TÓM TẮTTên đề tài: Thiết kế bộ băm điện áp để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập Cấu trúc nội dung báo cáo: Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độ
Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Khái niệm
- Máy điện quay sử dụng điện một chiều, là thiết bị biến đổi điện năng thành cơ năng.
- Làm việc ở chế động cơ khi E < U, lúc đó dòng điện ngược chiều với E
- Dùng phổ biến trong công nghiệp, ngành giao thông vận tải và những nơi có yêu cầu điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng
Để đạt được trạng thái làm việc với các thông số yêu cầu như tốc độ, mô-men xoắn và dòng điện động cơ, cần thiết phải tạo ra những đặc tính cơ học nhân tạo cho động cơ tương ứng.
- Thường biết trước đặc tính cơ của máy sản xuất
- Mỗi động cơ có một đặc tính cơ tự nhiên xác định bởi các thông số định mức và được sử dụng như loạt số liệu cho trước
- Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện có thể viết theo dạng thuận hay dạng ngược
Cấu tạo động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều gồm 2 phần: phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor).
- Phần tĩnh (stator) được trình bày ở hình 1.1:
Hình 1.1 Cấu tạo stator động cơ điện một chiều
Cực từ chính: Làm nhiệm vụ tạo ra từ trường chính
Lõi thép cực từ và dây quấn kích từ là hai thành phần chính trong cấu tạo của máy điện Lõi thép được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện dày 1mm, được ép và tán chặt để đảm bảo độ bền Trong các máy điện nhỏ, lõi có thể được làm bằng thép khối Cực từ được cố định vào vỏ máy bằng bulông, trong khi dây quấn kích từ được quấn từ dây đồng cách điện Mỗi cuộn dây được bọc cách điện và tẩm sơn cách điện trước khi được lắp đặt trên các cực từ, với các cuộn dây này được nối tiếp với nhau để tạo ra hiệu ứng từ trường cần thiết.
Cực từ phụ: Đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều.
Lõi thép của cực từ phụ thường được chế tạo từ thép khối và trên thân của nó có dây quấn tương tự như dây quấn của cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ bằng các bulông.
Gông từ: Dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.
Máy điện nhỏ và vừa thường được chế tạo từ thép tấm dày qua quá trình uốn và hàn, trong khi máy điện lớn thường sử dụng thép đúc Đối với một số máy điện nhỏ, gang cũng có thể được sử dụng làm vỏ máy.
Các bộ phận khác gồm có:
Nắp máy có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ thiết bị khỏi các vật thể bên ngoài, giúp ngăn ngừa hư hỏng dây quấn và đảm bảo an toàn cho người sử dụng khỏi điện Đối với máy điện nhỏ và vừa, nắp máy còn đóng vai trò là giá đỡ ổ bi, thường được chế tạo từ vật liệu gang để tăng cường độ bền và hiệu quả sử dụng.
Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài
Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp.
Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định chặt lại.
- Phần quay (rotor) được trình bày ở hình 1.2:
Hình 1.2 Cấu tạo rotor động cơ điện một chiều
Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ
Tấm thép kỹ thuật điện thường có độ dày từ 0,35 đến 0,5 mm, được phủ lớp cách điện mỏng ở cả hai mặt để giảm thiểu tổn thất do dòng điện xoáy Các lá thép này được dập hình dạng rãnh, giúp việc đặt dây quấn vào sau khi ép chặt trở nên dễ dàng hơn.
Dây quấn phần ứng: Sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua.
Dây quấn phần ứng thường được làm từ dây đồng bọc cách điện, với dây có tiết diện tròn thường được sử dụng cho máy điện nhỏ (công suất dưới vài kW) Đối với máy điện vừa và lớn, dây có tiết diện hình chữ nhật là lựa chọn phổ biến Việc cách điện cho dây quấn được thực hiện cẩn thận để bảo vệ rãnh của lõi thép.
Cổ góp: Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.
Thường được làm bởi nhiều phiến đồng mỏng được cách điện với nhau bằng những tấm mica dày 0,4 đến 1,2mm.
Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy.
Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt.
Nguyên lý làm việc
Khi ta cho dòng điện một chiều đi vào chổi than thì do dòng điện chỉ đi vào thanh dẫn dưới cực
Dưới tác dụng của từ trường, các thanh dẫn N và S sẽ tạo ra một moment quay không đổi, khiến máy hoạt động Chiều của lực điện từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái.
Bộ phận chỉnh lưu (chổi than cổ góp) có chức năng đảo chiều dòng điện sau mỗi nửa vòng quay Điều này dẫn đến việc dòng điện ở bên trái cuộn dây luôn đi ra phía sau, trong khi dòng điện ở bên phải cuộn dây luôn đi ra phía trước, tạo ra một moment lực đồng nhất hướng về một chiều quay.
Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều
Khi động cơ hoạt động, các dây dẫn phần ứng di chuyển trong từ trường của phần cảm, dẫn đến sự xuất hiện suất điện động cảm ứng Suất điện động này tạo ra dòng cảm ứng ngược chiều với dòng điện cung cấp cho phần ứng, và do đó được gọi là sức phản điện.
Dòng điện trong cuộn dây phần ứng tạo ra từ trường riêng, ảnh hưởng đến từ trường của cuộn dây phần cảm, gây ra phản ứng phần ứng, nguyên nhân gây tia lửa điện giữa chổi than và cổ góp Để hạn chế phản ứng này, người ta sử dụng cực từ phụ xen giữa các cực từ chính và mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng Đối với động cơ công suất trung bình và lớn, khe hở không khí giữa stato và roto được tăng lên, và thêm các rãnh ở cực từ chính thông qua cuộn bù, cũng mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng Động cơ điện một chiều có 2 cực từ chính gọi là 1 cặp cực (p = 1), trong khi động cơ có 2 cặp cực (p = 2) được thể hiện trong hình 1.3a.
Đặc điểm
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập sử dụng cuộn kích từ khởi động từ được cấp điện từ một nguồn riêng biệt, khác với nguồn điện cấp cho cuộn ứng Trong khi đó, động cơ kích từ song song có cả cuộn kích từ và cuộn ứng được cấp điện từ cùng một nguồn Khi nguồn điện có công suất lớn hơn nhiều so với công suất cơ, đặc tính của động cơ sẽ tương tự như động cơ kích từ độc lập Đặc điểm nổi bật của động cơ kích từ độc lập là dòng điện kích từ và từ thông động cơ không phụ thuộc vào dòng điện phần ứng, với sơ đồ nối dây cho thấy nguồn điện mạch kích từ tách biệt so với nguồn điện mạch phần ứng.
Khi nguồn điện một chiều có công suất rất lớn và điện trở trong gần như bằng không, điện áp nguồn sẽ ổn định và không phụ thuộc vào dòng điện trong phần ứng của động cơ Do đó, động cơ kích từ song song có thể xem như động cơ kích từ độc lập, dẫn đến việc hai loại động cơ này có thể coi là tương đương.
Hình 1.4 a) Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập, b) Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song
Phương trình cân bằng điện áp:
Trong đó: : Điện áp phần ứng (V)
: Điện trở phần ứng động cơ ( )Bao gồm:
: Điện trở cuộn dây phần ứng;
: Điện trở cực từ phụ;
: Điện trở cuộn bù (nếu có);
: Điện trở tiếp xúc của chổi than trên cổ góp rcf; : Điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω);
: Dòng điện mạch phần ứng (A);
: Sức điện đồng phần ứng động cơ (V) Được xác định theo công thức:
Trong đó: hệ số cấu tạo của động cơ.
Với: p: Số đôi cực từ chính;
N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng; a: Số mạch nhánh đấu song song của cuộn dây phần ứng;
: Từ thông kích từ dưới một cực từ (Wb).
- Phương trình đặc tính cơ:
Momen điện từ của động cơ tỷ lệ với từ thông Ф và dòng điện phần ứng :
- Phương trình đặc tính cơ điện:
Từ phương trình chính, công thức tính sức điện động và mối quan hệ giữa momen điện từ với dòng điện phần ứng Iư, ta có thể xây dựng phương trình đặc tính cơ điện.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ ω và momen M.
Nếu dùng đơn vị tốc độ là vòng/phút thì phương trình đặc tính cơ sẽ trở thành:
- Tốc độ góc định mức:
- Tốc độ góc định mức
Đường đặc tính cơ và đặc tính cơ điện
Dựa trên các phương trình đặc tính cơ-điện và đặc tính cơ, với giả thuyết phần ứng được bù đủ và f = const, có thể xây dựng các đặc tính cơ-điện và đặc tính cơ dưới dạng các đường thẳng, như thể hiện trong hình 1.5.
Đường đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập cho thấy mối quan hệ giữa điện áp, dòng điện và tốc độ, trong khi đường đặc tính cơ của động cơ này thể hiện mối quan hệ giữa mô-men xoắn và tốc độ.
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
Điều chỉnh điện trở phần ứng bằng cách mắc điện trở phụ
Hình 1.6 Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở mạch phần ứng
Trong trường hợp này, tốc độ không tải lý tưởng:
Độ cứng đặc tính cơ:
Độ cứng của đặc tính cơ tự nhiên β tn là lớn nhất, vượt trội hơn so với các đường đặc tính có điện trở phụ Khi mắc nối tiếp điện trở R f vào phần ứng, nếu giá trị R f tăng lên, độ dốc của đường đặc tính, số vòng quay và tốc độ động cơ sẽ giảm.
Phạm vi điều chỉnh của hệ thống này hẹp và phụ thuộc vào tải, với khả năng điều chỉnh rộng hơn khi tải lớn Tuy nhiên, nó không hoạt động hiệu quả ở gần tốc độ không tải và có tổn hao lớn trong quá trình điều chỉnh Do đó, thường chỉ được sử dụng để điều chỉnh tốc độ trong các chế độ làm việc lâu dài.
Thay đổi từ thông
Thay đổi dòng kích từ để thay đổi từ thông như hình 1.7:
Hình 1.7 Đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông
Tốc độ không tải lý tưởng: Độ cứng đặc tính cơ:
Khi từ thông thay đổi:
- Dòng điện ngắn mạch không đổi:
- Mô men ngắn mạch thay đổi:
Khi giảm từ thông, tốc độ động cơ sẽ tăng lên, nhưng độ cứng của đặc tính cơ sẽ giảm Nếu tiếp tục giảm dòng kích từ đến giới hạn, tốc độ sẽ không còn tăng nữa Phương pháp điều chỉnh từ thông theo chiều tăng từ tốc độ định mức cho phép một phạm vi điều chỉnh rộng với tổn hao điều chỉnh nhỏ, tuy nhiên không thể điều chỉnh dưới tốc độ định mức Phương pháp này thường được áp dụng kết hợp với các phương pháp khác để tăng cường phạm vi điều chỉnh.
Thay đổi điện áp phần ứng
Để điều chỉnh điện áp của động cơ một chiều, cần một nguồn điện riêng có thể điều chỉnh được Các thiết bị như máy phát điện một chiều, bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ thường được sử dụng để chuyển đổi dòng xoay chiều từ lưới điện thành dòng một chiều Những bộ nguồn này có công suất hữu hạn và giúp điều chỉnh giá trị sức điện động theo yêu cầu của động cơ.
Hình 1.8 Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng
- Ở chế độ xác lập, có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:
Hình 1.9 Quá trình thay đổi tốc độ khi điều chỉnh điện áp
Khi giảm tốc độ bằng cách giảm điện áp phần ứng, việc giảm mạnh điện áp có thể dẫn đến hãm tái sinh Ví dụ, khi động cơ hoạt động tại điểm A với tốc độ lớn ωA, nếu giảm điện áp phần ứng từ một giá trị cao xuống thấp, động cơ sẽ chuyển từ điểm A sang điểm E trên đường 3 mà vẫn giữ ωA=ωE Do ωE lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính cơ 3, động cơ sẽ hoạt động ở trạng thái hãm tái sinh trong đoạn EC của đặc tính 3.
Khi thay đổi phần ứng theo chiều giảm điện áp, từ thông của động cơ được giữ không đổi, dẫn đến độ cứng đặc tính cơ cũng không thay đổi Tốc độ không tải lý tưởng sẽ thay đổi tùy thuộc vào giá trị điện áp phần ứng, tạo ra họ đặc tính mới thấp hơn so với đặc tính cơ tự nhiên, khiến vùng điều khiển tốc độ nằm dưới tốc độ định mức Tốc độ nhỏ nhất trong dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và moment khởi động, với moment tải ở mức định mức sẽ xác định các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ.
Để đáp ứng yêu cầu quá tải, đặc tính tối thiểu của dải điều chỉnh cần có moment ngắn mạch Hệ số quá tải về moment đóng vai trò quan trọng, và do đặc tính cơ là các đường thẳng song song, ta có thể diễn đạt độ cứng của đặc tính cơ theo định nghĩa phù hợp.
Hình 1.10 Đặc tính cơ quá trình thay đổi điện áp
Với một cơ cấu máy cụ thể, các giá trị là xác định, dẫn đến việc phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào độ cứng Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng thiết bị nguồn điều chỉnh, điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ, từ đó cho phép tính toán sơ bộ.
Tải có đặc tính moment không đổi giới hạn phạm vi điều chỉnh tốc độ tối đa là 10 Đối với các máy yêu cầu dải điều chỉnh cao và độ chính xác trong việc duy trì tốc độ làm việc, hệ thống hở như vậy không đáp ứng được yêu cầu.
Trong hệ truyền động một chiều kích từ độc lập, đặc tính cơ tĩnh có thể coi là tuyến tính trong phạm vi phụ tải cho phép Khi điều chỉnh điện áp phần ứng, độ cứng cơ học giữ nguyên trên toàn dải, dẫn đến độ sụt tốc tương đối đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất Nếu tại đặc tính cơ thấp nhất mà sai số tốc độ không vượt quá giới hạn cho phép, thì hệ truyền động sẽ duy trì sai số nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh.
Để đảm bảo sai số không vượt quá giá trị cho phép, cần tính toán giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ Trong nhiều trường hợp, việc xây dựng các hệ truyền động điện kiểu vòng kín là cần thiết để thực hiện điều này.
Trong quá trình điều chỉnh tốc độ và mô-men, năng lượng bị tổn hao chủ yếu nằm trong mạch phần ứng, khi bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ thống Tổn hao này có thể được hình dung trong hình chữ nhật được giới hạn bởi các đường thẳng và các trục tọa độ.
- Nếu đặt thì hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ sẽ là:
Khi làm việc ở chế độ xác lập, moment do động cơ sinh ra sẽ bằng với moment tải trên trục, tức là M ¿ = M c ¿ Gần đúng, ta có thể coi đặc tính cơ của phụ tải là M c ¿ = (ω ¿) x.
LÝ THUYẾT CHỈNH LƯU CẦU BA PHA VÀ BỘ BĂM ÁP MỘT CHIỀU 27 2.1 Tổng quan về chỉnh lưu
Chỉnh lưu cầu ba pha
2.2.1 Chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển
2.2.1.1 Sơ đồ và dạng sóng
Hình 2.1 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển
Hình 2.2 Dạng sóng của sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển
- Khi : Điện áp pha a cao nhất, pha b thấp nhất D1, D6 mở (D6, D1).
- Khi : Điện áp pha a cao nhất, pha b thấp nhất D1, D2 mở (D1, D2).
- Khi : Điện áp pha b cao nhất, pha c thấp nhất D3, D2 mở (D2, D3).
- Khi : Điện áp pha b cao nhất, pha a thấp nhất D3, D4 mở (D3, D4).
- Khi : Điện áp pha c cao nhất, pha a thấp nhất D4, D5 mở (D4, D5).
- Khi : Điện áp pha c cao nhất, pha b thấp nhất D5, D6 mở (D5, D6). Điện áp ra trung bình là:
2.2.1.3 Thông số của sơ đồ
- Điện áp trung bình trên tải:
- Dòng điện trung bình qua tải:
- Mỗi diode dẫn điện trong chu kỳ của điện áp nguồn Giá trị trung bình dòng điện qua diode:
- Số lần đập mạch trong một chu kì:
2.2.2 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng
Chỉnh lưu cầu ba pha sử dụng hai sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha mắc ngược chiều nhau, trong đó ba Thyristor T1, T3, T5 tạo thành nhóm anod cho điện áp dương (+), trong khi T2, T4, T6 tạo thành nhóm cathod cho điện áp âm (-) Hai chỉnh lưu này kết hợp lại để hình thành cầu ba pha.
Hình 2.3 Sơ đồ động lực chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển đối xứng
Hoạt động của chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển đối xứng:
Hình 2.4 Giản đồ các đường cong cơ bản chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng và điện áp tải khi góc mở
Dòng điện chạy qua tải là dòng điện di chuyển giữa các pha, yêu cầu mở thyristor bằng cách cấp hai xung điều khiển đồng thời cho nhóm anod và catod Ví dụ, tại thời điểm t1, cần cấp xung X1 cho Thyristor T1 ở pha A và xung X4 cho Thyristor T4 ở pha B Thứ tự cấp xung cần tuân thủ đúng theo thứ tự pha để dòng điện chạy từ pha có điện áp cao hơn sang pha có điện áp thấp hơn Trong khoảng thời gian t1 ÷ t2, pha A có điện áp cao hơn, cho phép dòng điện chạy từ A về B Khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn, các van trong nhóm này sẽ đổi chỗ với nhau Điều này diễn ra từ t1 ÷ t3, với Thyristor T1 dẫn trong khoảng t1 ÷ t2 và T6 dẫn trong khoảng t2 ÷ t3 Điện áp ngược mà các van phải chịu trong chỉnh lưu cầu ba pha là 0 khi van dẫn và bằng điện áp dây khi van khóa Ví dụ, van T1 có điện áp bằng 0 trong khoảng t1 ÷ t3, sau đó chịu điện áp ngược khi T3 dẫn từ t3 ÷ t5 và T5 dẫn từ t5 ÷ t7.
Khi điện áp tải liên tục, đường cong trên hình trị số điện áp tải được tính theo công thức
Khi góc mở các Thyristor nhỏ và điện cảm của tải thấp, điện áp tải sẽ bị gián đoạn, thể hiện qua các đường nét đậm Trong tình huống này, dòng điện di chuyển giữa các pha do các van bán dẫn được phân cực thuận theo điện áp dây Tuy nhiên, khi điện áp dây đổi dấu, các van bán dẫn sẽ tự khóa do bị phân cực ngược.
Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng gặp khó khăn do cần mở hai van theo thứ tự pha, làm phức tạp quá trình chế tạo, vận hành và sửa chữa Để đơn giản hóa, người ta thường áp dụng phương pháp điều khiển không đối xứng.
Trị dòng điện trung bình qua tải:
2.2.3 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng
Sóng điện áp tải được thể hiện qua đường cong nét đậm thứ hai, liên quan đến các van bán dẫn T1, T2, T3, D1, D2, D3 Các Thyristor sẽ dẫn thông từ khi nhận xung mở cho đến khi Thyristor của pha kế tiếp được kích hoạt Chẳng hạn, Thyristor T1 sẽ hoạt động từ thời điểm t1 (khi nhận xung mở) đến t3 (khi xung mở T2 được phát) Trong trường hợp điện áp tải gián đoạn, Thyristor dẫn thông từ khi có xung mở cho đến khi điện áp dây thay đổi dấu Các diode sẽ tự động dẫn thông khi điện áp được đặt lên chúng theo chiều thuận.
Ví dụ D1 phân cực thuận trong khoảng t4 ÷ t5 và từ pha C về pha A trong khoảng t5 ÷ t6.
Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng cho phép duy trì dòng điện và điện áp tải liên tục khi góc mở của các van bán dẫn ở mức thấp Tuy nhiên, khi góc mở tăng lên và thành phần điện cảm của tải giảm, dòng điện và điện áp sẽ trở nên gián đoạn.
Khi góc mở đạt tới một giá trị nhất định, điện áp trung bình trên tải sẽ bằng 0 theo dạng sóng điện áp tải Điều này cho thấy rằng điện áp trung bình trên tải có thể được xem là kết quả của tổng hai điện áp chỉnh lưu trong hệ thống ba pha.
Việc kích mở các van điều khiển trong chỉnh lưu cầu ba pha dễ hơn, nhưng các điều hòa bậc cao của tải và của nguồn lớn hơn.
So với chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng, sơ đồ này cho phép điều khiển các van bán dẫn một cách đơn giản hơn Mạch điều khiển của bộ chỉnh lưu này có thể được xem như là điều khiển một chỉnh lưu tia ba pha.
Chỉnh lưu cầu ba pha hiện nay được coi là sơ đồ có chất lượng điện áp tối ưu nhất và hiệu suất sử dụng biến áp cao nhất, đồng thời cũng là sơ đồ phức tạp nhất trong các hệ thống điện Điện áp trung bình trên tải trong sơ đồ này mang lại hiệu quả hoạt động vượt trội.
Trị dòng điện trung bình qua tải:
Hình 2.5 Giản đồ các đường cong cơ bản chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng
Kết luận
Khi điều khiển động cơ DC kích từ độc lập, sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển là một lựa chọn hiệu quả Lợi ích của phương pháp này bao gồm khả năng cung cấp dòng điện ổn định, giảm thiểu tổn thất năng lượng và cải thiện hiệu suất hoạt động của động cơ.
Chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển đạt hiệu suất cao nhờ vào việc sử dụng các diode có điện trở thấp và khả năng dẫn dòng tốt, giúp giảm thiểu tổn thất điện năng.
Độ ổn định của điện áp DC được cải thiện nhờ vào dòng điện AC đầu vào ba pha, với sự kết hợp của ba tín hiệu pha lệch nhau, giúp giảm đáng kể gợn sóng của điện áp DC đầu ra.
- Khả năng cung cấp dòng tải cao: Chỉnh lưu ba pha có khả năng cung cấp dòng tải lớn hơn.
Chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển có thiết kế đơn giản và chi phí thấp, vì cấu trúc của nó không yêu cầu các mạch điều khiển phức tạp như các loại chỉnh lưu điều khiển khác.
Chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển có độ tin cậy cao nhờ vào việc không sử dụng các bộ phận điều khiển phức tạp và chuyển đổi tần số cao, điều này giúp tăng tuổi thọ của thiết bị.
Việc giảm đáng kể gợn sóng điện áp DC đầu ra đã làm giảm yêu cầu về các bộ lọc để làm mịn điện áp DC, từ đó giúp đơn giản hóa thiết kế mạch và giảm chi phí tổng thể.
Chọn chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển để tạo ra dòng điện một chiều mang lại nhiều lợi ích, bao gồm việc nâng cao hiệu suất và độ tin cậy cho hệ thống điều khiển.
Tổng quan về bộ băm áp một chiều
Băm áp một chiều là quá trình chuyển đổi điện áp một chiều thành các xung điện áp, cho phép điều chỉnh độ rộng của các xung này Qua đó, người dùng có thể điều chỉnh trị số trung bình của điện áp tải một cách hiệu quả.
Các bộ băm áp một chiều có thể được cấu hình theo hai sơ đồ chính: sơ đồ mạch nối tiếp, trong đó phần tử đóng cắt được mắc nối tiếp với tải, và sơ đồ mạch song song, nơi phần tử đóng cắt được kết nối song song với tải.
Có 3 loại bộ băm áp một chiều:
- Băm áp một chiều nối tiếp;
- Băm áp một chiều song song;
- Băm áp nối tiếp và song song phối hợp.
Băm áp một chiều nối tiếp
2.5.1 Nguyên lý băm áp một chiều nối tiếp
Sơ đồ nguyên lý băm áp một chiều nối tiếp, như hình 2.6a, cho thấy phần tử chuyển mạch tạo ra các xung điện áp nối tiếp với tải Điện áp một chiều được điều chỉnh thông qua việc kiểm soát thời gian đóng khoá K trong chu kỳ đóng cắt Khi khoá K đóng, điện áp tải bằng điện áp nguồn, và khi khoá K mở, điện áp tải giảm xuống còn 0, như minh họa trong hình 2.6b.
Hình 2.6 Băm áp một chiều (a) Sơ đồ nguyên lý; b) Đường cong điện áp)
Trị số trung bình điện áp tải được tính:
: Điện áp tải một chiều;
: Điện áp nguồn cấp một chiều;
: Khoảng thời gian đóng khoá K;
: Chu kì đóng cắt khoá K;
: Độ rộng xung điện áp.
Để điều khiển xung điện áp tải, cần điều chỉnh độ rộng xung điện áp thông qua hai phương pháp: điều chỉnh thời gian đóng khoá K trong khi giữ chu kỳ đóng cắt không đổi, hoặc điều chỉnh chu kỳ đóng cắt trong khi giữ thời gian đóng khoá K không đổi Tuy nhiên, việc thay đổi chu kỳ đóng cắt K thường dẫn đến giảm chất lượng điều khiển, do đó phương pháp này ít được sử dụng Điều này có thể được minh hoạ qua hoạt động của bộ băm áp với tải điện cảm.
2.5.2 Nguyên lý điều khiển bộ băm áp một chiều
Mạch điều khiển băm áp một chiều xác định thời điểm mở và đóng van bán dẫn trong chu kỳ chuyển mạch cố định Điện áp tải trong quá trình điều khiển được tính toán chính xác.
: Thời gian dẫn, khoá van bán dẫn, chu kì đóng cắt;
: Điện áp nguồn một chiều.
Mạch điều khiển phải thực hiện các lệnh theo một nguyên tắc nhất định để đáp ứng yêu cầu điều khiển Để duy trì chu kỳ đóng cắt không đổi, cần điều chỉnh thời gian dẫn của van bán dẫn trong chu kỳ đó.
Nguyên lý điều khiển thời gian dẫn của các van bán dẫn trong băm áp một chiều có thể thực hiện như sau.
Để tạo ra điện áp dạng răng cưa với tần số f cao, sử dụng điện áp một chiều làm điện áp điều khiển để so sánh với điện áp tựa Khi điện áp tựa bằng điện áp điều khiển, sẽ phát lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn Lệnh mở van được phát tại các sườn lên của điện áp tựa, trong khi lệnh khoá được phát tại sườn xuống Độ rộng xung điện áp tải sẽ được điều chỉnh thông qua điện áp điều khiển, tăng điện áp điều khiển sẽ làm giảm điện áp ra và ngược lại.
2.5.3 Hoạt động của sơ đồ với tải điện cảm
Khi tải điện cảm, để xả năng lượng của cuộn dây điện cảm người ta thường mắc song song với tải một diode xả năng lượng như hình 2.7.
Hình 2.7 Băm áp một chiều với tải điện cảm (a) Sơ đồ mạch; b) Các đường cong)
Dòng điện chạy qua tải được xác định bằng phương trình vi phân:
Giải phương trình vi phân, ta có nghiệm:
: Dòng điện ban đầu của chu kì đang xét (mở hay đóng khoá K);
: Dòng điện xác lập của chu kì đang xét.
Khi khoá K đóng ; Khi khoá K mở
: Hằng số thời gian điện từ của mạch.
Dạng đường cong dòng điện vẽ theo biểu thức biến thiên có dạng như trên hình 2.7b. Độ nhấp nhô của dòng điện tải được tính:
Biên độ dao động dòng điện chịu ảnh hưởng bởi bốn yếu tố chính: điện áp nguồn cấp, độ rộng xung điện áp, điện cảm tải và chu kỳ chuyển mạch của khóa K Trong đó, điện áp nguồn cấp và độ rộng xung điện áp được điều chỉnh theo yêu cầu điều khiển điện áp tải, còn điện cảm tải là thông số đặc trưng của tải Để nâng cao chất lượng dòng điện tải và giảm thiểu dao động, cần tác động vào các yếu tố này một cách hợp lý.
Chu kỳ chuyển mạch nhỏ hơn (hay tần số chuyển mạch lớn hơn) dẫn đến biên độ đập mạch dòng điện nhỏ hơn, từ đó nâng cao chất lượng dòng điện một chiều Vì vậy, bộ điều khiển thường được thiết kế với tần số cao, lên tới hàng chục kHz.
Băm áp một chiều song song
Trong trường hợp tải có nguồn năng lượng như động cơ điện một chiều hoạt động ở chế độ máy phát, việc xả năng lượng của tải là cần thiết và thường được trả về nguồn lưới Để điều khiển dòng điện tải một cách hiệu quả, việc mắc song song với tải một khoá chuyển mạch là hợp lý.
Trong khoảng khoá K đóng khoá (cần thiết để tránh ngắn mạch nguồn)
Trong khoảng khoá K mở dẫn
Giá trị trung bình của điện áp tải một chiều:
Hình 2.8 Sơ đồ mạch băm áp một chiều song song (a) Sơ đồ động lực; b) Các đường cong)
Giá trị trung bình của dòng điện tải trả về nguồn:
Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua khoá K:
Giá trị trung bình của dòng điện tải:
Qua các biểu thức trên thấy rằng muốn điều chỉnh dòng điện tải cần điều chỉnh độ rộng xung đóng khoá K.
Băm áp nối tiếp và song song phối hợp
Khi tải làm việc ở chế độ nhận năng lượng từ lưới bằng băm áp nối tiếp và trả năng lượng về lưới bằng băm áp song song, có thể sử dụng sơ đồ phối hợp giữa băm áp nối tiếp và song song Trong quá trình này, cần chú ý rằng hai khoá chuyển mạch không được cùng đóng một lúc để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc điều khiển năng lượng.
Hình 2.9 Sơ đồ băm áp nối tiếp, song song phối hợp
Kết luận
Khi điều khiển động cơ DC kích từ độc lập, sử dụng bộ băm áp một chiều nối tiếp là một lựa chọn hiệu quả Bộ băm áp này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ, đồng thời cải thiện khả năng điều khiển tốc độ và mô-men xoắn Việc áp dụng công nghệ này không chỉ nâng cao độ tin cậy mà còn giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, mang lại lợi ích kinh tế cho hệ thống.
Bộ băm áp một chiều nối tiếp mang lại tính linh hoạt trong việc xử lý vật liệu không đồng nhất, cho phép điều chỉnh dễ dàng để phù hợp với kích thước và tính chất khác nhau mà không cần phải ngừng hoặc khởi động lại Điều này tối ưu hóa quy trình nghiền cho các loại vật liệu có đặc điểm không đồng đều.
Bộ băm một chiều nối tiếp mang lại hiệu suất cao hơn nhờ khả năng xử lý vật liệu liên tục theo một hướng, giúp giảm thời gian dừng máy và tăng tỷ lệ sản xuất.
Bộ băm áp một chiều nối tiếp là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu điều chỉnh thường xuyên, nhờ vào tính linh hoạt và khả năng thích ứng cao, giúp đáp ứng hiệu quả các yêu cầu của quá trình sản xuất và thị trường.
Với những lợi ích vượt trội, bộ băm áp một chiều nối tiếp là sự lựa chọn tối ưu cho việc điều khiển động cơ DC kích từ độc lập.
Dưới đề tài “Thiết kế bộ băm áp điện áp để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập”, chúng tôi áp dụng mạch băm xung áp một chiều nhằm điều chỉnh tốc độ của động cơ.
Mạch băm xung áp cần nguồn một chiều, được lấy từ nguồn điện xoay chiều ba pha Để chuyển đổi sang nguồn một chiều, ta sử dụng mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng Để đảm bảo chất lượng điện áp sau bộ chỉnh lưu, cần có thêm bộ lọc Để đạt giá trị mong muốn của nguồn một chiều, cần sử dụng máy biến áp ba pha khi lấy nguồn từ lưới điện xoay chiều.
Sơ đồ khối của hệ thống:
THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐỘNG LỰC
Thiết kế bộ băm áp một chiều nối tiếp với van động lực là Transistor
Ưu điểm của transistor là có thể làm việc ở tần số cao và dễ điều khiển, nên chọn transistor làm van động lực cho bộ băm một chiều.
- Phân loại van động lực bộ băm một chiều:
Van động lực là transistor lưỡng cực:
Van động lực là transistor trường:
Van động lực là transistor IGBT:
Ba loại transistor hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự nhau, tuy nhiên chúng khác biệt ở các yếu tố như tổn hao công suất, tần số làm việc và công suất điều khiển.
Khi ta thay đổi (độ rộng xung điện áp ) thì có thể điều chỉnh được ra tải
Hình 3.1 Sơ đồ mạch động lực
3.1.1 Quá trình diễn biến dòng áp trong mạch
3.1.2 Tính toán mạch băm áp một chiều nối tiếp với van động lực là Transistor: 3.1.2.1 Thông số động cơ:
- (Từ thông trên một cực từ)
3.1.2.2 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Ta chọn điều chỉnh tốc độ , do đó ta có:
Dựa vào phương trình đặc tính cơ:
Dòng điện trung bình tải:
Dòng trung bình qua Transistor: Áp ngược max đặt lên Transistor:
- Chọn Transistor theo các thông số trên.
Chọn Transistor loại MG150J2YS1 của hãng Toshiba có các thông số:
Để đảm bảo tính an toàn và hiệu suất của hệ thống, chúng ta chọn hệ số bảo vệ kbv=1,4 Dựa trên hệ số này, ta có thể xác định giá trị điện áp và dòng điện bảo vệ tương ứng.
Dựa vào Ubv và Ibv vừa tính, ta chọn Schneider Electric Compact NSX160F có các thông số sau:
- Dòng cắt ngắn mạch: 36kA
3.1.2.5 Tính chọn diode xả năng lượng
Dòng trung bình qua : Áp ngược max đặt lên :
- Chọn Diode theo các thông số trên.
Điện áp ngược cực đại của van: ;
Dòng điện trung bình qua diode cực đại: ;
Dòng điện thử cực đại: ;
Sụt áp khi diode dẫn bão hoà: ;
Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép:
Tính chọn Diode cho bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển
Khi chọn van bán dẫn cho chỉnh lưu, hai thông số cơ bản cần chú ý là điện áp và dòng điện Các thông số khác chỉ mang tính tham khảo trong quá trình lựa chọn.
Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải, điều kiện tỏa nhiệt, điện áp làm việc, các thông số cơ bản của van được tính:
- Điện áp ngược của van:
: điện áp nguồn xoay chiều của van;
: điện áp tải của van; là hệ số điện áp ngược; là hệ số điện áp tải
- Điện áp ngược của van cần chọn:
Trong đó: là hệ số dự trữ điện áp (thường chọn lớn hơn 1,6).
- Dòng điện hiệu dụng làm việc của van:
Trong đó: là hệ số dòng hiệu dụng cầu ba pha;
: dòng điện hiệu dụng của van và dòng điện tải
Khi chọn điều kiện làm việc cho van có cánh tỏa nhiệt, cần đảm bảo diện tích tỏa nhiệt đủ lớn và không có quạt đối lưu không khí Đồng thời, cần xem xét dòng điện định mức của van để lựa chọn phù hợp.
- Dòng điện định mức của van cần chọn:
Trong đó: là hệ số dự trữ dòng điện.
- Chọn Diode có thông số:
Điện áp ngược cực đại của van:
Dòng điện định mức của van:
Dòng điện thử cực đại:
Sụt áp lớn nhất của Diode ở trạng thái dẫn:
Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép:
Tính chọn máy biến áp ba pha
Trong phần này ta sẽ thực hiện tính toán các thông số sau cho máy biến áp:
- Tính toán kích thước mạch từ;
- Tính toán dây quấn, số vòng và kích thước dây;
- Tính chọn kích thước cửa sổ;
- Tính chọn kết cấu dây quấn;
- Tính tổng sụt áp bên trong máy biến áp.
3.3.1 Tính các thông số cơ bản
- Công suất biểu kiến của máy biến áp:
Trong đó: là hệ số công suất mạch động lực
- Điện áp pha sơ cấp máy biến áp:
- Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp:
Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:
Trong đó: là sụt áp trên Diode; là sụt áp trên dây nối; là sụt áp trên điện trở và điện kháng của máy biến áp.
Từ phương trình cân bằng điện áp ta có:
Điện áp pha thứ cấp máy biến áp:
Trong đó: là hệ số điện áp của sơ đồ.
- Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp:
- Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp:
3.3.2 Tính sơ bộ mạch từ
- Tiết diện bộ trụ của lõi thép máy biến áp:
: Công suất biểu kiến của máy biến áp (W);
: Hệ số làm mát của máy biến áp khô;
: Số trụ của máy biến áp ba pha;
: Tần số nguồn điện xoay chiều
Chuẩn hoá đường kính trụ theo tiêu chuẩn:
Chọn loại thép kỹ thuật điện, các lá thép có độ dày 0,5mm.
Chọn tỷ số (thông thường , chọn ).
- Số vòng dây của mỗi dây quấn:
W: Số vòng dây của dây quấn cần tính;
U: Điện áp của dây quấn cần tính;
B: Từ cảm (thường chọn trong khoảng 1,0 1,8T);
- Chọn và (Tesla), ta có thể tính gần tính số vòng dây:
- Số vòng dây sơ cấp máy biến áp:
- Số vòng dây thứ cấp máy biến áp:
I: Dòng điện chạy qua cuộn dây (A);
J: Mật độ dòng điện trong máy biến áp (thường chọn trong khoảng
- Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp:
- Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn:
- Kích thước dây có kể cách điện:
- Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp:
- Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp:
- Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn:
- Kích thước dây có kể cách điện:
- Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp:
3.3.4 Kết cấu dây quấn sơ cấp
Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trụ
- Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp:
: Chọn sơ bộ khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp.
- Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp: lớp
Như vậy có 254 vòng chia thành 9 lớp, chọn 8 lớp đầu có 28 vòng, lớp thứ 9 có:
- Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp:
- Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày:
- Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp:
- Đường kính trong của ống cách điện:
- Đường kính trong của cuộn sơ cấp:
- Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp:
- Bề dày cuộn sơ cấp:
- Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp:
- Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp:
- Chiều dài dây quấn sơ cấp:
- Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp:
3.3.5 Kết cấu dây quấn thứ cấp
- Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp:
- Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp:
- Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp: lớp
Như vậy có 68 vòng chia thành 3 lớp, chọn 2 lớp đầu có 22 vòng, lớp thứ 3 có:
- Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp:
- Đường kính trong của cuộn sơ cấp:
- Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp:
- Bề dày cuộn sơ cấp:
- Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp:
- Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp:
- Chiều dài dây quấn sơ cấp:
- Đường kính trung bình các cuộn dây:
- Chọn khoảng cách giữa hai cuộn thứ cấp:
3.3.6 Tính kích thước mạch từ
- Với đường kính trụ ta có số bậc là 6 trong nửa tiết diện trụ.
Hình 3.2 Các bậc thang ghép thành trụ
- Chọn chiều dày các bậc từ bậc 1 tới bậc 5 trong nửa tiết diện trụ với các thông số độ dày lần lượt là:
- Chọn chiều dài các bậc từ bậc 1 tới bậc 5 với các thông số độ dài lần lượt là:
- Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ:
- Tiết diện hiệu quả của trụ:
- Tổng chiều dày các bậc thang của trụ:
- Số lá thép dùng trong các bậc:
Bậc 5: lá; Để đơn giản trong chế tạo, chọn gông có tiết diện hình chữ nhật có các kích thước sau: Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ:
Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ:
- Tiết diện hiệu quả của gông:
- Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ:
- Mật độ tự cảm trong gông:
- Tính khoảng cách giữa hai tâm trục:
- Chiều rộng của mạch từ:
3.3.7 Khối lượng của sắt và đồng
3.3.8 Tính các thông số máy biến áp
- Điện trở trong của cuộn dây sơ cấp máy biến áp ở :
- Điện trở cuộn thứ cấp máy biến áp ở :
- Điện trở máy biến áp quy đổi về thứ cấp:
- Sụt áp trên điện trở máy biến áp:
- Điện kháng máy biến áp quy đổi về thứ cấp:
- Điện cảm máy biến áp quy đổi về thứ cấp:
- Sụt áp trên điện kháng máy biến áp:
- Sụt áp trên máy biến áp:
- Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp:
- Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp:
- Tổn hao không tải có kể đến 15% tổn hao phụ:
- Điện áp ngắn mạch tác dụng:
- Điện áp ngắn mạch phản kháng:
- Điện áp ngắn mạch phần trăm:
- Dòng điện ngắn mạch xác lập:
- Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại:
- Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu:
3.3.9 Tính toán kích thước cửa sổ
Hình 3.3 Kết cấu lõi thép máy biến áp.
- Diện tích cửa sổ do cuộn sơ cấp chiếm chỗ:
- Diện tích cửa sổ do cuộn thứ cấp chiếm chỗ:
- Diện tích cửa sổ cần thiết:
: Diện tích cửa sổ phần do cuộn sơ cấp và thứ cấp chiếm chỗ ( );
: Số vòng dây cuộn sơ cấp và thứ cấp;
: Tiết diện dây quấn sơ, thứ cấp kể cả cách điện ( );
: Hệ số lấp đầy (thường chọnn ). Đối với lõi thép hình III thì ta chọn ; ;
- Chiều rộng toàn bộ mạch từ:
Trong đó: khi sử dụng máy biến áp ba pha.
Trong đó: khi sử dụng máy biến áp ba pha.
THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐIỀU KHIỂN .60 4.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển
Tính toán thông số mạch điều khiển
Các khuếch đại thuật toán chọn loại TL084 Nguồn cấp cho TL084 chọn nguồn đối xứng
Chọn tần số điện áp tựa
Chọn thông số mạch tạo điện áp tam giác:
- Trị số chọn từ biểu thức:
Điện áp đầu ra của IC có trị số đỉnh tương đương với điện áp bão hoà, và với nguồn cấp 12V, điện áp bão hoà của IC khoảng 10,5V.
- Khuếch đại thuật toán có nhiệm vụ kéo đường đặc tính lên trên trục hoành.
- Để nâng được đường điện áp tam giác lên trên trục hoành, khi đầu ra của có trị số 10,5V.
Bộ ghép quang 4N35 có các thông số kỹ thuật nổi bật, bao gồm dòng vào tối đa 60mA qua diode, dòng ra trên collector của transistor quang tối đa 150mA, điện áp hoạt động của transistor là 30V và điện áp cách ly lên đến 3350V.
Trong đó: Dòng điện chạy qua diode quang có trị số trong khoảng , đã chọn 10mA.
- Theo thông số transistor QM50HA-H, chỉ cần dòng điện bazo transistor 0,65A là đủ để transistor mở thông hoàn toàn Khi đó điện trở cần có:
- Công suất của điện trở :
Transistor đẹm cho QM60HA-H chọn loại D613 có thông số
Thiết kế nguồn cấp cho mạch điều khiển
Mạch điều khiển được trang bị hai hệ thống nguồn cấp cách ly Hệ thống nguồn đầu tiên là nguồn nuôi đối xứng, cung cấp điện cho mạch IC khuếch đại thuật toán Hệ thống nguồn thứ hai cung cấp điện áp một chiều 15V cho mạch điều khiển dòng bazo transistor động lực.
Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn nuôi mạch điều khiển
MẠCH BẢO VỆ VÀ KẾT LUẬN
Bảo vệ quá áp
Aptomat, hay còn gọi là cầu dao tự động, là thiết bị dùng để đóng cắt điện tự động Trong tiếng Anh, thiết bị này được gọi là Circuit Breaker, viết tắt là CB.
Aptomat là thiết bị bảo vệ quan trọng trong hệ thống điện, giúp ngăn ngừa tình trạng quá tải và ngắn mạch Ngoài ra, một số loại Aptomat còn được trang bị chức năng bảo vệ chống dòng rò, thường được gọi là Aptomat chống rò hoặc Aptomat chống giật, nhằm tăng cường an toàn cho người sử dụng.
- Aptomat (MCB hay MCCB) có cấu tạo gồm các bộ phận chính như: tiếp điểm, hồ quang dập tắt, bộ phận truyền động, móc bảo vệ.
Tiếp điểm: Được chia thành hai cấp (tiếp điểm chính và hồ quang), hoặc ba cấp tiếp điểm (chính, phụ, hồ quang).
Khi đóng mạch, tiếp điểm hồ quang đóng trước tiếp điểm phụ tiếp điểm chính, khắt ngắt điện thì cơ chế hoạt động ngược lại.
Hồ quang chỉ xảy ra trên tiếp điểm hồ quang, giúp bảo vệ tiếp điểm chính khỏi hư hỏng Để ngăn chặn hồ quang lan rộng và ảnh hưởng đến tiếp điểm chính, nên sử dụng thêm tiếp điểm phụ.
Hồ quang dập tắt là một yếu tố quan trọng để Aptomat có thể hoạt động hiệu quả trong mọi chế độ làm việc của lưới điện Để đạt được điều này, người ta thường sử dụng hai kiểu thiết kế: kiểu nửa kín và kiểu hở.
Nửa kín: Được đặt trong vỏ kín của Aptomat và có lỗ thoát khí, kiểu này có dòng điện giới hạn không quá 50kA.
Kiểu hở: Được dùng khi giới hạn dòng điện cắt lớn hơn 50kA hoặc điện áp lớn 1000V (cao áp).
Trong buồng dập hồ quang, các tấm thép được sắp xếp thành lưới ngăn nhằm chia nhỏ hồ quang thành nhiều đoạn ngắn, giúp quá trình dập tắt hồ quang trở nên hiệu quả hơn.
Bộ phận truyền động: Truyền động cắt thường có hai cách bằng tay và bằng cơ như sau:
Công tắc bảo vệ (CB) có thể được điều khiển bằng tay cho các dòng điện định mức không quá 600A, trong khi điều khiển điện từ (nam châm điện) được sử dụng cho các CB có dòng điện lớn hơn 1000A Để tăng cường lực truyền động cắt bằng tay, có thể sử dụng tay dài phụ theo nguyên lý đòn bẩy, bên cạnh đó còn có các phương pháp điều khiển bằng động cơ điện hoặc khí nén.
Bộ phận này có nhiệm vụ truyền tín hiệu để tự động ngắt Aptomat khi xảy ra sự cố quá tải hoặc ngắn mạch, đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.
Móc bảo vệ quá dòng thường được lắp đặt dưới đường đặc tính của đối tượng cần bảo vệ, sử dụng hệ thống điện tử và rơle nhiệt Các thiết bị này thường được đặt bên trong cầu dao (CB) để đảm bảo an toàn và bảo vệ hiệu quả.
Do đó, người ta thường kết hợp hai kiểu móc bảo vệ trong cùng một cầu dao (CB), loại này được sử dụng cho các CB có dòng điện định mức lên đến 600A.
- Aptomat hoạt động dựa trên 2 cơ chế tác động: cơ chế nhiệt và cơ chế điện từ.
Cơ chế nhiệt của Aptomat hoạt động dựa trên sự giãn nở vì nhiệt của thanh lưỡng kim Khi dòng điện chạy qua, thanh lưỡng kim sinh nhiệt và hai mặt của nó giãn nở khác nhau, dẫn đến việc thanh bị uốn cong Hiện tượng này kích hoạt chức năng ngắt Aptomat, từ đó bảo vệ mạch điện khỏi tình trạng quá tải.
Aptomat hoạt động dựa trên lực điện trường được tạo ra khi dòng điện lớn chạy qua cuộn dây, và chức năng bảo vệ ngắn mạch của nó được thực hiện thông qua cơ chế điện từ.
Khi hệ thống điện gặp sự cố như ngắn mạch, dòng điện có thể tăng cao lên tới vài chục kA trong thời gian ngắn Lực điện trường phát sinh sẽ tác động để ngắt Aptomat, giúp bảo vệ các thiết bị điện khỏi hư hỏng.
Trong trạng thái bình thường, Aptomat duy trì tiếp điểm đóng nhờ vào sự kết hợp giữa móc 2 và móc 3 trong cùng một cụm tiếp điểm động Khi bật Aptomat, nó hoạt động ở trạng thái này.
ON, với dòng điện định mức nam châm điện 5 và phần ứng 4 không hút.
Khi mạch điện quá tải hay ngắn mạch, lực hút điện từ ở nam châm điện 5 sẽ hút phần ứng
4 xuống làm bật nhả móc 3, móc 5 được thả tự do, lò xo 1 được thả lỏng, kết quả các tiếp điểm của Aptomat được mở ra, mạch điện bị ngắt.
Hình 5.2 Nguyên lý hoạt động của Aptomat
- Tự động ngắt dòng điện trong các hệ thống điện khi có hiện tượng ngắn mạch hay sụt áp xảy ra.
- Bảo vệ các thiết bị điện khỏi các hư hỏng khi hệ thống điện gặp sự cố không mong muốn.
Khi dòng điện rò rỉ xuống đất, sẽ xảy ra hiện tượng mất cân bằng giữa dòng điện đi và về Trong trường hợp này, Aptomat sẽ ngắt điện để đảm bảo an toàn Nếu có sự cố điện giật, Aptomat cũng tự động ngắt điện nhằm bảo vệ con người.
- Dựa trên cấu tạo Aptomat
Aptomat kiểu dạng tép MCB (tên gọi tắt của Miniature Circuit Breaker) có tác dụng bảo vệ quá tải và ngắn mạch
Aptomat kiểu dáng khối MCCB Viết tắt của Moulded Case Circuit Breaker cũng có chức năng tương tự.
Aptomat loại thường (bảo vệ quá tải và ngắn mạch): MCB và MCCB.
Aptomat chống rò rỉ: RCCB (viết tắt của Residual Current Circuit Breaker), RCBO và ELCB.
- Dựa theo số pha hoặc số cực
Loại Aptomat 1 pha: có 1 cực
Loại Aptomat 1 pha + trung tính (1P+N): có 2 cực
Loại Aptomat 2 pha: có 2 cực
Loại Aptomat 3 pha: có 3 cực
Loại Aptomat 3 pha + trung tính (3P+N): có 4 cực
Loại Aptomat 4 pha: có 4 cực
- Dựa trên khả năng chỉnh dòng của Aptomat
Loại Aptomat có dòng định mức ổn định, không thay đổi: chẳng hạn là loại MCCB NF400-SW 3P 400A của Mitsubishi dòng định mức 400A
Dòng Aptomat có khả năng chỉnh dòng định mức Điển hình là MCCB NF400-SEW 3P 400A của Mitsubishi sở hữu dòng định mức điều chỉnh được từ 200A – 400A.
Để đảm bảo tính an toàn và hiệu suất cho hệ thống, chúng ta lựa chọn hệ số bảo vệ kbv=1,4 Từ đó, ta có thể xác định giá trị điện áp và dòng điện bảo vệ phù hợp.
Dựa vào Ubv và Ibv vừa tính, ta chọn Schneider Electric Compact NSX160F có các thông số sau:
Bảo vệ quá dòng
5.2.1 Khái quát về rơ le nhiệt
5.2.1.1 Giới thiệu về rơ le nhiệt
Thiết bị điện này được thiết kế để bảo vệ mạch và các thiết bị khỏi tình trạng quá tải hoặc dòng điện tăng đột ngột Khi dòng điện vượt ngưỡng an toàn, thiết bị sẽ tự động ngắt kết nối tất cả các tiếp điểm, nhờ vào việc tạo ra nhiệt lớn tác động lên thanh kim loại, dẫn đến sự giãn nở và ngăn chặn hư hỏng.
Rơ le nhiệt là thiết bị quan trọng trong việc bảo vệ các thiết bị điện, giúp kéo dài tuổi thọ và duy trì sự ổn định cho mạch điện, ngăn chặn tình trạng quá tải gây hư hỏng Nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều hệ thống điện, từ dân dụng đến công nghiệp.
Thông thường 1 thiết bị rơ le nhiệt được cấu tạo từ những bộ phận như sau:
Tiếp điểm thường đóng (NC)
Tiếp điểm thường mở (NO)
Vít chỉnh dòng điện tác động
Trong đó NC và NO là phần quan trọng giúp thiết bị hoạt động tốt, cụ thể:
Tiếp điểm thường đóng (NC): NC được mắc nối tiếp với mạch điều khiển, khi có tình trạng quá tải, NC sẽ được mở.
Điểm tiếp xúc thường mở (NO) sẽ tự động đóng lại khi xảy ra tình trạng quá tải Nó được kết nối với hệ thống đèn và còi báo động, nhằm thông báo khi có sự cố trong mạch điện.
Hình 5.3 Cấu tạo của rơ le
Rơ le nhiệt được thiết kế với phần quan trọng nhất là phiến kim loại kép (bimetal), bao gồm hai tấm kim loại có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau, tùy thuộc vào loại chất liệu sử dụng.
- Tấm thứ nhất có hệ số giãn nở thấp, thường dùng Invar với 36% Ni, 64% Fe.
Thấm thứ hai với hệ số giãn nở lớn thường sử dụng các chất liệu như đồng thau và thép crom-niken Đặc biệt, đồng thau có hệ số giãn nở gấp 20 lần so với Invar.
- Hai thanh kim loại trên được ghép thành 1 tấm bằng phương pháp hàn hoặc cán nóng.
Khi dòng điện quá tải, phiến kim loại sẽ bị đốt nóng và uốn cong về phía kim loại có hệ số giãn nở nhỏ hơn, dẫn đến việc ngắt mạch Để đạt độ uốn cong lớn, phiến kim loại cần thiết kế dài và mỏng, trong khi nếu cần lực đẩy mạnh, phiến kim loại sẽ được chế tạo rộng, dày và ngắn.
Hình 5.4 Nguyên lý hoạt động của rơ le
Trên thị trường hiện có nhiều loại rơ le nhiệt, được phân loại dựa trên các tiêu chí khác nhau.
- Dựa theo tiêu chí kết cấu rơ le nhiệt được chia làm hai loại: Rơ le hở và rơ le kín.
- Theo yêu cầu sử dụng sẽ có: rơ le nhiệt một cực và rơ le nhiệt hai cực.
Rơ le nhiệt được phân loại thành ba loại dựa trên phương thức đốt nóng: rơ le đốt nóng trực tiếp, rơ le đốt nóng gián tiếp và rơ le đốt nóng hỗn hợp Trong số này, rơ le hỗn hợp là loại phổ biến nhất nhờ vào tính ổn định nhiệt tốt, đồng thời phù hợp để làm bội số quá tải, giúp đảm bảo an toàn cho thiết bị và người sử dụng.
- Ngoài ra, rơ le nhiệt còn có các loại: rơ le nhiệt 3 pha, rơ le nhiệt 1 pha,
Hình 5.5 Các loại rơ le phổ biến
Để đảm bảo tính an toàn và hiệu suất cho hệ thống, chúng ta lựa chọn hệ số bảo vệ kbv=1,4, từ đó xác định được giá trị điện áp và dòng điện bảo vệ tương ứng.
Dựa vào Ubv và Ibv vừa tính, ta chọn Rơ le Schneider Electric - Micrologic 2.2 có các thông số sau:
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
Mô phỏng mạch điều khiển của bộ băm áp một chiều
Chúng ta sẽ sử dụng phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng mạch điều khiển, nhằm đánh giá quá trình thay đổi tốc độ của động cơ điện một chiều Qua đó, có thể quan sát và kiểm tra quá trình đáp ứng về tốc độ của động cơ trong phạm vi nghiên cứu.
6.1.1 Sơ đồ cấu trúc cho mạch băm áp động cơ điện một chiều kích từ độc lập Ở đây, ta chọn phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp bằng bộ băm điện áp một chiều, trong đó:
- Nguồn điện xoay chiều ba pha: nguồn cấp cho hoạt động hệ thống.
- Máy biến áp: Biến đổi điện áp xoay chiều từ lưới điện xuống mức điện áp thấp hơn phù hợp với yêu cầu của mạch.
- Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển: Biến đổi nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều ổn định cung cấp cho mạch băm áp một chiều.
- Mạch băm áp một chiều: điều chỉnh điện áp DC vào động cơ để điều khiển tốc độ của động cơ.
6.1.2 Kết quả thực nghiệm mạch điều khiển của bộ băm áp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng Matlab/Simulink:
Hình 6.1 Sơ đồ mô phỏng mạch điều khiển của bộ băm áp một chiều
- 03 khối nguồn xoay chiều: Cung cấp nguồn điện xoay chiều ba pha.
- 06 khối Diode: Biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.
- Khối băm xung áp: Điều chỉnh độ rộng xung để thay đổi điện áp vào động cơ.
6.1.3 Kết quả mô phỏng trong Matlab/Simulink
- Thực hiện mô phỏng với điện áp đầu ra:
Hình 6.2 Dạng sóng điện áp đầu ra
- Thực hiện mô phỏng với điện áp đầu ra:
Hình 6.3 Dạng sóng điện áp đầu ra
Nhận xét
Hệ thống điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều sử dụng nguồn xoay chiều ba pha qua máy biến áp và chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển kết hợp với mạch băm áp một chiều, mang lại giải pháp hiệu quả và linh hoạt Công nghệ này tận dụng ưu điểm của nguồn ba pha và PWM để cung cấp điện áp DC ổn định, đảm bảo điều khiển tốc độ chính xác cho động cơ.
