chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập

Phần I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNHĐiều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thayđổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trởphụ, thay đổi từ thông

Phần I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thayđổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trởphụ, thay đổi từ thông… Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có nhữngtốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu Có hai phương pháp để điềuchỉnh tốc độ động cơ:

− Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ sốtruyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản suất

giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh Vìvậy, ta khảo sát sự điều chỉnh tốc độ theo phương pháp thứ hai

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

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều cónhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác Không những nó có khảnăng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điềukhiển đơn giản hơn, đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trongdãy điều chỉnh tốc độ rộng

chỉnh tốc độ:

Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ývà căn cứ vào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thốngtruyền động điện:

a) Hướng điều chỉnh tốc độ:

Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độlớn hơn hay bé hơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơđiện trên đường đặc tính 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 vàtốc độ bé nhất nmin mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tảilà định mức: D = nmax/nmin

Trong đó:

- nmax: được giới hạn bởi độ bền cơ học

thường người ta chọn nmin làm đơn vị

Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêucầu của từng hệ thống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh

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

Độ cứng: β = ∆M/∆n Khi β càng lớn tức ∆M càng lớn và ∆n nhỏnghĩa là độ ổn định tốc độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều Phươngpháp điều chỉnh tốc độ tốt nhất là phương pháp mà giữ nguyên hoặc

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 tụckhi điều chỉnh tốc độ γ được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kềnhau:

γ = ni/ni+1

trong đó:

- ni: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i

- ni + 1: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 )

Với ni và ni + 1 đều lấy tại một giá trị mômen nào đó

liên tục Lúc này hai cấp tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còngọi là điều chỉnh tốc độ vô cấp

γ ≠ 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

∆Pphuï 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 caonhất là một hệ thống điều chỉnh phải thỏa mãn tối đa các yêu cầu kỹthuật của hệ thống Đồng thời hệ thống phải có giá thành thấp nhất, chiphí bảo quản vận hành thấp nhất, sử dụng thiết bị phổ thông nhất vàcác thiết bị máy móc có thể lắp ráp lẫn cho nhau

Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện ápkhông đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng,lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ song song

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạchđiện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lậpvới nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập.

Theo sơ đồ trên có thể viết phương trình cân bằng điện áp củamạch phần ứng như sau:

Eư _ sức điện động phần ứng.(V)

Rư _ điện trở của mạch phần ứng.(Ω)

Rt _ điện trở phụ trong mạch phần ứng.(Ω)

Iư _ dòng điện mạch phần ứng.(A)Với Rư = rư + rcf + ri + rct

rư _ điện trở cuộn dây phần ứng

rcf _ điện trở cuộn cực từ phụ

rb _ điện trở cuộn bù

rct _ điện trở tiếp xúc của chổi điện

thức:

ωΦ

=ωΦπ

a2

pN

trong đó:

p _ số đôi cực từ chính,

N _ số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a _ số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phầnứng,

Φ_ từ thông kích từ dưới một cực từ, Wb

ω _ tốc độ góc, rad/s

I I I Mâm Mnm M

a2

pNK

π

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vong/phút) thì

nK

a60

pN

a60

pN

K105.055.9

Φ

+

−Φ

=

đây là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi:

U

Φ

+

−Φ

U

2fư ư

Φ

+

−Φ

Đặc tính cơ điện của động cơ điện Đặc tính cơ của động cơđiện

RR

ω

∆

−ω

=Φ

−Φ

=

K

RK

U

(1-11)

( )Φ =ω −∆ω

−Φ

=

K

RK

U

(1-12)trong đó:

Φ

=ω+

=

K

U

RR

o f ư

( )K .M

RI

K

R

2 ư

Φ

=Φ

=ω

∆ω

∆ được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M

Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vịtương đối, với điều kiện từ thông là định mức (Φ=Φđm),

trong đó

cb đm

đm

RR

,M

MM

,I

II

Từ phương trình đặc tính cơ (1-7) ta thấy có ba tham số ảnh hưởngđến đặc tính cơ: từ thông động cơ Φ, điện áp phần ứng Uư và điện trởphần ứng động cơ Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số đó.

Giả thiết Uư = Uđm = const và Φ=Φđm =const

Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ

Rt vào mạch phần ứng

Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng:

constK

RR

KM

f ư

2

đm =+

Φ

−

=ω

∆

∆

=β

Khi Rt càng lớn, β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc Ứngvới Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên:

ư

2 đm

Giả thiết từ thông Φ=Φđm =const, điện trở phần ứng Rư = const.Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm , ta có:

ω01ω02ω03ω04ω

Hình vẽ: Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi

giảm áp đặt vào phần ứng động cơ

Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm =const Điện trở phần ứng Rư

cơ

Trong trường hợp này:

Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:

ư

đm

nm = =

Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thôngđược biểu diễn như hình vẽ:

Hình vẽ: Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện

một chiều kích từ độc lập

Với dạng mômen của phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc củađộng cơ thì khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên

khác, không những có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúcmạch điều khiển đơn giản

phương pháp:

chỉnh điện áp trên phần ứng thì mômen sẽ thay đổi Do đó đó tốc độ sẽthay đổi

nguồn điện áp như máy phát 1 chiều, bộ biến đổi van hay khuếch đại từ

lưới thành dòng 1 chiều và điều chỉnh giá trị suất điện động Eb của nótheo yêu cầu về các chỉ tiêu kĩ thuật và năng lượng, phương pháp điềuáp được đánh giá tốt Trước hết nó là phương pháp điều chỉnh triệt để,nghĩa là nó có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào, kể cả khikhông tải lý tưởng Phương pháp này đảm bảo được sai số tốc độ nhỏ,khả năng quá tải lớn, dải điều chỉnh rộng và tổn năng lượng ít

của bộ biến đổi và mạch có công suất nhỏ nên tính điều khiển cao, thaotác nhẹ nhàng và có khả năng cải thiện hệ thành tự động vòng kín

− Nhược điểm lớn nhất của phương pháp điều áp là phải dùngbộ biến đổi điều khiển khá phức tạp nên vốn đầu tư cơ bản cao và vậnhành phí cao.

ra cho máy sản xuất một năng suất cao, đồng thời tổn thất năng lượng ítnên thời gian hoàn vốn nhanh Do đó phương pháp điều áp được sửdụng rộng rãi, chính vì vậy nó đem lại cho động cơ 1 chiều một vị tríquan trọng trong thực tế mà máy điện xoay chiều rất khó cạnh tranh

độ động cơ điện 1 chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi Các bộ biếnđổi này cấp cho phần ứng của động cơ hoặc mạch kích từ của động cơ.Hiện nay, trong công nghiệp sử dụng các bộ biến đổi chính:

chiều hoặc máy điện khuếch đại (KĐM)

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

Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốcđộ động cơ một chiều có loại điều khiển theo mạch chính (ta có hệtruyền động điều chỉnh tự động) và loại điều khiển mạch hở (hệ truyềnđộng điều khiển “hở”) Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện có cấutrúc phức tạp, nhưng có chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnhrộng hơn so với hệ truyền động “hở”

Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiềucòn được phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảochiều quay Đồng thời tùy thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiềumà ta có truyền động làm việc ở một góc phần tư, hai góc phần tư vàbốn góc phần tư

Trong phần này, chúng ta nghiên cứu các tính chất tổng quát, cũngnhư tính chất riêng của từng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơmột chiều

nhờ tín hiệu điều khiển Uđk Vì là nguồn có công suất hữu hạn so vớiđộng cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lc

khác không

Hình: Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập

Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính củahệ thống như sau:

=

ω

MU

I

.K

R

R

K

E

đk o

ư đm

ưđ b đm b

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứngđặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tùy thuộcvào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phươngpháp điều chỉnh này là triệt để

Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớnnhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản, là đặc tính ứng với điệnáp phần ứng định mức và từ thông cũng được giữ ở giá trị định mức.Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốcđộ và về mômen khởi động Khi mômen tải là định mức thì các giá trịlớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là:

β

−ω

=ω

β

−ω

=ω

đm min

o min

đm max

o max

MM

Mâm Mnm min

M,I 0

Để thỏa mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dảiđiều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là:

đm M max c min

trong đó KM là hệ số quá tải về mômen Vì họ đặc tính cơ là cácđường thẳng song song nhau, nên định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ cóthể viết:

đm min

nm

β

=β

−

=ω

1M

./

M1K

MD

M đm

max o

đm M

đm max

o

−

−βω

=β

−

β

−ω

Hình: Xác định phạm vi điều chỉnh

Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị ωo max, Mđm, KM là xácđịnh, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của

nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lầnđiện trở phần ứng động cơ Do đó có thể tính sơ bộ được:

10M

Vì thế với tải có đặc tính mômen không đổi thì giá trị phạm

vi điều chỉnh tốc độ cũng không vượt quá 10 Đối với các máy có yêu

cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thìviệc sử dụng các hệ thống “hở” như trên là không thỏa mãn được.

Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơtĩnh của truyền động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính Khi điềuchỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng các đặc tính cơ trong toàn dải điềuchỉnh là như nhau, do đó độ sụt tốc tương đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tạiđặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh Hay nói cách khác, nếu tại đặctính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vượt quágiá trị sai số cho phép, thì hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luônnhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh Sai số tương đốicủa tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là:

cp min o đm

min o min

o

min min

o

s

Ms

s

≤ωβ

ω

−ω

=

Vì các giá trị Mđm, ωo min, scp là xác định nên có thể tính đượcgiá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vượt quágiá trị cho phép Để làm việc này, trong đa số các trường hợp cần xâydựng các hệ truyền động điện kiểu vòng kín

Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từthông kích từ được giữ nguyên, do đó mômen tải cho phép của hệ sẽ làkhông đổi:

đm đm

đm cp

Eb = Eư + Iư (Rb + Rưđ),

IưEb = IưEư + Iư2(Rb + Rưđ)

Nếu đặt Rb + Rưđ = R thì hiệu suất biến đổi năng lượng củahệ sẽ là:

=η

Φ+ω

ω

=+

=η

RM

K

MRR

IEI

EI

ư

2 đm

2 ư ư ư

ư ư ư

Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mômen do động cơ sinh

ra đúng bằng mômen tải trên trục: M* = Mc* và gần đúng coi đặc tính cơ

ω

=η

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều

động cơ Eư =Kφω Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậyhệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến:

dt

d.r

r

e

k b

k

+

rb _ điện trở của nguồn điện áp kích thích,

k

Trong chế độ xác lập ta có quan hệ:

[ ]k k

b

k

rr

( )ư

k k b

rr

Ci

C

+

=

=Φ

Phần ứng của động cơ điện 1 chiều được cung cấp từ 1 máyphát điện riêng có khả năng biến đổi sức điện động trong 1 phạm viriêng, máy phát này do động cơ sơ cấp không đồng bộ 3 pha quay và cótốc độ quay của máy phát là không đổi

KT DM F Â

trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng điều chỉnh vận tốc tương đốirộng, khả năng quá tải lớn

quay trong đó ít nhất là 2 máy điện 1 chiều, gây tiếng ồn lớn, công suấtlắp máy ít nhất phải gấp 3 lần công suất động cơ chấp hành Ngoài ra

do máy phát 1 chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trễ nên khó điều chỉnhsâu tốc độ

Sơ đồ nguyên lý:

dòng điện và điện áp Trong trường hợp này người ta dùng nó để điềuchỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ 1 chiều ĐM

được nối theo sơ đồ trên Trong mạch làm việc người ta nối các điốt làmnhiệm vụ chỉnh lưu cho phụ tải và tạo ra thành phần dòng từ hoá KĐT

− Điện áp chỉnh lưu trên đầu ra của khuếch đại từ được điềuchỉnh bằng các biến đổi dòng trong cuộn dây điều khiển của nó Cuộnđó có thể quấn bao tất cả các lõi của KĐT như bằng cách biến đổi dòngđiều khiển ta sẽ biến đổi được mật độ từ thông trong lõi từ ở nửa cuốichu kì điều khiển ( tức nửa chu kì làm việc) Chính mật độ từ thông nàyquyết định góc bão hòa αs Đối với khuếch đại từ lý tưởng trị số củasuất điện động chỉnh lưu:

2

Un

s m

π

chiều kích từ hoặc đổi các dấu dòng phần ứng động cơ

+ Ưu điểm: hệ thống này hiệu suất trung bình cao hơn hệ thống F– Đ nhưng thấp hơn T – Đ

+ Nhược điểm: khi dùng hệ thống để cấp điện áp cho động cơđiện 1 chiều, việc dùng hệ biến đổi khuếch đại từ có cực tính điện áp rathay đổi là không kinh tế, nên việc đảm bảo chiều quay được thực hiệnbằng việc thực hiện đảo chiều đầu dây phần ứng hoặc đảo chiều dòngkích từ Do đó, việc đảo chiều mất nhiều thời gian

KĐT

ĐM

Hiện nay người ta sử dụng rộng rãi các bộ biến đổi van điềukhiển để biến năng lượng điện xoay chiều thành điện 1 chiều để cungcấp cho các động cơ điện 1 chiều Tốc độ động cơ điều chỉnh bằng cáchthay đổi điện áp chỉnh lưu bằng cách thay đổi thời điểm thông van

không gây ồn và dễ tự động hóa, do các van bán dẫn có hệ số khuếchđại công suất rất cao, điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập cho hệ

thống tự động điều chỉnh nhiều vùng để nâng cao chất lượng đặc tínhtĩnh và các đặc tính động của hệ thống.

dạng chỉnh lưu của điện áp có biên độ đập mạch gây tổn hao phụ trongmáy điện

chiều của van buộc ta phải sử dụng 2 bộ biến đổi để cấp điện cho động

cơ có đảo chiều quay

nhược điểm khác Do đó tùy trường hợp thực tế cụ thể người ta chọnphương án truyền động cho phù hợp và trên nguyên tắc nhược điểm là

ít nhất

Nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ truyền động T – Đ đảo chiều:

Truyền động dùng 2 bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiểnriêng

Truyền động dùng 2 bộ biến đổi nối song song ngược điềukhiển chung

Tuy nhiên, mỗi loại sơ đồ đều có ưu nhược điểm riêng và thíchhợp với từng loại tải và công nghệ

Ta chọn bộ truyền động dùng 2 bộ biến đổi nối song song ngượcđiều khiển chung, bởi nó dùng cho dãi công suất vừa và lớn có tần sốđảo chiều cao và thực hiện đảo chiều êm hơn

Sơ đồ gồm 2 bộ biến đổi G1 và G2 , đấu song song ngược với các

chỉnh lưu hoặc nghịch lưu

Cả 2 bộ biến đổi G1 và G2 đều nhận được xung mở tại mọi thờiđiểm Ta gọi α1 là góc mở đối với G1, α2 là góc mở đối với G2, thì sựphối hợp giữa 2 giá trị α1 và α2 phải được thực hiện theo quan hệ:

1

α + α2 = 180o

Sự phối hợp này là tuyến tính

Ui2 vì các tiristor không thể cho dòng chạy qua

Sơ đồ mạch hệ T-D có đảo chiều