ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ THUẬT ĐIỆN THIẾT KẾ LẮP ĐẶT HỆ KÍN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC

Thật vậy động cơ điện một chiều cho ta khả năng điều chỉnh tốc độ một cách đều đặn và liên tục trong một phạm vi rộng, tạo ra moment khởi động lớn, chính vì vậy nó được dùng để chế tạo đ

MỤC LỤC

Phiếu đăng ký đề tài tốt nghiệp

Phiếu nhận xét và đánh giá của giáo viên hướng dẫn

Phiếu nhận xét và đánh giá của giáo viên phản biện

Lời cảm ơn

Lời nói đầu

Trang

2.1 Cấu tạo của máy điện một chiều……… 4

2.1.1 Phần tĩnh hay stato ……… 4

2.1.1.1 Cực từ chính………4

2.1.1.2 Cực từ phụ………4

2.1.1.3 Gông từ………… ……….… .……… 4

2.1.1.4 Các bộ phận khác ……… ……….4

2.1.2 Phần quay hay roto ……… ……….5

2.1.2.1 Lõi sắt phần ứng……… ……… 5

2.1.2.2 Dây quấn phần ứng……… ………5

2.1.2.3 Cổ góp ………5

2.1.2.4 Các bộ phận khác………5

2.2 Các trị số định mức……… 6

2.3 Các phương pháp kích từ động cơ điện một chiều……… ……6

2.3.1 Động cơ điện một chiều kích từ song song và độc lập……… ……6

2.3.2 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp ……… ……….7

2.3.3 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp……… ………….8

CHƯƠNG III CÁC BỘ CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN 10 3.1 Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển……… ……… 10

3.2 Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn……… 11

3.3 Chỉnh lưu tia ba pha điều khiển……… ……… ……… ….13

3.4 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển… ……….14

3.5 Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều hiển……… 16

4.1 Khái niệm ……… ………18

4.2 Nguyên lý hoạt động của bộ băm xung áp một chiều………18

4.2.1 Bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp ……… …18

4.2.1.1 Trị số trung bình của điện áp trên tải Utb ……… ……18

4.2.1.2 Sơ đồ thực tế của bộ băm xung áp dùng tiristor hoặc transistor 19

4.2.1.3 Dòng điện qua phụ tải i khi bộ băm làm hoạt động ở chế độ giảm

áp………21

4.2.2 Bộ băm xung áp một chiều làm việc ở chế độ tăng áp ……… …25

CHƯƠNG V ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 27 5.1 Đặc tính cơ và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một hiều…… …………27

5.2 Động cơ điện kích từ song song hoặc độc lập……… ………28

5.2.1 Diều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Φ……… …29

5.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng ………30

5.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp ………… ………30

5.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp ……… 32

5.3.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Φ ……….33

5.3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng .34

5.3.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp……….34

5.4 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp……… 34

CHƯƠNG VI GIỚI THIỆU LINH KIỆN CÔNG SUẤT 36 6.1 Diode công suất……… 36

6.1.1 Cấu tạo ……… ………36

6.1.2 Nguyên lý hoạt động ………37

6.1.3 Ứng dụng……….39

6.2 Transistor công suất ……… ………39

6.2.1 Cấu tạo ……… ……… …………39

6.2.2 Nguyên lý hoạt động ……… ……… ………….41

6.2.3 Ứng dụng của transistor công suất……… …43

6.3 Transistor Mos công suất ……… … 43

6.4 Tiristor……… ……….44

6.4.1 Cấu tạo ……… … ………44

6.4.2 Nguyên lý hoạt động………… ……….………45

6.4.3 Ứng dụng ……… ……… ………… 46

6.5 Op-amp……… ………47

6.5.2 Sơ đồ khối của mạch op-amp……… ……… … 47

6.5.3 Các thông số của op-amp……… ………….48

CHƯƠNG VII HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 50 7.1 Yêu cầu điều khiển tốc độ ……….50

7.1.1 Phạm vi điều tốc ……… ………50

7.1.2 Hệ số trượt tĩnh ……… ……… 50

7.2 Cấu tạo hệ thống điều tốc mạch vòng kín và đặc tính tĩnh của nó………….52

7.3 So sánh đặc tính cơ hệ thống hở và kín……… 54

7.4 Các bộ phận chủ yếu của hệ thống điều tốc có phản hồi và tính toán thiết kế các tham số ở trạng thái ổn định……… 55

7.4.1.Bộ khuếch đại thuật toán ……… ……… ………55

7.4.2 Thiết bị chỉnh lưu và phát xung tiristor bán dẫn ………56

CHƯƠNG VIII THIẾT KẾ - THI CÔNG MÔ HÌNH 57 8.1 Hướng thiết kế ……… ………57

8.1.1 Xử lý tín hiệu……… ……… ………57

8.1.2 Mạch tạo xung thay đổi theo tốc độ động cơ……… 59

8.1.3 Mạch tạo xung chuẩn……… ……… 60

8.1.4 Mạch so sánh độ rộng xung……….60

8.1.5 Bộ phận điều khiển ……….61

8.1.6 Bộ phận chấp hành……… ………62

8.2 Các bộ nguồn ……… ………62

8.3 Mạch hoàn chỉnh………64

8.4 Lựa chọn các linh kiện……… ………65

8.5 Tiến hành lắp ráp mạch ……… …………65

CHƯƠNG IX KẾT QUẢ - THẢO LUẬN - ĐÁNH GIÁ 66 9.1 Kết quả ………66

9.1.1 Khó khăn ………66

9.1.2 Thuận lợi……… ……… 66

9.2 Thảo luận……… ……….66

9.3 Đánh giá……… ……….66

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Ngày nay trong kỹ thuật điện chủ yếu người ta sử dụng dòng điện xoay chiều nhưng dòng điện một chiều cũng được sử dụng rộng rãi vì dòng điện một chiều có những ưu điểm mà khi giải quyết các nhiệm vụ thực tế các dòng điện khác không thể thay thế đựợc Thật vậy động cơ điện một chiều cho ta khả năng điều chỉnh tốc

độ một cách đều đặn và liên tục trong một phạm vi rộng, tạo ra moment khởi động lớn, chính vì vậy nó được dùng để chế tạo đầu máy kéo của các phương tiện giao thông bằng điện như tàu điện, tầu hỏa chạy điện, xe điện bánh hơi, tàu điện ngầm… Dòng điện một chiều cũng còn đựơc sử dụng trong việc điện phân, mạ điện, đúc điện, trong việc điều chỉnh tự động, khống chế và điều khiển… Máy điện một chiều còn đựơc sử dụng trong ô tô, tàu thủy, máy bay, tên lửa…

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp là phương pháp chủ yếu được dùng của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, điều chỉnh điện áp đầu vào mạch roto đòi hỏi một nguồn điện một chiều phải điều khiển đựợc Có ba loại nguồn điện thường dùng như sau:

(1) Tổ máy chỉnh lưu kiểu quay: Dùng một tổ máy gồm động cơ điện xoay chiều và máy phát điện một chiều để tạo ra nguồn điện một chiều điều khiển đựơc (2) Bộ chỉnh lưu tĩnh điều khiển được: Dùng bộ chỉnh lưu điều khiển tĩnh, ví dụ như bộ chỉnh lưu tyristo để tạo ra nguồn điện một chiều điều khiển được

(3) Bộ phát xung một chiều hoặc bộ biến đổi độ rộng xung: Dùng nguồn điện một chiều điều khiển đựơc hoặc dùng nguồn điện chỉnh lưu không điều khiển đựợc

để cấp điện, lợi dụng bộ phát xung hoặc bộ biến đổi độ rộng xung để tạo ra điện áp trung bình điều khiển đựợc

Tuy nhiên trong khuôn khổ luận văn này xin được nghiên cứu đề tài chính là hệ

thống “Bộ chỉnh lưu tyristo - động cơ (hệ thốngV-M)“

Năm 1957, bóng bán dẫn tyristo (thường gọi là linh kiện chỉnh lưu silic điều khiển) ra đời, đến thập kỷ 60, đã chế tạo được hàng loạt thiết bị chỉnh lưu tyristo dẫn tới sự biến đổi căn bản về kỹ thuật nắn dòng, mở đầu bước vào thời đại bán dẫn tyristo Đến nay hệ thống điều chỉnh tốc độ tyristo - động cơ (gọi tắt là hệ thống V-

M, hay còn gọi là hệ thống Ward – Leonard tĩnh) đã trở thành hình thức chủ yếu của hệ điều tốc một chiều

Hình 1.1

Hình 1.1 là sơ đồ nguyên lý đơn giản của hệ thống V- M, trong đó V là bộ chỉnh lưu tyristo điều khiển, nó có thể là dạng một pha, ba pha, hoặc nhiều pha hơn, dạng nửa chu kỳ hoặc dạng toàn chu kỳ, dạng điều khiển bán phần hoặc điều khiển toàn phần, thông qua điều chỉnh điện áp khống chế của bộ phát xung GT để di trượt

vị trí phát xung, là có thể thay đổi điện áp chỉnh lưu Ud, từ đó tiến hành điều chỉnh tốc độ vô cấp (không có bước nhảy) So sánh với thiết bị chỉnh lưu kiểu tổ máy quay thì thiết bị chỉnh lưu tyristo điều khiển không những có tính kinh tế và độ tin cậy cao, mà còn thể hiện rõ tính ưu việt về mặt kỹ thuật

Hình 1.2

Bộ chỉnh lưu tyristo điều khiển cũng có nhược điểm của nó Đầu tiên là do tính dẫn điện một chiều của bán dẫn tyristo, nó không cho phép dòng điện chạy ngược chiều nên việc vận hành đảo chiều gặp khó khăn Vì hệ thống V- M cấu thành từ

mạch điện chỉnh lưu điều khiển bán phần chỉ cho phép vận hành trong một góc tọa

độ (hình 1.2 a), mạch điện chỉnh lưu điều khiển toàn phần có thể thực hiện nhờ nghịch lưu, cho phép động cơ làm việc ở trạng thái phanh đảo chiều, vì thế có thể cho phép vận hành ở góc tọa độ thứ hai (hình 1.2 b) Lúc bắt buộc phải vận hành ở

cả bốn góc tọa độ (hình 1.2 c) đành phải sử dụng mạch điện chỉnh lưu khống chế toàn phần, thiết bị biến dòng kèm theo phải tăng gấp đôi

Một nhược điểm khác của bán dẫn tyristo là các chi tiết đều rất nhạy cảm với trị

số quá định mức của các đại lượng như điện áp, dòng điện, tỷ số du/dt, di/dt, mà bất

kỳ trị số nào trong số đó nếu vượt quá trị số cho phép trong khoảng thời gian ngắn đều có thể làm hỏng linh kiện, thiết bị Vì vậy bắt buộc phải có đủ thiết bị bảo vệ tin cậy và có điều kiện tản nhiệt phù hợp yêu cầu; hơn nữa, khi tuyển chọn linh kiện cần phải có lượng dư đủ lớn Chỉ cần chất lượng linh kiện “ qua cửa kiểm tra chất lượng “, trang thiết bị thiết kế phù hợp, trang bị bảo vệ đầy đủ thì việc vận hành thiết bị bán dẫn tyristo sẽ rất tin cậy; nếu không được như thế ắt sẽ xảy ra sự cố, làm cho việc vận hành càng thêm rất rối

Điều cuối cùng là, khi hệ thống ở vào trạng thái điều khiển sâu, tức là khi vận hành ở vận tốc tương đối thấp, góc mở của tyristo rất lớn, hệ số công suất của hệ thống rất thấp, đồng thời sinh ra dòng điện hài cao tần làm cho sóng điện áp mạng điện bị biến dị, làm nhiễu các thiết bị điện liền kề Nếu thiết bị điều khiển tốc độ bán dẫn tyristo có dung lượng khá lớn trong mạng điện thì sinh ra tổn hao công suất không nhỏ Trong trường hợp đó buộc phải lắp đặt thêm thiết bị bù vô công và lọc sóng hài

CHƯƠNG II ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 2.1 Cấu tạo của máy điện một chiều

2.1.1 Phần tĩnh hay stato

2.1.1.1 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 hay thép cácbon dày 0,5 mm đến 1 mm ép lại và tán chặt Trong máy điện nhỏ

có thể dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông Dây quấn kích từ đựợc quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này được nối mối nối tiếp nhau

2.1.1.2 Cực từ phụ

Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông

2.1.1.3 Gông từ

Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trong máy điện nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc, có khi trong máy điện nhỏ dùng gang làm vỏ

2.1.1.4 Các bộ phận khác

Các bộ phận khác gồm có:

- Nắp máy: để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện Trong máy điện nhỏ và vừa, nắp máy còn có tác dụng làm giá đở ổ bi Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang

- Cấu tạo 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 xò tì chặt lên cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá Giá chổi than có

thể quay đựợc để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định chặt lại

2.1.2 Phần quay hay roto

2.1.2.1 Lõi sắt phần ứng

Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện (thép hợp kim silic) dày 0,5 mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào

Trong những máy cở trung trở lên, người ta còn dập lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục

Trong những máy điện hơi lớn thì lõi sắt thường chia rãnh từng đoạn nhỏ Giữa các đoạn ấy có một khe hở gọi là khe thông gió ngang trục Khi máy làm việc gió thổi qua các khe làm nguội dây quấn lõi sắt

Trong máy điện nhỏ, lõi sắt phần ứng đựơc ép trực tiếp vào trục trong máy điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá roto Dùng giá roto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng roto

2.1.2.2 Dây quấn phần ứng

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ (công suất dưới vài kilôoát) thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máy điện vừa và lớn, thường dùng dây tiết diện chữ nhật Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép

Để tránh khi quay bị văng ra do sức ly tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải đai chặt dây quấn Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakêlít

2.1.2.4 Các bộ phận khác

Các bộ phận khác gồm có:

- Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy Máy điện một chiều thường chế tạo theo kiểu bảo vệ Ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió, cánh quạt lắp trên trục máy Khi máy quay, cánh quạt hút gió từ ngoài vào máy Gió đi qua vành góp, cực

từ, lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài 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 cácbon tốt

2.2 Các trị số định mức

Chế độ làm việc định mức của máy điện là chế độ làm việc trong những điều kiện mà xưởng chế tạo qui định Chế độ đó đựơc đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy và gọi là những lượng định mức Trên nhãn máy thường ghi những đại lượng sau:

Công suất định mức Pđm (kw hay w);

2.3 Các phương pháp kích từ động cơ điện một chiều

2.3.1 Động cơ điện một chiều kích từ song song và độc lập

Động cơ điện một chiều kích từ song song được mắc theo sơ đồ hình 2.1, ở đây Rmở là điện trở mở máy, Rđc là điện trở điều chỉnh của cuộn dây kích từ Nếu các cuộn dây kích từ và điện trở điều chỉnh được mắc với nguồn ngoài thì ta có động cơ điện kích từ độc lập

u

Một trong các đặc tính quan trọng của động cơ là đặc tính cơ học, nó cho biết mối quan hệ giữa tốc độ quay n và moment quay điện từ Mdt của động cơ khi giữ điện áp và điện trở mạch kích không đổi Đường đặc trưng này được xác định bằng thực nghiệm

Quan hệ giữa tốc độ quay n và moment quay Mdt có thể tìm được từ công thức:

dt

Ck

R C

U

Φ

− Φ

Ở động cơ điện kích từ song song hay kích từ độc lập từ thông Φ coi như không đổi khi phụ tải thay đổi nên moment quay tỷ lệ với dòng điện phần ứng, do

đó mối quan hệ n – Mdt là quan hệ đường thẳng Tuy vậy khi phụ tải tăng và mạch

từ đã bão hòa từ do tác dụng của phản ứng phần ứng nên từ thông Φ trong thực tế

có bị giảm đi ít nhiều do đó đường đặc tính cơ của động cơ có dạng như ở hình 2.2 (đường 1) Tốc độ quay của động cơ kích từ song song hay độc lập có thể điều chỉnh một cách tốt nhất bằng cách điều chỉnh điện trở điều chỉnh Rdc để thay đổi từ thông Φ của máy Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ quay của động cơ một cách bằng phẳng trong phạm vi rộng

Hình 2.2

Chú ý: đối với động cơ kích từ độc lập hay song song khi chạy non tải hay

chạy không, nếu mạch kích từ bị đứt thì rất nguy hiểm vì khi đó từ thông Φ trong máy rất nhỏ (chỉ do từ dư của máy tạo ra) động cơ sẽ đạt đến tốc độ quay rất lớn có thể phá hỏng máy

2.3.2 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Ở động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp cuộn dây kích từ được ghép nối

thay đổi phụ tải và cuộn dây kích từ của máy thường có điện trở nhỏ, có ít vòng và tiết diện dây lớn Đối với loại động cơ này ta có:

Ở đây Rkt là điện trở cuộn dây kích từ Trên hình 2.4 là đường đặc trưng tốc

độ quay của động cơ kích từ nối tiếp Ta thấy rằng tốc độ quay của động cơ phụ thuộc rất mạnh vào phụ tải Khi tăng phụ tải độ sụt áp trên điện trở của các cuộn dây

I + tăng lên, đồng thời từ thông của máy cũng tăng do đó làm giảm rõ rệt tốc độ quay của động cơ Đó chính là đặc điểm của động cơ kích từ nối tiếp Loại động cơ này mang phụ tải nhỏ (bé hơn 25 % phụ tải định mức) hay chạy không là rất nguy hiểm vì nó sẽ đạt đến tốc độ rất lớn và bị phá hủy do lực quán tính li tâm

Người ta có thể điều chỉnh tốc độ quay của loại động cơ này bằng cách thay đổi từ thông trong máy hoặc biến đổi điện áp đặt vào động cơ

Hình 2.3 Hình 2 4

2.3.3 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

Trên hình 2.5 là sơ đồ cách mắc động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp Trên mỗi cực từ của đông cơ có các cuộn dây kích từ song song và nối tiếp Các cuộn dây này được mắc như thế nào để từ thông của chúng có thể tăng cường lẫn nhau hay khử nhau Phương trình vận tốc quay và moment quay của động cơ được biểu diễn như sau:

u u C

R I U n

Φ

± Φ

−

=

u kI

uI

n

M ,

M

n

Hình 2.5

Ở đây Φss là từ thông do cuộn dây kích từ song song tạo ra; Φnt là từ thông

do cuộn dây kích từ nối tiếp tạo ra; dấu (+) khi các từ thông này tăng cường lẫn nhau và dấu (-) trong trường hợp ngược lại

Tùy thuộc vào tỷ số của hai từ thông này mà tính chất của động cơ gần với động cơ kích thích song song hay nối tiếp Nói chung ở động cơ kích từ hổn hợp thì cuộn dây kích từ song song là cuộn dây chính còn cuộn dây kích từ nối tiếp là cuộn dây phụ Nhờ từ thông của cuộn dây kích từ song song mà tốc độ quay của động cơ này không thể tăng quá lớn khi mang phụ tải hay khi chạy không

CHƯƠNG III CÁC BỘ CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN

Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Bộ chỉnh lưu đựơc áp dụng làm nguồn điện áp một chiều; làm nguồn điện một chiều có điều khiển cấp cho cho các thiết bị mạ, thiết bị hàn một chiều; nguồn điện cho các truyền động động cơ điện một chiều; nguồn cung cấp cho mạch kích từ của máy điện một chiều hoặc máy điện đồng bộ Bộ chỉnh lưu còn dùng để chuyển đổi điện xoay chiều thành dạng một chiều để truyền tải đi xa (HVDC) Bộ chỉnh lưu còn tạo thành một bộ phận trong thiết bị biến tần, cycloconverter dùng trong truyền động động cơ điện xoay chiều

Do không có điều kiện nghiên cứu sâu nên trong phạm vi cho phép; trong chương này chỉ đưa ra sơ đồ, dạng sóng và biểu thức của các sơ đồ chỉnh lưu

3.1 Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển:

Sơ đồ mạch và dạng sóng như hình 3.1 Mạch bán điều khiển là trong mạch sử dụng cả diode và tiristor Mạch chỉnh lưu ở đây nhánh trên sử dụng tiristor và diode nhánh dưới, đặc biệt trong mạch có sử dụng một diode nối song song với tải gọi là diode không (hay còn gọi là diode chuyển mạch hoặc diode hoàn năng lượng)

Ở bán kỳ dương T1, D4 dẫn T3, D2 tắt Trên tải có dòng chạy qua

Ở bán kỳ âm T3, D2 dẫn T1, D4 tắt Trên tải có dòng chạy qua

Giá trị điện áp trung bình chỉnh lưu trên tải được tính:

π π

π α

cos 1 sin

U xdx U

Dạng sĩng:

Hình 3.1 b

3.2 Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hồn tồn:

Sơ đồ mạch và dạng sĩng như trên hình 3.2 Mạch cầu sử dụng bốn tiristor được kết nối như hình 3.2 a Để tiristor dẫn khi cĩ áp khĩa đặt trên nĩ đồng thời phải cĩ xung kích vào ngõ điều khiển Ở đây gĩc kích được xác định từ khi cĩ áp khĩa đặt trên tiristor đến khi xuất hiện xung kích

Đối với tải cĩ tính chất điện cảm tương đối lớn thì dịng trên tải là liên tục Theo sơ đồ mạch:

+ Ở bán kỳ dương áp đặt trên T1,T4 dương, sau khoảng gĩc kích α đồng thời vào ngõ điều khiển T1, T4 thì T1,T4 dẫn Do tải cĩ tính chất điện cảm, khi áp nguồn chuyển sang bán kỳ âm T1, T4 vẫn cịn dẫn đến khi chuyển mạch T2, T3 dẫn khi đĩ trên tải cĩ xuất hiện điện áp âm

+ Tương tự bán kỳ âm và sau gĩc kích α thì T2, T3 dẫn ( khi đĩ T1, T4 vừa tắt) và dẫn thêm một đoạn khi nguồn chuyển sang bán kỳ dương

Dòng nguồn xoay chiều

Điện áp dưới của tải so với N

Dòng trên điôt chuyển mạch

Điện áp chỉnh lưu trung bình trên tải được tính:

α π

π

α π α

cos

2 sin

2

m d

U xdx U

U tb

Xung mối cực điều khiển Điện áp tải

Điện áp trên của tải so với N

3.3 Chỉnh lưu tia ba pha điều khiển:

Sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha là sơ đồ cơ bản của nhiều bộ chỉnh lưu nhiều pha Chu kỳ của điện áp chỉnh lưu tức thời của bộ chỉnh lưu nhiều pha nhỏ hơn chu

kỳ của bộ chỉnh lưu một pha Bộ chỉnh lưu hình tia ba pha gồm nguồn ba pha, mỗi pha của nguồn được nối với tải qua một tiristor, các pha lệch nhau một góc 1200 Chỉnh lưu làm việc bằng cách chỉ cho một tiristor dẫn ở mọi thời điểm, là tiristor nối với pha nguồn có trị số tức thời lớn nhất Ví dụ khi u1 là pha có điện áp dương nhất đồng thời có xung kích thì T1 dẫn điện, nhưng khi u2 trở nên dương hơn

u1 dòng điện tải chuyển từ T1 sang T2 Điện áp uT của tiristor trở nên âm ngay sau khi u1 có trị số tức thời nhỏ hơn u2, do đó T1 tắt Do đó sự chuyển mạch chỉ xảy ra khi có áp khóa đặt trên nó và có xung kích đưa vào Giá trị góc kích được xác định khi pha có điện áp dương nhất đến khi có một xung kích vào ngõ điều khiển của tiristor

Lưu ý khoảng thay đổi của góc kích là (0 – 1800) Với tải có tính chất điện cảm và góc kích α > 300 điện áp ra tức thời sẽ âm trong một số khoảng và sẽ ngưng dẫn khi tiristor của pha khác dẫn

Điện áp trung bình chỉnh lưu trên tải được tính:

π π

α π

α

3 3 sin

2

3 6 5

Dạng sóng:

Hình 3.3 b

3.4 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển

Chỉnh lưu cầu ba pha là chỉnh lưu hai nửa chu kỳ Một chỉnh lưu ba pha nửa chu kỳ cung cấp cho tải, dòng điện trở về theo một trong ba dây qua bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ khác Mạch hoạt động ở tại một thời điểm có hai tiristor cùng dẫn Ta phân mạch thành hai nhánh, ở nhánh trên pha nguồn nào có điện áp dương nhất thì tiristor pha đó dẫn khi có xung kích và kết hợp với nhánh dưới pha nguồn nào có điện áp âm nhất thì tiristor pha đó dẫn

Giả sử khi ua là điện áp pha dương nhất T1 dẫn, khi đó ở thời điểm đầu ub là điện áp pha âm nhất T6 dẫn và dẫn tới khi điện áp pha uc âm hơn thì dòng điện trong

T6 được chuyển nạch qua T2

Tương tự cho các chuyển mạch còn lại, ta thấy mỗi tiristor dẫn dòng tải trong một phần ba chu kỳ Điện áp tải có tổng đập mạch bậc sáu và giá trị tức thời cực đại của nó bằng điện áp dây Chú ý là hiện tượng chuyển mạch xảy ra khi có áp khóa đặt trên nó và phải có xung kích

Giống như các bộ chỉnh lưu có điều khiển trước, người ta điều chỉnh điện áp trung bình của tải bằng cách điều chỉnh góc mở α

Với góc kích tương đối lớn thì điện áp trên tải có một số đoạn âm

α α

Điện áp trung bình chỉnh lưu trên tải được tính:

π π

α π

α π

cos 3

3 120

sin sin 2

6

m m

3.5 Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển

Mạch chỉnh lưu sử dụng cả diode và tiristor, nhánh trên dùng tiristor có góc kích điều khiển, nhánh dưới dùng diode Đặc biệt dùng diode không nối đối song với tải làm cho điện áp tải không đổi chiều và sẽ có một số đoạn bằng không khi góc kích tương đối lớn

Nhánh trên chuyển mạch phụ thuộc vào điện áp và xung kích, nhánh dưới thì pha nguồn nào có điện áp âm nhất thì diode trên pha đó dẫn

Điện áp trung bình chỉnh lưu trên tải:

π

α π

π π

α π

π

α π

α π

π

cos 1 2

3 3

120 cos

3 60

cos 3 2

3

2 3

6 5

2

0 0

c a b

a d

U

dx x

U dx

U

dx u u dx u u U

CHƯƠNG V ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 5.1 Đặc tính cơ và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều

Đặc tính cơ n = f(M) của động cơ điện một chiều có thể suy ra từ biểu thức:

Φ

−

= Φ

=

e

u u

R I U C

E n

và vì M= CMIư, biểu thức trên có thể viết dưới dạng :

2

Φ

− Φ

=

e M u

M R C

Sự phối hợp các đặc tính cơ của động cơ điện và của tải còn phải sao cho luôn đảm bảo tính ổn định công tác trong chế độ làm việc xác lập cũng như quá trình quá độ, thí dụ như khi điều chỉnh tốc độ Để nghiên cứu điều kiện làm việc ổn định của hệ truyền động, ta xét đặc tính M = f(n) của động cơ điện và Mc = f(n) của tải trình bày trên hình 5.1

Cũng như vậy, khi xảy ra sự giảm tốc độ đột nhiên Mc < M động cơ điện đựơc gia tốc và đạt tốc độ làm việc Đây là trường hợp động cơ làm việc ổn định và

từ hình vẽ đó ta thấy điều kiện làm việc ổn định của động cơ điện như sau:

dn

dM dn

<

Ngược lại, nếu M = f(n) và Mc = f(n) có dạng như hình 5.1 b thì việc tăng tốc

độ đột nhiên sẽ khiến cho động cơ điện có moment gia tốc dương làm cho tốc độ tiếp tục tăng mãi, hoặc sự giảm tốc độ sẽ đưa lại hậu quả làm cho tốc độ tiếp tục giảm như vậy là truyền động điện làm việc không ổn định ứng với điều kiện:

dn

dM dn

C

≈

η vì sự điều chỉnh dựa trên việc tác dụng lên mạch kích thích

có công suất nhỏ so với công suất động cơ Cần chú ý rằng, bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa (Φ = Φmax) nên chỉ có thể điều chỉnh theo chiều hướng giảm Φ tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức và giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đổi chiều quay của máy

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng Rư chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độ quay định mức và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện Chính vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện

có công suất nhỏ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục

Phương pháp điều chỉnh tốc độ quay bằng cách thay đổi điện áp cũng chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay dưới tốc độ định mức vì không thể nâng cao điện áp hơn điện áp định mức của động cơ điện phương pháp này không gây thêm tổn hao trong động cơ điện, nhưng đòi hỏi phải có nguồn riêng có điện áp điều chỉnh được

Sau đây ta xét đặc tính cơ và cách điều chỉnh tốc độ của từng loại động cơ điện

5.2 Động cơ điện kích từ song song hoặc độc lập

Với những điều kiện U = Cte , It = Cte khi M (hoặc kIư) thay đổi, từ thông

Φcủa động cơ điện cũng hầu như không đổi, nên biểu thức (1) có thể viết dưới dạng:

M R n

n= 0 − u (2)

Hình 5 2

Và đặc tính cơ của động cơ điện kích từ song song là một đường thẳng như trình bày trên hình 5.3 Đường đặc tính cơ đó ứng với trường hợp trên mạch phần ứng không có điện trở phụ và đựơc gọi là đặc tính cơ tự nhiên

Do Rư rất nhỏ, nên khi tải thay đổi từ không đến định mức tốc độ giảm rất ít (khoảng 2- 8% tốc độ định mức) cho nên đặc tính cơ của động cơ điện kích từ song song được dùng trong trường hợp tốc độ hầu như không đổi khi tải thay đổi ( máy cắt kim loại, quạt,…)

5.2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Φ

Nếu tăng điện trở rđc trên mạch kích từ ứng với các trị số khác nhau của điện trở kích thích ta có các đặc tính cơ tương ứng như trình bày trên hình 5.3 Các đường đó có n0 lớn hơn n0đm và có độ nghiêng khác nhau và sẽ giao nhau trên trục hoành tại điểm ứng với dòng điện rất lớn

u u R

U

I = theo điều kiện n = 0 của các biểu thức 1 hoặc 2 Đuờng thấp nhất trên hình ứng với từ thông Φdm Giao điểm của đường moment cản tải Mc = f(n) với các đuờng trên cho biết tốc độ xác lập ứng với các trị số khác nhau của từ thông

Hình 5.3

0

M( Iư )

' 0

n

'' 0

n

'' 0

Do điều kiện đổi chiều, các động cơ thông dụng hiện nay có thể điều chỉnh tốc độ quay bằng phương pháp này trong giơi hạn 1: 2 Cũng có thể sản xuất những động cơ giới hạn điều chỉnh 1: 5 thậm chí đến 1:8 nhưng phải dùng những phương pháp khống chế đặc biệt, do đó cấu tạo và công nghệ chế tạo phức tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên

5.2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ R f trên mạch phần

−

= 0

Hình 5.4

Hình 5.4 trình bày các đặc tính cơ ứng với các trị số khác nhau của Rf trong

đó ứng với Rf = 0 là đặc tính cơ tự nhiên Ta thấy rằng nếu Rf càng lớn đặc tính cơ

sẽ có độ dốc càng cao và do đó càng mềm hơn, nghĩa là tốc độ quay sẽ thay đổi nhiều khi tải thay đổi Cũng như trên, giao điểm của những đường đó với đường M0

= f(n) cho biết trị số tốc độ xác lập khi điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở phụ

Rf

5.2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp

Phương pháp này chỉ áp dụng được với động cơ điện một chiều kích từ đôc lập hoặc động cơ điện kích từ song song làm việc ở chế độ kích từ độc lập Việc cung cấp điện áp có thể điều chỉnh được cho động cơ từ một nguồn độc lập được thực hiện trong kỹ thuật bằng cách ghép thành tổ máy phát – động cơ có sơ đồ nguyên lý trình bày trên hình 5.5 Khi thay đổi U ta có một họ đặc tính cơ có cùng

Nói chung vì không cho phép vượt quá điện áp định mức nên việc điều chỉnh tốc độ trên tốc độ định mức không được áp dụng hoặc chỉ được thực hiện trong một phạm vi rất hẹp Đặc điểm của phương pháp này là lúc điều chỉnh tốc độ, moment không đổi vì Φ và Iư đều không đổi Sở dĩ Iư không đổi là vì khi giảm U, tốc độ n giảm làm E cũng giảm nên:

5.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Ở động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, dòng điện kích từ chính là dòng phần ứng It = Iư = I Vì vậy trong một phạm vi khá rộng có thể biểu thị:

I

kΦ

= ΦTrong đó hệ số tỷ lệ kΦ chỉ là hằng số trong vùng I < 0,8Idm còn khi I > (0,8 – 0,9)Iđm thì hơi giảm xuống do ảnh hưởng bão hòa của mạch từ

Như vậy biểu thức moment sẽ có dạng:

Φ

Φ

= Φ

=

k C I C

U C n

e u

n 2

4 6 M

3

1 2

Trên thực tế do ảnh hưởng của bão hoà khi tải tăng, tốc độ của động cơ giảm

ít hơn theo đường nét đứt trên hình 5.6 Với đặc tính cơ rất mềm như vậy, động cơ điện kích thích nối tiếp rất ưu việt trong những nơi cần điều kiện mở máy nặng nề

và cần tốc độ thay đổi trong một vùng rộng, thí dụ ở các đầu máy kéo tải ( xe điện, metro, máy điện, cần trục…)

5.3.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Φ

Từ thông Φ của động cơ kích từ nối tiếp có thể thay đổi bằng những biện pháp sau đây: mắc shunt dây quấn kích từ; mắc shunt dây quấn phần ứng, theo các

sơ đồ trình bày trên hình 5.8 Hai biện pháp đầu dẫn đến cùng một kết quả Nếu dòng điện kích từ lúc đầu là It = I thì dòng điện kích từ sau khi áp dụng các biện pháp trên sẽ giảm xuống It = kI, trong đó hệ số giảm:

st R R

R k

nếu mắc shunt dây quấn kích từ, trong đó Rst – điện trở của shunt; hoặc :

nếu thay đổi số vòng dây của dây quấn kích thích

Hình 5.8

Như vậy trong công thức của đặc tính cơ (3) hệ số kΦ được thay bằng k kΦ

Rõ ràng là với các phương pháp trên chỉ điều chỉnh được Φ < Φdm và tốc độ sẽ thay đổi được trong vùng trên định mức và đường đặc tính sẽ nằm về phía trên của đặc tính tự nhiên (đường 2 ở hình 5.7)

Nếu dùng biện pháp thứ ba, mắc shunt phần ứng, thì điện trở tổng của toàn mạch sẽ bé đi, dòng điện I=It và từ thông Φ tăng lên và tốc độ quay giảm xuống Như vậy phương pháp này chỉ điều chỉnh được tốc độ dưới vùng định mức và đường đặc tính cơ tương ứng nằm ở phía dưới của đặc tính cơ tự nhiên (đường 3 trên hình 5.7)

5.3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở vào mạch phần ứng

Sơ đồ trên hình 5.8 chỉ điều chỉnh được tốc độ dưới tốc độ định mức và kèm theo tổn hao trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ, nên cũng ít được ứng dụng Đặc tính cơ ứng với trường hợp này được trình bày trên hình 5.7 đường 4

và 5

5.3.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp

Phương pháp này chỉ điều chỉnh đuợc tốc độ dưới tốc độ định mức vì không cho phép tăng điện áp quá định mức nhưng lại giữ được hiệu suất cao do không gây thêm tổn hao khi điều chỉnh Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong giao thông vận tải và được thực hiện bằng cách đổi nối song song thành nối tiếp hai động

cơ Như vậy khi làm việc song song, các động cơ sẽ làm việc ở điện áp U = Uđm và sau khi đổi nối thành nối tiếp – với điện áp U U dm

2

1

= Đặc tính cơ của động cơ điện trong trường hợp này có dạng của đường 6 trên bình 5- 7

5.4 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp có thể đựợc chế tạo sao cho tác dụng của các dây quấn kích thích song song và nối tiếp hoặc bù nhau hoặc ngược nhau; song trên thực tế người ta chỉ sử dụng loại động cơ điện kích từ hỗn hợp bù vì động cơ điện kích từ hỗn hợp ngược không đảm bảo được điều kiện làm việc ổn định Động cơ điện kích từ hỗn hợp bù có đặc tính cơ mang tính chất trung gian giữa hai loại động cơ kích thích song song và kích thích nối tiếp Khi tải tăng từ thông Φ tăng, do đó đặc tính cơ của động cơ điện kích từ hỗn hợp bù mềm hơn so với đặc tính cơ của động cơ điện kích từ song song Tuy nhiên mức độ tăng của Φkhông mạnh như ở trường hợp động cơ điện kích từ nối tiếp cho nên đặc tính cơ của động cơ điện kích từ hốn hợp bù cứng hơn so với đặc tính cơ của động cơ điện kích

từ nối tiếp Để tiện so sánh, đặc tính cơ của các loại động cơ nói trên được trình bày trên hình 5.9 trong đó đường 1 - ứng với kích từ hỗn hợp bù, đường 2 – hỗn hợp ngược, đường 3 – kích từ song song và đuờng 4 –kích từ nối tiếp

Hình 5.9

Tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp được điều chỉnh như ở trường hợp động cơ kích từ song song dù rằng về nguyên tắc có thể áp dụng những phương pháp điều chỉnh tốc độ dùng cho động cơ điện kích từ nối tiếp

Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp được dùng trong những nơi cần các điều kiện moment mở máy lớn, gia tốc quay khi mở máy lớn, tốc độ biến đổi theo tải trong một vùng rộng như trong máy ép (nén), máy bào, máy in, máy cán thép, máy nâng tải…

2

1 4 3 n

CHƯƠNG VI GIỚI THIỆU LINH KIỆN CÔNG SUẤT 6.1 Diode công suất

6.1.1 Cấu tạo

Hình 6.1 a) Cấu tạo của diode

b) Ký hiệu của diode

Diode công suất là linh kiện bán dẫn có hai cực, được cấu tạo bởi một lớp bán dẫn N và một lớp bán dẫn P ghép lại

Silic là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn Silic có 4 điện tử thuộc lớp ngoài cùng trong cấu trúc nguyên tử Nếu ta kết hợp thêm vào một nguyên tố thuộc nhóm V mà lớp ngoài cùng có 5 điện tử thì 4 điện tử của nguyên tố này tham gia liên kết với 4 điện tử tự do của Silic và xuất hiện một điện tử tự do Trong cấu trúc tinh thể, các điện tử tự do làm tăng tính dẫn điện Do điện tử có điện tích âm nên chất này được gọi là chất bán dẫn loại N (negative), có nghĩa là âm Nếu thêm vào Silic một nguyên tố thuộc nhóm III mà có

3 nguyên tử thuộc nhóm ngoài cùng thì xuất hiện một lổ trống trong cấu trúc tinh thể Lỗ trống này có thể nhận 1 điện tử, tạo nên điện tích dương và làm tăng tính dẫn điện Chất này được gọi là chất bán dẫn loại P (positive), có nghĩa là dương

Trong chất bán dẫn loại N điện tử là hạt mang điện đa số, lỗ trống là thiểu số Với chất bán dẫn loại P thì ngược lại

Ở giữa hai lớp bán dẫn là mặt ghép P - N Tại đây xảy ra hiện tượng khuếch tán các lỗ trống của bán dẫn loại P tràn sang N là nơi có ít lỗ trống Các điện tử của