách mà các lá thép được gắn vào khung Chỉ có một số lá thép được hiểnthị ở đây, dây quấn đi qua các rãnh của stator

- Phần rotor: Đây là phần quay của động cơ được ghép từ nhiều thanh kim

loại tạo thành một cái lồng hình trụ Rotor được chia thành 2 loại: rotorlồng sóc (được tạo thành từ các thanh kim loại song song) và dây quấn

4

Hình 1.1: Cấu tạo động cơ điện ba pha

c Nguyên lý điều khiển động cơ xoay chiều ba pha

Nguyên lý hoạt động của động cơ điện xoay chiều 3 pha là: khi ta cho dòngđiện 3 pha có tần số f vào 3 dây quấn stator, chúng sẽ tạo ra từ trường quay cótốc độ là n1 = 60f/p Từ trường quay này sẽ cắt các thanh dẫn của dây quấnrotor và cảm ứng các sức điện động Dây quấn rotor được nối kín mạch Vì thế,sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện trong các thanh dẫn rotor Lực tácdụng tương hỗ của từ trường quay của máy và thanh dẫn mang dòng điện rotor,làm rotor quay với tốc độ n < n1 và cùng chiều với n1 Rotor n luôn có tốc độquay nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1 Nếu tốc độ của chúng bằng nhau, trongdây quấn rotor sẽ không còn sức điện động và dòng điện cảm ứng, lực điện từ làbằng 0

Hệ số trượt của tốc độ:

Tốc độ của động cơ: n= 60f/p.(1-s) (vòng/phút)

d Ứng dụng của động cơ điện xoay chiều ba pha

Trong cuộc sống, động cơ điện ba pha được ứng dụng nhiều ở: máy bơmnước 3 pha, máy phát điện xoay chiều 3 pha, motor giảm tốc, motor kéo.Ngoài ra, các ứng dụng khác trong lĩnh vực công nghiệp là: Máy bơm nước

3 pha: tác dụng của nó là cung cấp nước cho dây chuyền sản xuất.nước…

5

1.1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều ba pha

Để điều khiển tốc độ động cơ ba pha người ta có thể sử dụng các phương pháp sau:

Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ

Điều chỉnh điện trở roto động cơ không đồng bộ

Điều chỉnh công suất trượt

Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ không đồng bộ

a Điều chỉnh điện áp động cơ không đồng bộ

Kết quả phân tích trên cho thấy sự ảnh hưởng của điện áp stato U đến các1

thông số đầu ra của động cơ như dòng điện I1, I2, mômen, tốc độ và dạng đặctính cơ điều chỉnh Vì vậy từ các biểu thức ở trên về động cơ KĐB ta thấydòng điện động cơ phụ thuộc tỷ lệ với điện áp U , mômen tỉ lệ bình phương1

với U , còn độ trượt tới hạn không thay đổi khi điều chỉnh điện áp: 1

Dòng điện ngắn mạch: I U = Inm nm.U1

Mômen ngắn mạch (khởi động): M U = Mnm nm.U1 2

Mômen tới hạn: M U = Mth th.U1 2

Độ trượt tới hạn: S = const th

trong đó, U = U1 1/Uđm là giá trị tương đối của điện áp stato; I , M , M là nm nm th

các thông số tương ứng với các đặc tính tự nhiên của động cơ

Hình 1.2 Điều khiển động cơ không đồng bộ bằng điện áp stato

a) Sơ đồ nguyên lý

6

b) Họ đặc tính cơ khi R = 0 (động cơ rôto lồng sóc); 0

c) Họ đặc tính cơ khi R0 ≠ 0 (động cơ rôto dây quấn).

Như vậy, nếu sử dụng bộ nguồn có điện áp ra thay đổi U1 = var cung cấp chostato động cơ theo sơ đồ khái quát hình 1.2a ta sẽ điều chỉnh được dòng điện,mômen và tốc độ động cơ Dạng các đặc tính điều chỉnh được vẽ ở hình 1.2b,c.Tuy nhiên, việc ứng dụng phương pháp điều khiển này cho động cơ rôto lồngsóc mà động cơ rôto dây quấn có khác nhau:

- Đối với động cơ rôt lồng sóc:

Do độ trượt tới hạn nhỏ, nên phần tác dụng (đoạn công tác) trên các đặc tínhđiều chỉnh ngắn, hiệu quả điều chỉnh tốc độ không cao (hình 3.18b), vì vậyphương pháp này thường được ứng dụng để điều chỉnh mômen và dòng điệnkhởi động

- Đối với động cơ roto dây quấn:

Người ta thường đưa thêm bộ điện trở cố định R0 vào ba pha của rôto(như hình 1.2a) để tăng tốc độ trượt giới hạn cao nhất sẽ là đường đặc tính nhưtrên hình 1.2c ứng với Uđm và có R0 Các đặc tính giảm áp khác (U11, U12)đều được kéo dài đoạn đặc tính công tác, nhờ đó mở rộng được vùng điều chỉnh(cả tốc độ và mômen tải) Nhờ đó phương pháp này còn có thể ứng dụng đểđiều chỉnh tốc độ

Mômen tải cho phép Mt.cp của động cơ khi điều chỉnh tốc độ được xácđịnh theo định nghĩa của nó, bằng cách chọn I2 = I2đm khi đó ta có:

( Với A= là hằng số), nghĩa là M tỉ lệ với đọ trượt Đặc tính M = f(s) cũngt.cp t.cp

chính là M = f(w) được vẽ trên hình 1.3 và là đường cong phù hợp với tảit.cp

quạt gió hoặc các tải có Mc là hàm tăng tốc độ

7

Hình 1.3 Đặc tính mômen tải cho phép M = f(ω) của phương pháp điều khiển t.cp

ĐC KĐB điện áp U và phạm vi điều chỉnh tốc độ khi tải quạt gió 1

Nếu sử dụng phương pháp này cho động cơ kéo các máy có Mc là hàm tăng củatốc độ thì dải điều chỉnh được mở rộng đáng kể Hình 1.3 minh họa cho điều đó:với đặc tính cơ của máy sản xuất dạng quạt gió Mc(ω) như trên hình vẽ, khithay đổi điện áp stato từ U1min đến Uđm, ta sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ

từ min đến ω ωmax

b Điều chỉnh điện trở roto động cơ không đồng bộ

Có thể nêu một nhận xét tổng quát rằng: phương pháp điều khiển động cơkhông đồng bộ rôto dây quấn bằng điện trở phụ mạch rôto hoàn toàn tươngđồng với phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập bằngđiện trở phụ mạch phần ứng cả về dạng sơ đồ nối dây, họ đặc tính, các chỉ tiêuchất lượng và ứng dụng

Tốc độ không tải lý tưởng: ω = trong đó R = R0 2t 2+Rf điện trở trong mạch roto

Hình 1.4 Điềều khi n đ ng c không đôềng b roto dây quâấn bằềng đi n tr ph ể ộ ơ ộ ệ ở ụ

trong m ch roto; a) S đôề nguyền lý; b) H đ c tnh c ạ ơ ọ ặ ơ

Nếu truyến tính hóa đoạn đặc tính công tác trong phạm vi phụ tải từ

0 ÷ Mc= Mđm, ta có biểu thức gần đúng:

M = s

Trong đó, sc độ trượt tại M = M và cũng chính là độ sụt tốc tương đối c đm △c*

trên đường đặc tính đang xét với Mc = Mđm

8

Lúc đó, đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ khi Rf = var hoàn toàntrùng hợp với họ đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khiđiều chỉnh Rfư, với độ cứng của đặc tính cơ nhân tạo:

R = hoặc R* = = Khi tăng điện trở phụ R , độ cứng đặc tinh cơ f R giảm, do đó điều chỉnhđược tốc độ làm việc và momen ngắn mạch của động cơ

Để tăng chất lượng điều chỉnh, người ta sử dụng một loại biến trở xung vàmột loại biến trở tự động có thể điều khiển nhờ khóa đóng cắt bằng điện tử Tuynhiên sơ đồ gốc như trên hình 1.4 vẫn được ứng dụng để điều khiển các động cơrôto dây quấn

c Điều chỉnh công suất trượt

Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ của động cơ KĐB ba pha bằng cách làm mềm đặc tính và để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt ΔP = s.P được tiêu tán trên điện trở mạch rôto.s đt

Ở các hệ thống TĐĐ điện tử công suất lớn, tổn hao này là đáng kể Vì thế

để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động, vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ điều chỉnh công suất trượt, gọi tắt là các sơ đồ nối tầng Có nhiều phương pháp xây dựng hệ nối tầng, dưới đây trình bày phương pháp nối tầng điện dùng thyristor như hình 1.4a) Theo cách tính tổn thất khi điều chỉnh thì:

ΔPs = Mc(ω1- ω) = Mc.ω1.s = Pđt.s

s = ΔPs/Pđt Giản đồ năng lượng khi bỏ qua tổn hao ở rotor được biểu diễn trên hình 3.22b) trong đó Pbđ là công suất được trả về lưới điện, ΔPbđ là tổn hao trong mạch biến đỏi công suất trượt thành công suất điện có cùng tần số và điện áp lưới

9

Hình 1.5 Hệ thống nối tầng van a) Sơ đồ nguyên lý b) Giản đồ năng lượng c) Đồ thị dòng và áp khi f r = f s3

d) Đặc tính hệ điều chỉnh công suất trượt

Sức điện động rôto được chỉnh lưu thành điện áp một chiều qua điệnu r

kháng lọc L cấp cho nghịch lưu phụ thuộc NL Điện áp xoay chiều của nghịchlưu (u , u , u ) có biên độ và tần số không đổi đo được xác định bởi điện áp vàA B C

tần số của lưới điện Nghịch lưu làm việc với góc điều khiển α thay đỏi từ 90°đến khoảng 140° , phần còn lại dành cho góc chuyển mạch μ và góc hồi phụctính chất khoá δ của van bán dẫn

10

Độ lớn dòng điện rôtor phụ thuộc hoàn toàn vào mômen tải của động cơ màkhông phụ thuộc vào góc điều khiển nghịch lưu Cụm mạch chỉnh lưu - nghịchlưu phụ thuộc chỉ làm thay đổi được góc ta của dòng điện ở phía xoay chiều củanghịch lưu khi điều chỉnh góc mở α Qúa trình dòng điện và điện áp của bộ biếnđổi được mô tả trên hình 1.5 c) cho trường hợp độ trượt s = 1/3 Giá trị trungbình của điện áp chỉnh lưu và nghịch lưu là như nhau và ta có U = U = U dr dn d

Sai lệch về giá trị tức thời giữa điện áp chỉnh lưu và nghịch lưu chính làđiện áp trên điện kháng lọc L

Để đơn giản trong cách viết, giả thiết bỏ qua điện trở và diện kháng tản của mạch stator và coi động cơ có số vòng dây stator và rôto là như nhau, thì góc trị trung bình của điện áp chỉnh lưu khi Id = 0 là:

Ud = U1m

trong đó, U biên độ điện áp lưới; ω0 tốc độ không tải lý tưởng; ω1 tốc độ từ lm

trường quay stator

Khi tải Id khác 0 thì điện áp này giảm xuống do sụt áp chuyển mạch giữa các van trong cầu chỉnh lưu và sụt áp do điện trở dây quấn rôto

trong đó, là tần số trượt của rôto, dòng điện chỉnh lưu trung bình sẽ là hàm số của tôc độ quay:

Độ trượt s gọi là độ trượt cơ bản của hệ thống khi không tải, độ trượt là do tải 0

Từ đó ta có thể dựng đặc tính cơ của hệ nối tầng van cho từng góc điềukhiển α của nghịch lưu, như trên hình 1.5 d) Do đó điện cảm lọc L trong mạchmột chiều có giá trị hữu hạn nên dòng điện một chiều i có thể bị gián đoạn khid

mômen tải nhỏ, đường đặc tính cơ ở đoạn này có độ dốc lớn mặt khác do sụt ápgây ra bởi điện trở stato, điện trở mạch một chiều, điện trở và điện kháng tảncủa máy biến áp cũng như sụt áp do chuyển mạch của nghịch lưu và chỉnh lưunên các đặc tính cơ điều chỉnh có độ cứng và mômen tới hạn của đặc tính cơ tựnhiên

d Điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ không đồng bộ

Phương pháp điều chỉnh (điều khiển) tần số đã đưa lại cho động cơ KĐB cókhả năng điều chỉnh các thông số đầu ra vượt trội, đạt đến mức độ tương đươngnhư động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điều khiển bằng điện áp phầnứng, nhờ đó các hệ TĐĐ không đồng bộ có điều khiển tần số đã được ứng dụngrộng rãi

Phương pháp này cho phép điều chỉnh cả mômen và tốc độ với chất lượngcao Sơ đồ khái quát hệ (hình 1.6) bao gồm bộ nguồn BT có khả năng điềuchỉnh tần số và điện áp hoặc dòng điện, cấp cho stato của động cơ Đ và mộtkhối điều khiển ĐK dùng để xử lý các tín hiệu điều khiển hệ thống

Hình 1.6 Sơ đồ khái quát hệ BT – Đ

Hệ biến tần - Động cơ không đồng bộ BT - Đ có được sự hoàn thiện về lýthuyếtnhư thực tiễn như ngày nay một phần lớn là nhờ sự phát triển mạnh của kỹ thuâtđiện tử công suất và kỹ thuật tính toán Nhờ đó người ta tạo ra được các bộnguồn tùy ý và điện áp ra U1 hoặc dòng điện ra I1 thay đổi theo các quy luậtyêu cầu Khối điều khiển ĐK có khả năng tính toán, chuyển đổi từ hệ phươngtrình khác để xử lý tín hiệu đặt Uđ và các tín hiệu phản hồi Uph1, Uph2,… thànhhai tín hiệu cơ bản để điều khiển tần số (Uđf) và điều khiển duy trì từ thôngđộng cơ (U ) Sơ đồ khái quát hình 1.6 cũng cho ta thấy đa phần hệ BT - Đ làd

12

hệ tự động vòng kín, chỉ một số ít có luật điều khiển đơn giản đặt trước là hệđiều khiển vòng hở

Tốc độ của động cơ KĐB có giá trị bằng n = n (1 - s) = (60f/ p) (1 - s) Khi hệ1

số trượt có sự thay đổi ít thì tốc độ sẽ tỷ lệ thuận cùng với tần số Mặt khác, từbiểu thức E1=4.44f W K1 1 dq Ø , do đó, ta nhận thấy max lại tỷ lệ thuận với E /max 1

f1

Nếu mong muốn giữ cho giá trị Ømax= const thì bạn cần phải điều chỉnh đồngthời, cả E/f Điều này có nghĩa là động cơ phải sử dụng một nguồn điện đặcbiệt, đó chính là các bộ biến tần, máy nén khí dùng trong công nghiệp

Do sự phát triển mạnh mẽ như vũ bão của kĩ thuật vi điện tử và điện tử côngsuất nên các bộ biến tần cũng đã ra đời Chúng đã mở ra một triển vọng vô cùnglớn trong lĩnh vực điều khiển động cơ điện xoay chiều bằng phương pháp thayđổi tần số Sử dụng biến tần để giúp điều khiển động cơ theo các quy luật khácnhau (quy luật U/ f, điều khiển véc tơ ) đã tạo ra những hệ điều khiển tốc độđộng cơ với nhiều tính năng vượt trội

1.2 Tổng quan động cơ xoay chiều ba pha

1.2.1 Giới thiệu về bộ điều áp xoay chiều ba pha

Các bộ biến đổi điện áp xoay chiều dùng để biến đổi điện áp hiệu dụng đặtlên tải Nguyên lý của bộ biến đổi này là dùng các phần tử van bán dẫn nối tảivới nguồn trong một khoảng thời gian t1 rồi lại cắt đi trong một khoảng thờigian t0 theo một chu kỳ lặp lại T Bằng cách thay đổi độ rộng của t1 hay t0trong khoảng T ta thay đổi được giá trị điện áp trung bình ra trên tải Nguyên lýnày có ưu điểm là điều chỉnh điện áp ra trong một phạm vi rộng và vô cấp, hiệusuất cao vì tổn thất trên các phân tử điện tử công suất rất nhỏ Điều áp xoaychiều thường được sử dụng trong điều khiển chiếu sáng, đốt nóng, trong khởiđộng mềm và điều chỉnh tốc độ quạt gió hoặc máy bơm

Phân loại: Dựa vào số pha nguồn cấp mà ta có các bộ điều chỉnh điện áp khácnhau là Điều áp xoay chiều một pha, Điều áp xoay chiều ba pha

13

1.2.2 Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi.

Hình 1.7: Các dạng sơ đồ BBĐ xoay chiều – xoay chiều

Các BBĐ điện áp xoay chiều-xoay chiều 3 pha tuỳ thuộc vào phụ tải vàdụng cụ sử dụng mà có một số dạng khác nhau như trên các sơ đồ hình 1.7 Sơ

đồ hình 1.7a và hình 1.7b là sơ đồ dùng 3 cặp tiristor mắc song song ngược códây trung tính và không có dây trung tính (cũng có thể nối phụ tải dạng tamgiác) Hình 1.7c và d là các sơ đồ dùng triac có và không có dây trung tính

14

e

T 4 (S1)

D1

O C B

A

T1

ZC ZB

(S1) T2

C B A

T1

ZC ZB ZA

(S3) T3

g

B1 A1

C1 B1

A

T 3

ZA

c

C B A

T 3 T2 T 1

ZC ZB ZAd

T2

O C

B A

T1

ZC ZB

ZA

( S2 )

) T6 T4 T5

(S1)

T2

C B

A

T1

ZC ZB

ZA

( S2 )

) T6 T4 T5

Hình 1.7e,g là một số sơ đồ BBĐ không đối xứng, các sơ đồ này chỉ dùng đểđiều chỉnh điện áp cung cấp cho các phụ tải vừa có thể dụng nguồn xoay chiềuđồng thời cũng có sử dụng nguồn cung cấp một chiều (ví dụ tải điện trở).Nguyên lý hoạt động của sơ đồ BBĐ 3 pha xoay chiều-xoay chiều có dâytrung tính hoàn toàn giống như nguyên lý hoạt động của 3 BBĐ xoay chiều-xoay chiều một pha làm việc độc lập với phụ tải từng pha Còn nguyên lý hoạtđộng của sơ đồ không có trung tính hoặc trường hợp phụ tải nối dạng tam giácthì có phức tạp hơn

Cũng như BBĐ xoay chiều-một chiều, trong BBĐ xoay chiều-xoay chiều tacũng sử dụng các van bán dẫn có điều khiển Vì vậy để cho BBĐ có thể làmviệc theo yêu cầu thì cũng phải sử dụng mạch phát tín hiệu điều khiển cho cácvan Dù là sơ đồ dùng 2 thyristor mắc song song ngược hay sơ đồ dùng triac thìtrong một chu kỳ nguồn ta cũng phải tạo ra hai tín hiệu điều khiển lệch nhaumột góc độ điện là 180 tương tự như tín hiệu điều khiển các van trong sơ đồ0

chỉnh lưu hình tia 2 pha Do vậy về lý thuyết thì có thể sử dụng tất cả các mạchphát xung điều cho bộ chỉnh lưu hình tia 2 pha để phát xung điều khiển choBBĐ xoay chiều-xoay chiều một pha,và mạch điều khiển cho sơ đồ chỉnh lưucầu 3 pha có thể dùng để phát xung điều khiển cho BBĐ xoay chiều-xoay chiều

3 pha.Tuy nhiên cũng cần lưu ý:

Đối với sơ đồ chỉnh lưu thì sự đối xứng của xung điều khiển các van cũngquan trọng nhưng không yêu cầu khắt khe lắm Nhưng đối với BBĐ xoay chiều-xoay chiều thì xung điều khiển các van, đặc biệt là của hai van song song ngượctrong cùng một pha nhất là khi phụ tải của BBĐ là thiết bị chỉ làm việc được vớinguồn cung cấp xoay chiều, ví dụ như các động cơ điện xoay chiều hoặc cácmáy biến áp, , đòi hỏi có độ đối xứng rất cao Đó là vì khi góc điều khiển của 2van trong cùng một pha không hoàn toàn giống nhau thì trong đường cong điện

áp trên tải sẽ xuất hiện thành phần một chiều Mặt khác tổng trở phụ tải đối vớithành phần điện áp một chiều là rất nhỏ do vậy thành phần dòng một chiều quatải sẽ rất lớn Điều đó ảnh hưởng đến sự làm việc của phụ tải và BBĐ, tăng tổnthất phụ và khi sự không đối xứng của tín hiệu điều khiển vượt quá một giá trịnhất định nào đó (phụ thuộc trường hợp cụ thể) thì BBĐ sẽ không làm việcđược nữa

Như vậy ta có thể ứng dụng các sơ đồ hệ thống điều khiển BBĐ xoay một chiều để phát xung điều khiển cho BBĐ xoay chiều-xoay chiều, chỉ cần lưu

chiều-ý đến vấn đề đối xứng của xung điều khiển các van, do vậy ở đây ta sẽ khôngxét các mạch điều khiển loại đó nữa Trong một số trường hợp khi không đòihỏi chất lượng cao của tín hiệu điều khiển và phạm vi điều khiển không yêu cầu

15

rộng thì ta có thể sử dụng các mạch điều khiển đơn giản để giảm giá thành vàkích thước BBĐ.

Các mạch phát xung điều khiển đơn giản

a) Mạch điều khiển dùng điot- biến trở D-R

Ta xét một sơ đồ bộ biến đổi điện áp pha một pha có mạch điều khiển dùngđiôt-biến trở.Trong sơ đồ thì T1,T2 là 2 thyristor động lực, mạch điều khiểncác van của BBĐ gồm các điôt D , D , D , D , các diện trở R1 2 3 4 1,R2 và biến trởWR

* Nguyên lý hoạt động

Từ đặc tính V-A của thiristor ta thấy rằng: Khi giữa anôt và katôt của thiristorđang được đặt một điện áp thuận nào đó, nếu ta đặt vào điện cực điều khiển vàkatôt của nó một điện áp điều khiển có giá trị từ một trị số nhất định nào đó trởlên thì tiristor sẽ chuyển từ khoá sang mở Giá trị điện áp điều khiển nhỏ nhất cóthể làm mở tiristor khi có một trị số điện áp thuận được gọi là điện áp điềukhiển yêu cầu đối với trị số điện áp thuận đó và ta ký hiệu là uđkTyc Vậy khi trênvan có một điện áp thuận nào đó thì nếu có điện áp điều khiển uđk  uđkTyc đối trị

số điện áp thuận đó thì van sẽ mở, còn nếu có điện áp điều khiển nhưng u <đk

uđkTyc thì van không mở Điện áp thuận trên van thay đổi thì giá trị uđkTyc cũngthay đổi theo: Điện áp thuận trên van tăng thì giá trị điện áp điều khiển yêu cầugiảm,nếu điện áp thuận trên van có dạng nửa hình sin Để đơn giản cho việc xétnguyên lý làm việc của sơ đồ ta tạm giả thiết là điện áp điều khiển yêu cầukhông phụ thuộc vào trị số điện áp thuận trên van Giả thiết như vậy tuy khôngphù hợp với thực tế nhưng không ảnh hưởng đến nguyên lý làm việc của sơ đồnên có thể chấp nhận được trong trường hợp này Ta chọn mốc xét t=0 là thờiđiểm u =0 và bắt đầu chuyển sang dương, giả thiết tải thuần trở Vậy tại ng t=0thì dòng tải cũng bằng không, lúc đó van T vừa khoá và T bắt đầu có điện áp2 1

thuận, nếu T chưa mở thì qua D1 2-WR-R -R1 t (đã giả thiết Zt=Rt) sẽ có một dòngđiện do nguồn cung cấp tạo nên và dòng điện này gây nên trên R một sụt điện1

áp mà điện áp này sẽ được đưa qua D đến điện cực điều khiển của T Vậy nếu1 1

bỏ qua sụt áp trên D mở thì ta có u1 đkT1=uR1 Ta có:

Từ đồ thị ta thấy khi > t 0: u   đkT1 < uđkTyc và T1 chưa mở, tại  t= thì

uđkT1= uđkTyc, van T1 bắt đầu mở và sẽ dẫn dòng cho đến t= Tại t= thì ung=0

và bắt đầu đổi dấu nênT khoá lại ,van T bắt đầu được đặt điện áp thuận,nếu T1 2 2

chưa mở thì lúc này qua tải (Rt)-D -WR-R4 2 sẽ có dòng điện do nguồn cung cấptạo nên Sụt điện áp trên R bởi dòng điện này sẽ được truyền qua D đến điện2 3

cực điều khiển T và nếu bỏ qua điện áp trên D mở thì :2 3

16

Vì vậy mà trong khoảng +>t thì uđkT2< uđkTyc nên T vẫn chưa2

mở,cho đến t=+ thì uđkT2= uđkTyc và T2 bắt đầu mở và dẫn dòng cho đến

t=2 Trong các chu kỳ tiếp theo sơ đồ làm việc tương tự Cả 2 van trong sơ

đồ đều mở với một giá trị góc điều khiển là như nhau Từ nguyên lý hoạtđộng đã nêu ta thấy rằng có thể thay đổi góc điều khiển bằng cách thay đổibiên độ của điện áp tính theo biểu thức: ung.R /(R1 1+WR) Để thực hiện người tathường thay đổi giá trị biến trở WR Với mạch điều khiển này thì góc điều khiểntối đa max=/2 Như vậy mạch điều khiển nay không dùng được cho trườnghợp BBĐ làm việc với phụ tải thuần cảm (ngay cả những trường hợp điện cảmlớn thì cũng không nên sử dụng vì lúc đó phạm vi thay đổi của góc điều khiển

 rất hẹp

b) Mạch điều khiển D-R-C

Trong sơ đồ này người ta thay vào vị trí 2 điện trở R và R của sơ đồ trước 1 2

bằng hai tụ C1,C2 Từ đồ thị ta thấy rằng nhờ sử dụng các tụ mà góc điều khiển cực đại có thể đạt giá trị tương đối lớn

c) Mạch điều khiển biến trở- điot cho BBD 3 pha không đối xứng

Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển trên hình 1.8 (phần nét mảnh) cũng gần tương tự với mạch điều khiển biến trở-điôt của BBĐ một pha đã xét Chỉ khác là BBĐ trong sơ đồ này chỉ có 3 thyristor nên kết cấu mạch gọn hơn Chú

ý là sơ đồ BBĐ này chỉ dùng cho phụ tải dạng điện trở thuần, không được dùng

để cung cấp cho động cơ hoặc máy biến áp

17

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC 2.1 Tính toán, thiết kế mạch lực

Hình 2.1 Các dạng sơ đồ BBĐ xoay chiều – xoay chiều

a- Giới thiệu mạch lực:

19

e

T4 (S1)

D1

O C B

A

T1

ZC ZB

ZA

(S2)

T2

(S3) D3 D2 T3

(S1) T2

C B A

T1

ZC ZB ZA

(S3) T3

g

B1 A1

C1 B1

A

T3 T2

T1

ZC ZB ZA

c

C B A

T 3 T2 T1

ZC ZB ZA d

a

(S1) T2

O C

B A

T1

ZC ZB

A

T1

ZC ZB

ZA

( S2)

- Các bộ điều áp xoay chiều (ĐAXC) dùng để đóng ngắt hay thay đổi điện ápxoay chiều ra tải từ một nguồn xoay chiều cố định, trong đó tần số điện áp rabằng tần số điện áp nguồn.

- ĐAXC dùng valve bán dẫn có đầy đủ ưu điểm của những mạch công suất sửdụng kỹ thuật bán dẫn như: dễ điều chỉnh và tự động hóa, làm việc ổn định,phản ứng nhanh với các đột biến điều khiển, độ tin cậy và tuổi thọ cao, kíchthước gọn và dễ thay thế, thích hợp vớ quá trình hiện đại hóa, tập trung hóa cácquá trình công nghệ…

- Nhược điểm chung và cơ bản nhất của ĐAXC là điện áp ra tải không sintrong toàn dải điều chỉnh, điều chỉnh càng sâu – càng giảm điện áp ra thì độméo càng lớn, tức là thành phần sóng hài bậc cao cũng càng lớn Nhưng vìphạm vi của đề án này là khởi động động cơ, thời gian khởi động chỉ trongkhoảng 3 ÷ 30s và tải là động cơ bơm nên ta có thể chấp nhận được phương ánnày

- Do tải yêu cầu là dòng điện xoay chiều nên valve bán dẫn ở đây có thể dùnglà:

• TRIAC, đây là valve bán dẫn duy nhất cho phép dòng điện chảy theo cảhai chiều Tuy nhiên loại valve này thường có công suất nhỏ và giá thànhtương đối cao

• Ghép hai valve chỉ cho phép dẫn một chiều bằng cách đấu song songngược nhau, lúc đó mỗi valve đảm nhận một chiều của dòng tải Bằng cáchnày có thể ghép hai thyristor với nhau hay một thyristor với một diode.Trong đề án này, ta chọn theo phương pháp là ghép 6 thyristor theo kiểusong song ngược và đây cũng là phương pháp thông dụng nhất hiện nay

- Nguyên tắc điều chỉnh của ĐAXC là điều chỉnh góc mở của valve bán dẫn.Các valve làm việc với điện áp xoay chiều nên được khóa tự nhiên bằng điện ápnguồn và cũng chịu ảnh hưởng của lưới điện đến valve, kiểu điều khiển valve làdịch pha điểm phát xung so với pha nguồn xoay chiều, tức là sử dụng mạch điềukhiển xung - pha

b- Hoạt động của mạch:

- Mạch hoạt động theo quy luật chung:

• Trường hợp 3 valve dẫn: Mỗi pha có 1 valve dẫn => U = Utải nguồn

20

• Trường hợp 2 valve dẫn: Có 2 pha có valve dẫn và 1 pha không valve nàodẫn => điện áp pha tải = ½ điện áp dây nguồn và có 1 pha không có điệnáp.

• Trường hợp không có valve dẫn: Toàn bộ tải bị ngắt khỏi nguồn (U = 0).tải

- Các trường hợp dẫn của valve phụ thuộc vào góc điều khiển α Gồm 3 vùngđiều khiển:

• 0 o < α < 60 o :

Giản đồ chỉnh lưu điều áp 3 pha với

- Trong vùng này có hai trạng thái kế tiếp nhau đó là 3 van dẫn → 2 van dẫn Giai đoạn 3 van dẫn dài 60 ÷ α, giai o

đoạn 2 valve dẫn bằng chính α

- Góc dẫn của van λ = (180 – α), van ngắt khi điện áp pha o

nguồn = 0

- Giá trị hiệu dụng của dòng điện áp ra tải:

Hình 2.1: Giản đồ chỉnh lưu điều áp xoay chiều 3 pha

• 60 < α < 90 o o :

21

Giản đồ chỉnh lưu điều áp xoay chiều 3 pha với

- Vùng điều khiển này luôn chỉ có 2 valve dẫn và không phụ thuộc vào gócđiều khiển α

- Valve trong cùng nhóm (chẳn hoặc lẽ) thay nhau dẫn, valve sau mở thì valvetrước mới khóa lại Lúc đó góc dẫn của valve λ = 120 o

- Điện áp ra tải không còn đoạn bằng điện áp nguồn mà chỉ có thể = ½ điện

áp dây

Hình 2.2: Giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải

• 90 < α <150 o o :

Giản đồ chỉnh lưu điều áp xoay chiều 3 pha với

- Trong vùng điều khiển này có 2 trạng thái thay thế nhau là

2 van dẫn và không van nào dẫn

- - Van không dẫn liên tục mà dẫn thành 2 giai đoạn xen giữa một khoản nghỉ

22