Thiết kế và chế tạo bộ chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển

Thiết kế và chế tạo bộ chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤTTRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Điện - Điện Tử Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc ----------o0o---------- -----------***---------- ĐỒ ÁN MÔN HỌC Nhóm sinh viên thực hiện: 1. Nguyễn Văn Đại2.Phạm Thị Hải Yến Khoá học : 2010 – 2012Nghành đào tạo : kỹ Thuật ĐiệnTên đề tài: Thiết kế và chế tạo bộ chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển  Số liệu cho trước: P =200W ,U =220V ,Ikt = 2,15ACác tài liệu, giáo trình chuyên môn.Trang thiết bị, máy móc tại Xưởng thực tập. Nội dung cần hoàn thành:1. Cơ sở của việt tính toán thiết kế bộ chỉnh lưu công suất một pha.2. Tính toán thiết kế và chế tạo bộ chỉnh lưu công suất một pha để điều chỉnh điện áp cho động cơ điện một chiều có các thông số: 3. Sản phẩm của đề tài đảm bảo yêu cầu sau: + Có bảo vệ quá dòng. + Có sử dụng thiết bị đo dòng điện. + Sản phẩm của đề tài đảm bảo các yêu cầu về mỹ thuật và kỹ thuật. GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: ĐỖ THÀNH HIẾU Ngày …. Tháng…. năm 200

TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM

Khoa Điện - Điện Tử Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

-o0o - -*** -

ĐỒ ÁN MÔN HỌC Nhóm sinh viên thực hiện: 1 Nguyễn Văn Đại 2.Phạm Thị Hải Yến Khoá học : 2010 – 2012 Nghành đào tạo : kỹ Thuật Điện Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo bộ chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển  Số liệu cho trước: P =200W ,U =220V ,I kt = 2,15A Các tài liệu, giáo trình chuyên môn Trang thiết bị, máy móc tại Xưởng thực tập.  Nội dung cần hoàn thành: 1 Cơ sở của việt tính toán thiết kế bộ chỉnh lưu công suất một pha 2 Tính toán thiết kế và chế tạo bộ chỉnh lưu công suất một pha để điều chỉnh điện áp cho động cơ điện một chiều có các thông số: 3 Sản phẩm của đề tài đảm bảo yêu cầu sau: + Có bảo vệ quá dòng + Có sử dụng thiết bị đo dòng điện + Sản phẩm của đề tài đảm bảo các yêu cầu về mỹ thuật và kỹ thuật.

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:

ĐỖ THÀNH HIẾU Ngày … Tháng… năm 200… Ngày giao đề: CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Ngày hoàn thành:

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

Ngày Tháng Năm 20

Giáo Viên Hướng Dẫn Lời nói đầu Ngày nay, điện tử công suất đã và đang đóng 1 vai trò rất quan trọng trong quá trình công nghiệp hoá đất nước Sự ứng dụng của điện tử công suất trong các hệ thống truyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việc dễ dàng tự động hoá cho các quá trình sản xuất Các hệ thống truyền động điều khiển bởi điện tử công suất đem lại hiệu suất cao Kích thước, diện tích lắp đặt giảm đi rất nhiều so với các hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ, máy phát - động cơ

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điện tử công suất

chúng em đã được giao thực hiện đề tài Thiết kế và chế tạo bộ chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển Với sự hướng dẫn của Thầy Đỗ Thành Hiếu, chúng em đã

tiến hành nghiên cứu và thiết kế đề tài

GVHD: ĐỖ THÀNH HIẾU 2 SVTH: NHÓM SV_ĐK8LC1

Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạn nênkhông thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy cô đóng góp ý kiến để đề tài hoànthiện hơn

Chúng em xin trân thành cảm ơn.!

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG VỀ

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

I: Giới thiệu về máy điện một chiều

1.1Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều

Như ta đã biết máy phát điện một chiều có thể dùng làm máy phát điện hoặcđộng cơ điện Động cơ điện một chiều là thiết bị quay biến đổi điện năng thành cơnăng Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Động cơ điện mộtchiều được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và giao thông vận tải Động cơđiện một chiều gồm những loại sau đây:

- Động cơ điện một chiều kích từ song song

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

1.2Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần : Phần tĩnh (stator) và phần động (rôtor)

1.2.1 Phần tĩnh (stator)

Gồm các phần chính sau:

a Cực từ chính:

Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích

từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện.Cực từ được gắn chặt vào vỏ nhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấn bằngdây đồng bọc cách điện

b Dây quấn phần ứng:

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua Thường làmbằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diệntròn, trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dâyquấn được cách điện với rãnh của lõi thép

c Cổ góp:

Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điệnxoay chiều thành một chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cáchđiện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn.Đuôi vành góp có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tử dâyquấn vào các phiến góp được dễ dàng

d Các bộ phận khác:

- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy

GVHD: ĐỖ THÀNH HIẾU 4 SVTH: NHÓM SV_ĐK8LC1

- Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục máythường làm bằng thép Cacbon tốt

1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều:

A

B

Hình 1:Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều

Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phầnứng có dòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịulực điện từ Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quytắc bàn tay trái Khi phần ứng quay được nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổichỗ nhau do có phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng khôngđổi đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi Khi động cơ quay các thanh dẫncắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động Eư chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắcbàn tay phải

Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư

Theo yêu cầu của đề bài ta xét hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều kích

rừ độc lập Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có dòng điện kích từ khôngphụ thuộc vào dòng điện phần ứng nghĩa là từ thông của động cơ không phụ thuộcvào phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ

KT

U

-E I

+

-I F

F a

Rf RKT

U­

-E­

Hình2 : Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

1.4 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập

Đặc tính cơ là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen (M) của động cơ

Ứng với chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông ) động cơ vận hành ở chế độđịnh mức với đặc tính cơ tự nhiên (Mđm , wđm)

Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các thông số nguồnhay nối thêm điện trở phụ, điện kháng vào động cơ

Để đánh giá, so sánh các đặc tính cơ người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính

cơ β được tính như sau Δβ= ΔM Δω

β lớn (đặc tính cơ cứng) tốc độ thay đổi ít khi M thay đổi

β nhỏ (đặc tính cơ mềm) tốc độ giảm nhiều khi M tăng.

β → ∞ đặc tính cơ tuyệt đối cứng.

1.4.1 Sơ đồ nguyên lý:

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều

Khi nguồn điện 1 chiều có công suất lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng

và mạch kích từ mắc vào 2 nguồn một chiều độc lập

60a : hệ số sức điện động của động cơ

a: số mạch nhánh song song của cuộn dây

GVHD: ĐỖ THÀNH HIẾU 6 SVTH: NHÓM SV_ĐK8LC1

Mặt khác: M= M= K.Ф.Iư (5): là mômen điện từ của động cơ.

 Trường hợp thay đổi U< U đm

R u = const Khi thay đổi điện áp ta thu được 1 họ các đường đặc tính song

song Phương pháp này được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế

dòng khởi động

 Ảnh hưởng của từ thông:

Muốn thay đổi Φ ta thay đổi dòng kích từ Ikt khi đó tốc độ không tải ω=

U dm Kφ

Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyểntiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản suất

Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làm giảm tính phứctạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh Vì vậy, ta khảo sát sự điềuchỉnh tốc độ theo phương pháp thứ hai

Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc độ khi phụtải thay đổi của động cơ điện

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việthơn so với các loại động cơ khác Không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ

dễ dàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lạiđạt chất lượng điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng

GVHD: ĐỖ THÀNH HIẾU 8 SVTH: NHÓM SV_ĐK8LC1

1.5.1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ:

Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứvào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện:

a Hướng điều chỉnh tốc độ:

Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ lớn hơn hay

bé hơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơ điện trên đường đặctính cơ tự nhiên

b.Phạm vi điều chỉnh tốc độ (dãy điều chỉnh):

Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất nmax và tốc độ bé nhất

nmin mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức: D = nmax/

nmin

Trong đó:

- nmax: Được giới hạn bởi độ bền cơ học

- nmin: Được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ, thông thường người tachọn nmin làm đơn vị

Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu của từng hệthống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh

c Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ:

Độ cứng:  = M/n Khi  càng lớn tức M càng lớn và n nhỏ nghĩa là độ

ổn định tốc độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều Phương pháp điều chỉnh tốc độtốt nhất là phương pháp mà giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng của đường đặc tính

cơ Hay nói cách khác  càng lớn thì càng tốt

d Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ:

Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ Độ liên tục khi điềuchỉnh tốc độ  được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau:

 tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục Lúc nàyhai cấp tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điều chỉnh tốc độ vôcấp.

  1 : Hệ thống điều chỉnh có cấp

e Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ:

Hệ thống truyền động điện có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suất làmviệc của động cơ  là cao nhất khi tổn hao năng lượng Pphụ ở mức thấp nhất

f Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ:

Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện có tính kinh tế cao nhất là một hệthống điều chỉnh phải thỏa mãn tối đa các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống Đồngthời hệ thống phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành thấp nhất, sửdụng thiết bị phổ thông nhất và các thiết bị máy móc có thể lắp ráp lẫn cho nhau

1.5.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng:

Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnhđiện áp trên mạch phần ứng thì dòng điện, moment sẽ không thay đổi Để tránhnhững biến động lớn về gia tốc và lực động trong hệ điều chỉnh nên phương phápđiều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng thường được ápdụng cho động cơ một chiều kích từ độc lập

Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồn điều ápnhư: máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ… Các bộbiến đổi trên dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng một chiều vàđiều chỉnh giá trị sức điện động của nó cho phù hợp theo yêu cầu

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

U1 U2 U3

TN ( Uđm )

n0 ncb n1 n2 n3

M n

MC

Uđm > U1 > U2 > U3 ncb > n1 > n2 > n3

Ta có tốc độ không tải lý tưởng: n0 = Uđm/KEđm. Độ cứng của đường đặc tínhcơ:

Khi thay đổi điện áp đặt lên phần ứng của động cơ thì tốc độ không tải lýtưởng sẽ thay đổi nhưng độ cứng của đường đặc tính cơ thì không thay đổi

Như vậy: Khi ta thay đổi điện áp thì độ cứng của đường đặc tính cơ không thayđổi Họ đặc tính cơ là những đường thẳng song song với đường đặc tính cơ tựnhiên:

Hình 4: Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng thực chất

là giảm áp và cho ra những tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản ncb Đồng thời điều chỉnhnhảy cấp hay liên tục tùy thuộc vào bộ nguồn có điện áp thay đổi một cách liên tục

và ngược lại

Theo lý thuyết thì phạm vi điều chỉnh D =  Nhưng trong thực tế động cơđiện một chiều kích từ độc lập nếu không có biện pháp đặc biệt chỉ làm việc ởphạm vi cho phép: Umincp =

U đm

10 nghĩa là phạm vi điều chỉnh:

D = ncb/nmin = 10/1 Nếu điện áp phần ứng U < Umincp thì do phản ứng phần ứng sẽlàm cho tốc độ động cơ không ổn định

 Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt

vào phần ứng động cơ sẽ giữ nguyên độ cứng của đường đặc tính cơ nênđược dùng nhiều trong máy cắt kim loại và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb

 Ưu điểm: Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để, vô cấp có nghĩa là có thể

điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi ở không tải lý tưởng

 Nhược điểm: Phải cần có bộ nguồn có điện áp thay đổi được nên vốn đầu

tư cơ bản và chi phí vận hành cao

1.5.3 Điều chỉnh tốc độ bằng các thay đổi từ thông:

Hình 5: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnhmoment điện từ của động cơ M = KMIư và sức điện động quay của động cơ

Eư = KEn Thông thường, khi thay đổi từ thông thì điện áp phần ứng được giữnguyên giá trị định mức

Đối với các máy điện nhỏ và đôi khi cả các máy điện công suất trung bình,người ta thường sử dụng các biến trở đặt trong mạch kích từ để thay đổi từ thông

do tổn hao công suất nhỏ Đối với các máy điện công suất lớn thì dùng các bộ biếnđổi đặc biệt như: máy phát, khuếch đại máy điện, khuếch đại từ, bộ biến đổi van…Thực chất của phương pháp này là giảm từ thông Nếu tăng từ thông thì dòngđiện kích từ Ikt sẽ tăng dần đến khi hư cuộn dây kích từ Do đó, để điều chỉnh tốc

độ chỉ có thể giảm dòng kích từ tức là giảm nhỏ từ thông so với định mức Ta thấylúc này tốc độ tăng lên khi từ thông giảm: n =

1 2 đm

0 MC M2 M1 Mn

Hình­6:­Họ­đặc­tính­cơ­khi­thay­đổi­từ­thông.­

ncb

n1 n2

n

M

đm­>­1­>­2 ncb­<­n1­<­n2

+

-Iư

Rf

U

E

Độ cứng của đường đặc tính cơ:

Khi Φ giảm thì độ cứng  cũng giảm, đặc tính cơ sẽ dốc hơn Nên ta cĩ họđường đặc tính cơ khi thay đổi từ thơng như sau:

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng cĩ thể điều chỉnhđược tốc độ vơ cấp và cho ra những tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản

Theo lý thuyết thì từ thơng cĩ thể giảm gần bằng 0, nghĩa là tốc độ tăng đến vơcùng Nhưng trên thực tế động cơ chỉ làm việc với tốc độ lớn nhất:

nmax = 3.ncb tức phạm vi điều chỉnh: D =

nmax

n cb =

31Bởi vì ứng với mỗi động cơ ta cĩ một tốc độ lớn nhất cho phép Khi điều chỉnhtốc độ tùy thuộc vào điều kiện cơ khí, điều kiện cổ gĩp động cơ khơng thể đổichiều dịng điện và chịu được hồ quang điện Do đĩ, động cơ khơng được làm việcquá tốc độ cho phép

Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng cĩ thể

điều chỉnh tốc độ vơ cấp và cho những tốc độ lớn hơn ncb Phương pháp này được dùng để điều chỉnh tốc độ cho các máy mài vạn năng hoặc là máy bào giường Do quá trình điều chỉnh tốc độ được thực hiện trên mạch kích từ nên tổn thất năng

lượng ít, mang tính kinh tế

1.5.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng:

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phầnứng cĩ thể được dùng cho tất cả động cơ điện một chiều Trong phương pháp nàyđiện trở phụ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ theo sơ đồ nguyên

lý như sau:

GVHD: ĐỖ THÀNH HIẾU 13 SVTH: NHĨM

TN Rf1 Rf2 Rf3

n3 n2 n1 ncb n0 n

M, I

0 < Rf1 < Rf2 < Rf3 ncb > n1 > n2 > n3

Hình 7: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở

phụ trên mạch phần ứng.

Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Khi thay đổi giá trị điện trở phụ Rf ta nhận thấy tốc độ không tải lý tưởng: và

độ cứng của đường đặc tính cơ:

sẽ thay đổi khi giá trị Rf thay đổi Khi Rf càng lớn,  càng nhỏ nghĩa là đường đặctính cơ càng dốc Ứng với giá trị Rf = 0 ta có độ cứng của đường đặc tính cơ tựnhiên được tính theo công thức sau:

Ta nhận thấy TN có giá trị lớn nhất nên đường đặc tính cơ tự nhiên có độ cứnglớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có đóng điện trở phụ trên mạch phần ứng.Vậy khi thay đổi giá trị Rf ta được họ đặc tính cơ như sau:

Hình 8:Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng.

Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phầnứng được giải thích như sau: Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với tốc độ n1 tađóng thêm Rf vào mạch phần ứng Khi đó dòng điện phần ứng Iư đột ngột giảmxuống, còn tốc độ động cơ do quán tính nên chưa kịp biến đổi Dòng Iư giảm làmcho moment động cơ giảm theo và tốc độ giảm xuống, sau đó làm việc xác lập tạitốc độ n2 với n2 > n1

Phương pháp điều chỉnh tốc độ này chỉ có thể điều chỉnh tốc độ n < ncb Trênthực tế không thể dùng biến trở để điều chỉnh nên phương pháp này sẽ cho nhữngtốc độ nhảy cấp tức độ bằng phẳng  xa 1 tức n1 cách xa n2, n2 cách xa n3…

Khi giá trị nmin càng tiến gần đến 0 thì phạm vi điều chỉnh:

D =

(2÷3 )1Khi giá trị Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm Đồng thời dòng điện ngắnmạch In và moment ngắn mạch Mn cũng giảm Do đó, phương pháp này đượcdùng để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản Và tuyệt đốikhông được dùng cho các động cơ của máy cắt kim loại

Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên

mạch phần ứng chỉ cho những tốc độ nhảy cấp và nhỏ hơn ncb

Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cho cần

trục, thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép

Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng vào

càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi phụ

GVHD: ĐỖ THÀNH HIẾU 15 SVTH: NHÓM

IS

In

Rn RS

+

Theo phương pháp rẽ mạch phần ứng thì phần ứng động cơ nối song song vớiđiện trở và nối nối tiếp với một điện trở khác Phương pháp này giống với phươngpháp thay đổi điện trở trên mạch phần ứng nhưng điện áp phần ứng lại không thayđổi Do đó, phương pháp này đòi hỏi phải:

- Điện áp đặt vào phần ứng động cơ không thay đổi

- Vì dòng kích từ không thay đổi nên khi điều chỉnh tốc độ, từ thông không đổilàm cho moment phụ tải cho phép được giữ không đổi và bằng trị số định mức

Ta có phương trình đặc tính cơ:

GVHD: ĐỖ THÀNH HIẾU 16 SVTH: NHÓM

SV_ĐK8LC1⇒ n' 0 = n 0 R S

R S + R n < n 0

Từ phương trình trên, ta nhận thấy tốc độ động cơ nĐ < ncb Mặt khác ta có:

Độ cứng của đường đặc tính cơ rẽ mạch phần ứng PM nhỏ hơn độ cứng củađặc tính cơ tự nhiên TN nhưng lại lớn hơn độ cứng của đặc tính cơ có điện trở phụ

Rf với điện trở phụ chính là Rn

Để điều chỉnh tốc độ động cơ trong trường hợp này ta tiến hành như sau:

 Giữ nguyên R n , thay đổi giá trị R S :

- Khi RS = 0: Đây là trạng thái hãm động năng với tốc độ hãm động năng

nHĐN = 0

Hình 10: Họ đặc tính cơ khi R n = const, R S thay đổi.

Như vậy, khi giữ nguyên Rn, thay đổi giá trị RS thì vùng điều chỉnh tốc độ bịhạn chế và modun độ lớn đặc tính cơ tăng dần khi tốc độ giảm

 Giữ nguyên R S , thay đổi giá trị R n :

n1 n2 ncb

I

TN ( RN = 0 )

MC IB

- Khi Rn = 0: RS không ảnh hưởng đến đường đặc tính cơ Lúc này taxem RS như là tải nối song song với động cơ Ta có được đườngđặc tính cơ tự nhiên

- Khi Rn = : Động cơ điện bị hở mạch nên không có điện áp rơi trênphần ứng động cơ Đây là trạng thái hãm động năng với RHĐN = RS

Ta có : IB = Uđm/RS

Ta có họ đặc tính cơ như sau:

Vậy, khi giữ nguyên RS và thay đổi Rn thì phạm vi điều chỉnh không bị hạn chếnhư trường hợp trên Nhưng khi tốc độ giảm xuống thì độ cứng đường đặc tính cơlại bị giảm xuống

 Ngoài ra còn có phương pháp thay đổi đồng thời giá trị của R S và R n:

Phương pháp này thường được sử dụng trong thực tế So với phương phápđiều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng ta nhận thấy: Khitốc độ và moment động cơ như nhau nghĩa là khi công suất cơ như nhau dòng điệnnhận từ lưới trong sơ đồ rẽ mạch phần ứng luôn luôn lớn hơn trong sơ đồ điềuchỉnh bằng điện trở phụ trên mạch phần ứng một lượng bằng dòng điện chạy qua

RS

Phương pháp này chỉ dùng cho cần trục, cầu trục, thang máy, máy cán thép Đồngthời tuyệt đối không dùng cho máy cắt kim loại

Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng thì điều

chỉnh tốc độ nhảy cấp và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb

Ưu điểm:

GVHD: ĐỖ THÀNH HIẾU 18 SVTH: NHÓM

A K P­­­­­­­­­­­­-­­­­­­­­­­­­­N

-

-+ + +

- Với cùng một tốc độ yêu cầu thì độ cứng của đường đặc tính cơ phânmạch có độ cứng lớn hơn đặc tính cơ dùng điện trở phụ trên mạch phần ứng

- Thiết bị vận hành đơn giản

- Kí hiệu của điode:

b.Nguyên lý hoạt động của điode

GVHD: ĐỖ THÀNH HIẾU 19 SVTH: NHÓM

P­­­­­­­­­­­­-­­­­­­­­­­­­­N -

-+ + +

ENG

P­­­­­­­­­­­­-­­­­­­­­­­­­­N -

-+ + +

từ P sang N Điện trường này giống như một bức rào ngăn không cho lỗ trống

từ P sang N và từ N sang P

Khi nối P sang N một nguồn điện một chiều để tạo sự phân cực, cực dương của nguồn nối vào lớp bán dẫn P, cực âm nối vào lớp N thì sẽ có một điện trường ngoài hướng từ P sang N Điện trường này mạnh hơn điện trường lớp tiếp xúc và ngược chiều điện trường lớp tiếp xúc Chính điện trường này giúp lỗ trống tiếp tục từ P sang N và điện tử từ N sang P tạo thành dòng điện thuận qua lớp tiếp xúc P sang N

Nếu nối với nguồn điện mọt chiều để phân cực ngược tức là dương nguồn nối với bán dẫn N, âm nguồn nối với Anôt thì sẽ có một điện trường ngoài hướng từ N sang P cùng chiều với điện trường lớp tiếp xúc, sẽ cản trở sự chuyển dịch của lỗ trống từ P sang N và điện tử từ N sang P, vùng cách điện càng rộng ra, không có dòng điện nào chạy qua được các mặt ghép P-N Ta nói mặt ghép bị phân cực ngược

Phân cực thuận Phân cực ngược

Hình 2: Phân cực cho diode

c Đặc tính vôn-ampe

GVHD: ĐỖ THÀNH HIẾU 20 SVTH: NHÓM

0 UD0

+ Nhánh ngược ứng với phân áp ngược: Lúc đầu điện áp ngược tăng thì dòngđiện ngược rất nhỏ cũng tăng nhưng rất chậm (3) tới điện áp ngược U=12v thìdòng điện ngược có trị số nhỏ vài mA và gần như giữ nguyên Sau đó khi điện

áp ngược đủ lớn U>Ungmax thì dòng điện ngược tăng nhanh (4) và cuối cùngdiode bị đánh thủng (5) Để đảm bảo an toàn cho diode làm việc với điện ápngược 0,8Ungmax Qua đặc tính Vôn-ampe cho thấy tùy theo điều kiện phân

áp mà diode có thể dẫn dòng hay không dẫn dòng, diode là một van bán dẫnchính nhờ tính chất này được sử dụng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thànhmột chiều

II) Thysistor

a Cấu tạo, ký hiệu

- Cấu tạo: Thysistor là thiết bị gồm 4 lớp bán dẫn P1,N1,P2,N2 ghép lại tạo ra balớp tiếp xúc J1,J2,J3

GVHD: ĐỖ THÀNH HIẾU 21 SVTH: NHÓM

P1 N1

P2 N2

G

A

G K

T K

R2

+ _ E

E

- Ký hiệu:

b Nguyên lý làm việc

- Khi đặt thysistor vào điện áp một chiều, A nốt nối vào cực dương, Katốt

nối vào cực âm của nguồn Khi đó J1, J3 được phân cực thuận J2 bị phân cựcngược, gần như toàn bộ điện áp nguồn đặt lên mặt ghép J2 Điện trường Ei của

J2 có chiều từ N1 sang P2 Điện trường ngoài tác dụng cùng chiều với Ei, vùngchuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng mở rộng ra, không có dòng chảy quathysistor, mặc dù nó dược đặt điện áp

- Để mở thysistor ta đặt một xung điện áp Ug tác động vào cực G (dương

so với K) các điện tử từ N2 sang P2 và một số ít chúng chảy vào nguồn Ug vàhình thành dòng điều khiển ig chảy theo mạch G-J3-K-G, còn phần điện tử chịusức hút của điện trường tỏng hợp của mặt ghép J2 lao vào vùng chuyển tiếpnày, chúng được tăng tốc bắn phá J2, vùng chuyển tiếp J2 bị trọc thủng làm xuấthiện ngày càng nhiều điện tử chảy vào N1 qua P1 và đến cực dương của nguồnđiện ngoài gây nên hiện tượng dẫn điện ồ ạt, J2 trở thành mặt ghép dẫn điện bắtđầu từ một điểm nào đó ở xung quanh cực G rồi phát tán ra toàn bộ mặt ghépnên thysistor được mở

Hình 4: mở thysistor

GVHD: ĐỖ THÀNH HIẾU 22 SVTH: NHÓM

P1 N1

Mở thysistor bằng cách ấn công tắc K là đơn giản nhất một thysistor

đã mở thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển ig là không còn cần thiết nữa

- Khóa Thysistor

Có hai cách để khóa thysistor:

+ Cách 1: Giảm dòng điện ở A nốt xuống đến giá trị của dòng điện duy trìkhi thysistor được phân áp thuận thì lớp J2 có điện trở lớn làm cho dòng quaThysistor rất nhỏ lúc đó thysistor sẽ bị khóa lại

+ Cách 2: Đặt một điện áp ngược lên thysistor ( biện pháp thường dùng)khi đặt điện áp ngược lên T có UAk< 0 hai mặt ghép J1 và J3 bị phân cực ngược

J2 phân cực thuận Những điện tử trước thời điểm đảo cực tính Uak đang cómặt tại P1,N1, P2 bây giờ đảo chiều hình thành nên dòng điện ngược chảy từKatốt về A nốt và về cực âm của nguồn điện ngoài Lúc đầu của quá trình từ t0

đến t1 dòng điện ngược khá lớn sau đó J1,J2 trở nên cách điện, còn lại một ítđiện tử ở giữa hai mặt ghép J1 và J3 hiện tượng khuếch tán sẽ làm chúng ít dần

đi cho đến hết và J2 khôi phục lại tính chất của mặt điều khiển Thời gian khóa

toff tính từ khi bắt đầu có điện áp ngược cho tới dòng điện ngược bằng 0 (t2) Đó

là khoảng thời gian mà ngay sau đó nếu đặt điện áp thuận lên T thì T cũngkhong mở Trong bất kì trường hợp nào cũng không được đặt T dưới điện ápthuận khi T chưa bị khóa, nếu không có thể gây ra ngắn mạch nguồn Việckhóa Thysistor bằng cách đặt điện áp ngược được thực hiện bằng cách ấn nútK

GVHD: ĐỖ THÀNH HIẾU 23 SVTH: NHÓM

c Đặc tính vôn-ampe của Thysistor

Hình 6: Đặc tính vôn-ampe của Thysistor

- Đoạn 1: Trạng thái khóa của T Khi U tăng đến Uch bắt đầu quá trìnhtăng dòng điện T chuyển sang trạng thái mở

- Đoạn 2: Giai đoạn ứng với phân cực thuận J2, mỗi một lượng tăng nhỏcủa dòng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp đặt lênThysistor

- Đoạn 3: Trạng thái mở của thysistor J1,J2,J3 trở thành mặt ghép dẫnđiện

- Đoạn 4: Thysistor bị đặt điện áp ngược -> Thysistor bị trọc thủng (do

U tăng lên ing cũng tăng lên)

N P N

C

B E1

+ _

+ Vì có hai loại lớp bán dẫn P và N nên ghi ghép 3 lớp bán dẫn liên tiếp với nhau, có hai khả năng : P-N-P (phân cực thuận) và N-P-N (phân cực

ngược)

- Ký hiệu:

Transistor thuận Transistor ngược

b Nguyên lý làm việc

- Transistor ngược: Xét mạch cực phát E chung

+ E1 phân cực thuận cho J1

+ E2 phân cực thuận cho J1, phân cực ngược cho J2

Hình 7: Phân cực ngược cho Transistor

- Lớp J1 phân cực thuận nên điện trở tiếp giáp nhỏ và dòng iB chuyển từ Bsang E ( Điện tử tự do từ cực E sang cực B qua lớp J1 và lỗ trống từ cực B sangcực E qua J1) Lớp J2 phân cực ngược vì E2>> E1 nên điện trường do E2 tạo rakhóa mạch làm cho một số điện tử tự do từ cực E sang cực B còn phần lớn qua

GVHD: ĐỖ THÀNH HIẾU 25 SVTH: NHÓM

lớp P qua lớp tiếp xúc J2 tới cực góp C để về cực dương của nguồn vì vậy tạo radòng điện cực góp ic qua tải R là iE = iC+iB Dòng iB còn là dòng điều khiển Khităng điện áp UBE thì dòng iB, iC tăng và ngược lại, lượng thay đổi dòng iB nhỏcũng gây ra một sự thay đổi lớn một lượng dòng iC nên transistor có tác dụngkhuếch đại.

- Nguyên lý hoạt động của Transistor thuận tương tự

c Đặc tính Vôn-ampe

- Đặc tính ra: iC = f(UCE) khi iB = const

- Đặc tính truyền đạt: iC = f(iB) khi UCE = const

- Đặc tính vào iB = f(UBE) khi UCE = const

- Đặc tính điện áp phản hồi: UBE = f(UCE) khi iB = const

Trong đặc tính của transistor đặc tính ra được lưu ý đặc biệt, nó phân biệtbởi ba vùng làm việc:

- Vùng tuyến tính (c): ic tăng tỷ lệ với UB khi UCE = const

- Vùng bão hòa (b): iB tăng nhiều iC tăng ít

- Vùng bão hòa (a): iB tăng nhưng iC = const

- Đường thẳng ∆ phân giới hạn vùng (a) và (b)

- Đường thẳng ∆’ phân giới hạn vùng (b) và (c)

- Từ đặc tính ra có thể tính được trở kháng ra:

GVHD: ĐỖ THÀNH HIẾU 26 SVTH: NHÓM

Zra = ∆ U CE

∆ I c

- Hệ số khuếch đại dòng:α= ∆ I C

∆ I B

- Cũng có thể tính hệ số khuếch đại dòng điện từ họ đặc tính truyền đạt

Từ đặc tính vào có thể tính được trở kháng vào:

Như ta đã biết để điều chỉnh được động cơ điện thì ta phải chọn mạch lực

để điều khiển động cơ Tùy thuộc vào yêu cầu điều chỉnh, công suất động cơ mà tađưa ra phương án chọn mạch lực điều khiển động cơ hợp lý, tối ưu với yêu cầu đề

ra Sau đây chúng em giới thiệu một số mạch chỉn lưu cầu 1 pha điều chỉnh động

cơ điện 1 chiều dùng Thyristor như sau:

2.1 Phân biệt sơ đồ mạch chỉnh lưu, luật đóng mở van

2.1.1 Các ứng dụng và phân loại các sơ đồ chỉnh lưu

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện một chiều cung cấp cho nhiều laọi phụ tải một chiều khác nhau.

Một số thiết bị điện hoặc các quy trình công nghệ yêu cầu nguồn điện mộtchiều sau đây:

Các động cơ điện một chiều

GVHD: ĐỖ THÀNH HIẾU 27 SVTH: NHÓM

Hệ thống cung cấp kích từ cho các máy điện đồng bộ, máy phát hoặc động cơ.

Các quá trình công nghệ mạ điện, xử lý hoá học bề mặt…

Các hệ thống nạp điện cho ăcquy

Các bộ nguồn một chiều cho các thiết bị điều khiển, viễn thông

Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau:

- Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: một pha, hai pha, ba pha, sáupha …

- Phân loại theo loại van bán dẫn trong mạch van:

Mạch van dùng toàn điôt, gọi là chỉnh lưu không điều khiển

Mạch van dùng toàn thyristor, gọi là chỉnh lưu điều khiển

Mạch chỉnh lưu dùng cả hai loại điôt và thyristor, gọi chỉnh lưu bán điềukhiển

- Phân loại theo sơ đồ mắc các van với nhau Có hai kiểu mắc van:

Sơ đồ hình tia: Số lượng van bằng số pha nguồn cấp cho mạch van Tất cả cácvan đấu chung một đầu nào đó với nhau - hoặc catôt chung - hoặc anot chung

Sơ đồ hình cầu: Số lượng van nhiều gấp đôi số van của nguồn cấp cho mạchvan Trong đó một nửa van mắc chung catôt, nửa kia lại mắc chung anôt

Phô t¶i mét chiÒu

Hình 2.1 Cấu trúc của sơ đồ chỉnh lưu

Cấu trúc chung của một sơ đồ chỉnh lưu bao gồm các thành phần chính sauđây:

1 MBA: Máy biến áp dùng để phối hợp điện áp giữa lưới điện và điện áp ở đầuvào của chỉnh lưu MBA là thành phần bắt buộc với các sơ đồ chỉnh lưu hình tianhưng không bắt buộc đối các sơ đồ hình cầu

2 CL: Sơ đồ van chỉnh lưu bao gồm các van bán dẫn được nối theo sơ đồ cầuhoặc sơ đồ hình tia, thực hiện chức năng biến đổi điện áp xoay chiều thành điện ápmột chiều

3 Khâu lọc: Gồm các phần tử phản kháng như cuộn cảm, tụ điện có chức năngsan bằng điện áp chỉnh lưu, giảm thành phần đập mạch của điện áp ra một chiều đếnmức độ cho phép Trong nhiều ứng dụng, nhất là với công suất lớn, bản thân phụ tải

đã có tính chất lọc nên khâu lọc không nhất thiết phải có

4 Mạch đo lường: Gồm các khâu tạo ra tín hiệu về dòng điện, điện áp phục vụcho chức năng về điều chỉnh, các chức năng theo dõi, hiển thị và bảo vệ cả hệ thống

5 Mạch điều khiển: Đây là khâu quan trọng trong sơ đồ chỉnh lưu Mạch điềukhiển có nhiệm vụ tạo ra các xung điều khiển với góc pha điều khiển điều chỉnhđược, đồng pha với điện áp lưới xoay chiều, đưa đến cực điều khiển thyristor trongcác khoảng thời gian mà điện áp anôt – catôt trên van dương Mạch điều khiển phải

có khả năng thay đổi góc điều khiển trong toàn bộ dải điều chỉnh, về lý thuyết là từ 00đến 1800, qua đó điều chỉnh được điện áp chỉnh lưu trong toàn bộ dải yêu cầu

GVHD: ĐỖ THÀNH HIẾU 29 SVTH: NHÓM

2.1.3 Các tham số cơ bản của mạch chỉnh lưu

Các tham số này dùng để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật trong phân tích hoặcthiết kế mạch chỉnh lưu, gồm ba nhóm tham số chính sau:

Itbv – giá trị trung bình của dòng điện chảy qua một van của mạch van

Ung.max - điện áp ngược cực đại mà van phải chịu được khi làm việc

Đây là hai tham số giúp việc lựa chọn van phù hợp để không hỏng khi hoạtđộng trong mạch

S2 = ∑

i=1

n

U 2 i .Ι 2i

Ở đây, các giá trị U1, I1, U2i, I2i là trị số hiệu dụng của điện áp và dòng điện phía

sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp Do phía thứ cấp có thể có nhiều cuộn dây, nênphải tổng cộng công suất của tất cả m cuộn dây

Để đánh giá khả năng biến đổi công suất xoay chiều thành một chiều, côngsuất lấy từ lưới điện Sba được so sánh với công suất một chiều Pd mà tải nhận đượcqua hệ số sơ đồ ksd Hệ số này càng gần 1 càng chứng tỏ mạch có hiệu suất biến đổitốt hơn

Ngoài nhóm ba tham số trên còn có một tham số dùng để đánh giá sự bằngphẳng của điện áp một chiều nhận được, gọi là hệ số đập mạch kđm, được xác địnhtheo biểu thức:

a Nhóm van mắc catôt chung

Van có khả năng dẫn là van có điện thế anôt dương nhất trong nhóm, tuy nhiên

nó chỉ dẫn được nếu điện thế anôt này dương hơn điện thế ở điểm catôt chung ϕ ΚCC .

Như vậy các van còn lại sẽ phải khoá, không dẫn được

b Nhóm van mắc anôt chung

Van có khả năng dẫn là van có điện thế catôt âm nhất trong nhóm, tuy nhiên nóchỉ dẫn được nếu điện thế catôt này âm hơn điện thế ở điểm anôt chung ϕ ΑCC

2.2 Chọn sơ đồ chỉnh lưu động cơ

2.2.1 Sơ đồ cầu chỉnh lưu 1 pha:

Ưu điểm:

GVHD: ĐỖ THÀNH HIẾU 31 SVTH: NHÓM

i1

i2

itải

- Sơ đồ mạch lực, mạch điều khiển đơn giản

- Không cần sử dụng bộ đổi nguồn 3 pha

- Điện áp ra sau chỉnh lưu tương đối ổn định, có tính liên tục

Nhược điểm:

- Điện áp sau khi chỉnh lưu nhỏ (U1/Ud lớn)

- Sử dụng không hiệu quả công suất MBA

- Sử dụng các mạch chỉnh lưu công suất nhỏ

Trước thời điểm ω t= v1 cặp van T1 và T3 dẫn điện khi đó ta có:

uT2 = uT3 = 0; utải = - u2 ; uT1 = uT4 = u2; iT2 = iT3 = itải ; iT1 = iT4 = 0

Đến thời điểm ω t= v1 cấp xung điều khiển mở cặp van T1 và T4 lúc nàycặp van T1 và T4 sẽ dẫn điện, cặp van T1 và T3 bị phân cực ngược nên không dẫnđiện, khi đó ta có: uT1 = uT4 = 0; utải = u2; uT2 = uT3 = - u2; iT1= iT4= itải; iT2 = iT3 = 0

Đến thời điểm ω t = , u2 = 0 có xu hướng âm dần và - u2 = 0 có xu hướngdương dần Tuy nhiên điện áp nguồn lúc này tác động ngược chiều với chiều dẫndòng của dòng điện qua tải, cho nên suất điện động cảm ứng do Ld tạo ra cho cặpvan T1 và T4 tiếp tục dẫn điện, còn cặp van T1 và T3 chưa dẫn do chưa có xungđiều khiển kích mở Lúc này ta có:

uT1= uT4= 0; utải = u2 < 0; uT2 = uT3 = - u2 > 0; iT1 = iT4= itải; iT2 = iT3= 0

GVHD: ĐỖ THÀNH HIẾU 32 SVTH: NHÓM

­­­0 Iđk utải

­­0

­­uT1 (uT4)

­­­­0

­­uT2 (uT3)

iT4= 0

Đến thời điểm ω t =2, u2= 0 và có xu hướng dương dần, còn - u2 = 0 có

xu hướng âm dần, tuy nhiên cặp van T2 và T3 sẽ tiếp tục dẫn do suất điện động củacuộn cảm tải tạo ra để chống lại sự biến thiên của dòng điện Cặp van T1 và T4

chưa dẫn điện do chưa có xung điều khiển kích mở ta có:

uT2= uT3 = 0; uT1 = uT4= u2 > 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1= iT4= 0

Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự như trên

c Giản đồ dòng điện, điện áp:

uT(thuận) = uT(ngược) = √2 U2

GVHD: ĐỖ THÀNH HIẾU 33 SVTH: NHÓM