TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

*.Nhược điểm : Tổn hao công suất khi điều chỉnh , hiệu suất thấp , phạm vi điều chỉnh hẹp , điều chỉnh không triệt để 3.Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ ĐK a.Đặc điểm lam v

Trang 1

Sinh viên thực NGUYỄN VĂN PHƯƠNG

TỔNG QUAN VỀ ĐÔNG CƠ KHÔNG

ĐỒNG BỘ

Trang 2

Trang

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐÔNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ (KĐ)

Động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất lớn hơn và chiếm tỷ lệ lớn so với các động cơ khác Do kết cấu đơn giản dể chế tạo , vận hành an toàn và sử dung nguồn cung cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha Trong công nghiệp thường sử dụng động cơ không đồng bộ làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ v v Trong nông nghiệp động cơ ĐK được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản.Trong đời sống hằng ngày động cơ ĐK cũng chiếm một vị trì hết sức quan trọng,ví nó được sử dụng trong các thiết bị sinh hoạt hằng ngày như : máy bơm , quạt gió , động cơ trong tủ lạnh

Tuy nhiên trước đây các hệ động động cơ ĐK có điều chỉnh tốc độ l

ại vô cùng hiếm hoi , chiếm tỷ lệ rất nhỏ là do điều chỉnh tốc độ đông cơ ĐK có khó khăn hơn các loại đọng cơ khác Trong thời gian gần đây do sự phát triển của ngành công nghiệp chế tạo bán dẩn công suất kỹ thuật điện tử và tin học, mà động cơ ĐK mới khai thác được ưu điểm của mính Nó đã trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả với các hệ truyền động khác

Khác với động cơ điện một chiều , động cơ ĐK được cấu tạo phần cảm và phần ứng không tách biệt Từ thông của đọng cơ cũng như mô men của động cơ sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham số Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động điện cho động cơ ĐK là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tình phi tuyến mạnh

Trang 3

Trong định hướng xây dựng hệ truyền động điện động cơ ĐK người ta có xu hướng với các đặt tình điều chỉnh của hệ truyền động điện động cơ một chiều

Hiện nay trong công nghiệp thường sử dụng hệ truyền động điều khiển tốc độ động cơ

ĐK

1 Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ bằng bộ biến đổi tiristor

2 Điều chỉnh điện trở bằng bộ biến đổi xung tiristor

3 Điều chỉnh công suất trược

4 Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho đông cơ bằng các bộ biến đổi tần số(Bộ biến tần) dùng tiristor hay transistor

A.SƠ LƯỢC VỀ TRUỲÊN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ ĐK

I.Giới thiệu về động cơ ĐK

ĐK là một loại máy điện xoay chiều làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ

1.Phương trình đặt tính cơ

Để thành lập phương trính đặt tình cơ ta dùng sơ đồ thay thế như hính vẽ (HI_1)

R R X

R U

2 2 2 1

2 2

1

'

11

(I-1)

Trong đó : Xnm=X1d + X‟2d điện kháng ngắn mạch

U1f : trị hiệu dụngcủa điệ áp pha stato

Phương trính đặt tình của động cơ ĐK :

M=

n

f

X S

R R S

R U

2 2 2 1 0

2 1

'

' 3

hay M=

th

S2

S1.2

a S

S S S

a M

th th

R

2 2 1

2

'

(I-3) Sth là hệ số trược tới hạn của động cơ

2 Ảnh hưởng các thổng số đến đặt tính cơ:

Từ phương trính đặt tình cơ ĐK ta thấy các thông số ảnh hưởng đến đặt tinh cơ bao gồm:

a Ảnh hưởng của sự suy giảm điện áp lưới cấp cho đông cơ ĐK

Trang 4

Trang

Khi điên áp lưới suy giảm thí theo (I-4) mômen Mth tới hạn của động cơ sẽ giảm bính phương lần biên độ suy giảm của điện áp,theo (I-3) thì Sth vẩn không đổi

b Ảnh hưởng của điện trở điện kháng mạch stator

Khi nối thêm diện trở hoặc điện kháng vào mạch stator thí theo (I-3) và (I-4) cả Sth và

c.Ảnh hưởng của điện trở mạch roto

Đối với động cơ không đồng bộ người ta mắc thêm điện trở phụ vào mạch roto để hạn chế dòng khởi động thí theo (I-3) , (I-4) thì Sth thay đổi còn Mth = const

R

2 2

Trang 5

e.Ảnh hưởng của số đoi cực p

Để thay đổi số đôi cực ở stato người ta thường thay đổi cách đấu dây ví :

Ví vậy khi thay đổi số đôi cực pthí tốc độ từ trường quay ω1 thay đổi dẩn đến tốc độ ω thay đôi theo

II.CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐK

1.Phương pháp điều chỉnh điện áp lưới

Mômen động cơ ĐK tỷ lệ với bính phương điện áp stato nên có thể điều chỉnh được momen tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stato trong khi gĩư nguyên tần số

Để điều khiển đựơc tốc độ động cơ ĐK phải dùng bộ biến đổi điện áp xoay chiều (ĐAXC)

Nếu coi (ĐAXC) là nguồn áp lý tưởng(Z=0) thí căn cứ vào biểu thức moment tới hạn ta

có quan hệ sau :

2

dm b th

thU U

U M

Trang 6

Sinh viín thực NGUYỄN VĂN PHƯƠNG

Trong đó :Uđm :Điện áp định mức của động cơ

Ub : Điện áp đầu ra của bộ điều áp xung

Mth Mômen tới hạn khi điện áp là Uđm

MthU moment tới hạn khi điện áp là Ub Phương pháp này được dùng điều chỉnh điện áp cho động cơ ĐK roto lồng sóc.Khi thực hiện điều chỉnh điện áp cho động cơ ĐK roto dây quấn cần phải nối thêm điện trở phụ vào mạch roto , khi ta thây đổi điện trở phụ vào mạch roto sẽ mở rộng dãi điều chỉnh tốc độü và M.Và như vậy thì tổn thất điều chỉnh sẽ rất lớn

*Ưu điểm : của phương pháp này là chỉ thích hợp với truyền động và momen tải là

hàm tăng theo tốc độ

*Nhược điểm : Do tính chất phức tạp của moment ,điện áp ,tốc độ nên trong tính

toán người ta thường dùng các phương pháp đồ thị để dựng các đăt tính điều chỉnh ,công việc này khá phức tạp

2.Phương pháp điều chỉnh điện trở mạch roto

Sơ đồ nguyên lý và đặt tính cơ như hình vẽ (Hình I-10)

R R

2 2 1

2

2 ''

(I-8)

Để điều chỉnh tốc độ động cơ ĐK người ta mắc thêm điện trở phụ vào mạch roto , khi thay đổi điện trở phụ Rf thì Sth thay đổi còn Mth = const dẫn đến thay đổi được tốc độ động cơ khi thay đổi R2f ta có hệ đặc tính cơ có cùng Mth nhưng khác Sth

ĐK

Trang 7

ĐK

*.Ưu điểm: Đơn giản rẻ tiền ,có khã năng hiện đại hoá bằng bán dẫn

*.Nhược điểm : Tổn hao công suất khi điều chỉnh , hiệu suất thấp , phạm vi điều

chỉnh hẹp , điều chỉnh không triệt để

3.Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ ĐK

a.Đặc điểm lam việc khi thay đổi tần số

Như ta đã biết, tần số của lưới điện quyết định giá trị tốc độ góc của từ trường quay trong máy điện ,do đó bằng cách thay đổi tần số dòng điện stato ta có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ

Trong đó :

P

f S

S

2

;

) 1 (

0 0 0 0

Để thực hiện phương pháp điều chỉnh này ta dùng bộ biến tần cung cấp cho động cơ Hinh I-11:

BIẾN TẦN

Vì máy điện làm việc ở tần số định mức cho nên khi thay đổi tần số, chế độ làm việc của nó sẽ bị thay đổi Sở dĩ như vậy là vì tần số ảnh hưởng trực tiếp đến từ thông của máy điện

Quan hệ này có thể được phân tích nhờ phương trình cân bằng điện áp đối với mạch stato của máy điện

E1 = K.Φ.f1 (I-10)

E1 : sức điện động cảm ứng trong cuộn dây stato

Φ : Tử thông móc vỏng qua cuộn dây stato

K : Hằng số tỷ lệ

U1 = Ub :Điện áp đặt vào stato của động cơ

F1 = fb : Tần số dòng điện stato

Nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở của cuộn dây stato thì từ (I-10) ta có :

Nếu moment tải khôngđôíi hoặc là hàm theo tốc độ thì lúc này dòng điện của động cơ thì lúc này dòng điện của động cơ phải tăng lên để cân bằng với moment phụ tải M M c (Mc là moment phụ tải hay moment cản)

Kết quả là cuộn dây stato bị quá tải về dòng gây phát nóng cuộn dây , giảm tuổi thọ động cơ

Nếu điện áp đặt vào stato không đổi (U1 = const) thì theo (hình I-11) Khi tần số giảm nhỏ hơn so với định mứcì f1 < fđm thì từ thông của máy sẽ tăng dẫn đến mạch từ

bị bảo hoà hay quá tải mạch từ Hiện tượng này làm tăng dòng từ hoá nghĩa là tăng tổn thất thép và đốt nóng máy điện

Trang 8

Trang

Như vậy khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số nếu giữ nguyên điện áp stato không đổi thì khả năng mang tải của máy sẽ giảm và các chỉ tiêu chất lượng đều thấp Do đó khi thay đổi tần số phải kết hợp thay đổi điện áp trên dây quấn stato

b.Quy luật điều chỉnh điện áp

Người ta chứng minh được rằng khi thay đổi tần số ,Nếu đồng thời điều chỉnh điện áp sao cho hệ số quá tải

c

th M

M

không đổi thì chế độ làm việc của

máy luôn luôn được duy trì ở mức tối ưu khi làm việc ở các thông số định mức ,khi đó hiệu suất cosφ cùa máy điện trong toản dãi hầu như không đổi

Từ nhận xét trên ta có thể tìm ra quy luật thay đổi điện áp theo tần số , để cho đơn giản ta sử dụng các giả thiết đặt ra khi tìm phương trình đặt tính cơ của máy điện không đồng bộ ( Hình I-12)

Trong đó Uf : trị số hiệu dụng điện áp pha ở stato (V) Iμ,I‟1,I‟2 các dòng điện từ hoá ,stato,roto quy đổi về stato (A)

rμ,r1,r2 các điện trở tác dụng

cùa mạch tử hoá , cuộn dây stato, roto đã quy đổi về stato (Ω)

R‟f : điện trở phụ (nếu có) mắc thêm vào mỗi pha roto

S : hệ số trược của động cơ S = 0.02 0,06

Để đơn giản ta sử dụng các giả thiết đã đặt ra khi tìm phương trình đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ ,nghĩa là sẽ khảo sát vấn đềì này dựa vào vào sơ đồ thay thế hình Г khi bò qua điện trờ cuộn dây stato ,biểu thức moment sẽ là :

2 2 1

2 1 1

2 1

1 0

2 1

) ' (

4

3 '

' (

2

3

f X X

P

U f

X f X

( ).

' (

4

3 )

2 1 2

1 2 1

2 1

c c

c

th

M f

U A M

f X X P

U M

M

(I-14)

Tiếp theo ta thay Mc(ω) = Mcđm.ω2

= cdm x f x Bf x P

M

1 1

2

)2(

Trang 9

Khi đó (I14) được viết lại : x

f

U B

A

2 1

Biểu thức này thể hiện trong trường hơûp làm việc ở các thông số định mức U1đm,f1đm

và trường hợp ở U1,f1 bất kỷ giữ nguyên điều kiện λ =const ta được :

x x

dm f

U f

U

2 1

2 1 2

1

2 1

Từ đó rút ra quy luật điện áp : x

dm x

dm f

f U

U

2 1

2 1 1

1

Hoặc U1*= f1*(2 x) với

dm U

U U

f f

Mc0 : Moment cản của máy sản suất khi không quay

Mcdm :Moment cản định mức, là moment trên trục của máy sản xuất ứng với tốc độ góc định định mức ωcdm

X : Những số tự nhiên đặc trưng cho từng dạng đặc tính cơ của máy sản xuất

1 Ứng với x=0, Mc = const : Kiểu máy nâng, cầu trục, thang máy

Trang 10

f

U

2 1 1

Kiểu máy bơm ,băng tải quạt gió;

Trang 11

quy luật gần đúng có thể sử dụng khi điều chỉnh trong dãi không rộng.Nếu dải diều chỉnh lớn dẩn đến sai sô đáng kểú ở vùng tần số thấp

CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ BIẾN TẦN

I.Giới thiệu chung

Bộ biến tần là một thiết bị biến đổi năng lượng điện xoay chiều từ tần số

f1 sang nguồn điện có tần số khác f2

Tần số của lưới điện quyết định tốc độ góc của từ trường quay trnong máy điện do đó bằng cách thay đổi tần số dòng điện stato ta có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ.Để thức hiện được vấn đềì này ta dùng bộ biến tần cung cấp tần số phù hợp với động cơ điều chỉnh tốc độ

Ở bộ biến tần làm nguồn cung cấp cho động cơ ĐK ,yêu cầìu bộ này có khã năng biến đổi tần số và điện áp sao cho tỉ số : const

f U

II.Phân loại các bộ biến tần

Biến tần có hai loại :

_ Biến tần dùng máy điện _ Biến tần van dùng thiết bị điện tử

1.Biến tần dùng máy điện :

Nguyên lý chung của loại này là sử dụng hai tổ máy , một tổ máy nối với lưới điện có tốc độ không đổi còn tổ kia được gắn với tải có tốc độ thay đổi.Nhờ biến đổi tốc độ của tổ thứ hai mà tần số ra của thiết bị có thể biến đổi được

Fbvar,Ubvar

F1, U1

CKĐ

ω2=var CKF

Hình (II-1)

*Nguyên lý hoạt động như sau :

Tổ ĐS có tốc độ ω1 = const làm chức năng biến điện năng từ lưới thành điện năng một chiều trên chổi than phần ứng của máy phát F Tổ thứ hai gồm động cơ một chiều Đ vả máy phát biến tần FBT ,có tốc độ trục ω2 = var

Tốc độ này được điều chỉnh theo yêu cầu bằng cách vào các mạch kích từ của máy phát F vả động cơ Đ Tần số ra cùa FBT phụ thuộc vảo tốc độ quay ω2 của nó Việc sử dụng cũng như điều khiển bộ biến tần này rất phức tạp do sử dụng nhiều tổ máy điện ,hiệu suất thấp, thiết bị quay gây ồn nên việc lắp đặt máy phải kiên cố,do vậy giá thành cao

2.Biến tần dùng van bán dẫn:

Đ

ĐS

Trang 12

_ Kích thước nhỏ nên diện tích lắp đặt không lớn _ Trọng lượng nhẹ

_ Hệ số khuyếch đại công suất lớn _ Có quán tính nhỏ

*.Biến tần trực tiếp (Hình II-2)

Trong bộ biến tần trực tiếp chức năng chỉnh lưu và nghịch lưu nằm trên cùng một bộ biến đổi , không sử dụng tụ chuyển mạch và chỉ chuyển đổi một lần nên hiệu suất cao Nhưng thực tế mạch van khá phức tạp số lượng van lớn , nhất là đối với mạch ba pha Việc thay đổi tần số f2 khó khăn và phụ thuộc vào f1 Biến tần được sử dụng với phạm vi điều chỉnh f2 < f1

*.Biến tần gián tiếp (Hình II-3)

U2~

Hình II-1 Sơ đồ khối biến tần gián tiếp

Trong loại biến tần này điện áp xoay chiều đầu tiên biến thành một chiều nhờ bộ chỉnh lưu ,sau đó qua bộ lọc rồi mới trở lại áp xoay chiều với tần số f2 nhờ nghịch lưu áp độc lập

Việc biến đổi năng lượng hai lần làm giảm hiệu suất của bộ bộ biến tần song việc thay đổi f2 lại không phụ thuộc vào f1 trong một dãy rộng cả trên và dưới f1

.Hơn nẵu dưới sự ứng dụng của hệ điều khiển số hờ kỹ thuật vi xử lý và van lức nên phát huy tối đa ưu điểm của biến tần loại này ,nên được sử dụng rộng rãi

Do tính chất của bộ lọc nên biến tần loại này còn được phân chia làm hai loại:

Biến tần dùng nghịch lưu áp Biến tần dùng bộ nghịch lưu dòng Biến tần sử dụng nghịch lưu áp (Hình II-4)

Trang 13

Ta xét biến tần sử dụng nghịch lưu áp

Bộ lọc sử dụng tụ C lớn ở đầu vào của bộ nghịch lưu nên điện áp đặt vào bộ nghịch lưu xem như nguồn áp ,cùng với điện cảm L tụ C làm phẳng điện áp chỉnh lưu

-Ngoài ra tụ C còn tạo điều kiện trao đổi công suất phản kháng Q gữa tải với bộ nghịch lưu và mạch một chiều ,bằng chách cho phép sự thay đổi nhưng trong thời gian ngắn dòng vào bộ nghịch lưu mà không phụ thuộc vào bộ chỉnh lưu

-Khi sử dụng bộ băm điện áp hay phương pháp điều biêïn độ rộng xung thì có thể sử dụng bộ chỉnh lưu không điều khiển (chỉnh lưu diod)

-do tác dụng của diod ngược nên đầu vào của bộ nghịch lưu luôn luôn dương

-Đôïi với loại này yêu cầu của bộ biến tần là năng lượng được truyền hai chiều tức là động cơ thực hiện hãm tái sinh thì bộ chỉnh lưu làm việc đươcü ở cả bốn góc phần tư

-Với yêu của đề tài chọn động cơ công suất nhỏ (P=120w) nên việc hãm tái sinh động

cơ trả năng lượng về nguồn là không cần thiết nên ta sử dụng biến tần ngịch lưu áp với bộ chỉnh lưu không điều khiển dùng diod và sử dụng phương pháp điều biến độ rộng xung để điều khiển áp đặt vào động cơ

*Xét biêïn tần sử dụng nghịch lưu dòng :

Bộ lọc có cuộn san bằng có cảm kháng lớn có tác dụng như nguồn dòng cấp cho bộ ngịch lưu dòng điện trong mạch một chiều được san bằng bởi L dòng điện này không thể đảo chiều

Trang 14

Trang

Ngoài ra cuộn san bằng L còn có tác dụng đảo chiêìu công suất phản kháng của tải trong mạch một chiều, cuộn kháng này cho phép đảo chiều điện áp đặt vào bộ nghịch lưu mà không phụ thuộc vào bộ chỉnh lưu, do vậy rấït phù hợp với việc hãm tái sinh động cơ Tuy nhiên chỉ điều chỉnh đươcü dòng và áp của tải theo phương pháp biên độ nên chỉnh lưu phải sử dụng linh kiện bán dẫn có điều khiển

CHƯƠNG III THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC

Mạch động lực dùng để truyền tải năng lượng điện cho động cơ Sơ đồ khối như hình II-1

I.Chức năng

1.Khối chỉnh lưu

Khối chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi nguồn xoay chiều (AC) thành nguồn một chiều (DC)

Theo sự phân loại ta có các phương pháp sau :

- Chỉnh lưu không điều khiển : Sử dụng diod

- Chỉnh lưu có điều khiển : Sử dụng tisistor hay transistor

- Chỉnh lưu bán điều khiển : Sử dụng diod và tisistor

Theo yêu cầu của đề tài động cơ công suất nhỏ nên thiết kế khối chỉnh lưu không điều khiển sử dụng diod

Điện áp đầu ra của khối chỉnh lưu tuy là DC nhưng không bằng phẵng mà còn nhấp nhô gọi là hiện tượng đập mạch ( số pha của nguồn càng cao thì sự đập mạch càng nhỏ).Bộ chỉnh lưu bao gồm các van chỉnh lưu và máy biến áp lực

Trang 15

2.Chức năng của máy biến áp lực

Biến đổi điện áp nguồn phù hợp với yêu cầu của tải

Cách ly phụ tải với lưới điện để vận hành an toàn và thuận tiện

Tạo điểm trung tính cho chỉnh lưu hình tia

Hạn chế dòng điện ngắn mạch chỉnh lưu và hạn chế tốc độ tăng dòng điện anôt trên các van chỉnh lưu

Cải thiện hình dáng dòng điện trong lưới để làm cho dòng này ít biến dạng so với hình sin

Đối vớ điện áp ba pha có hai cách mắc chỉnh lưu :

- Sơ đồ hình tia ba pha Sơ đồ hình tia một pha (chỉnh lưu 1/2 sóng)

- Sơ đồ hình cầu ba pha Sơ đồ hình cầu một pha

Sơ đồ như hình (Hình III-2),ì (Hình III-3), ì (Hình III-4), ì (Hình III-5)

22

Ud =

f U

Trang 16

Trang

Gọi điện áp xoay chiều đặt lên bộ chỉnh lưu là U1 còn điện áp DC là Ud ta có sự so sánh giữa các sơ đồ :

* Đối với chỉnh lưu một pha

+Chỉnh lưu một pha 1/2 chu kỳ

2

I1 = 1,21m.Id ; U1 = U2/m

Cuối cùng tính ra ta được công suất máy biến áp

S =3,09UdId = 3,09Pd

Nhận xét :máy biến áp sử dụng tồi

Sơ đồ chỉnh lưu một pha bán sóng đơn giản.Muốn có dòng tải ít nhấp nhô cần có bộ lọc tốt

+Chỉnh lưu cầu một pha

Ud = 2 2U f; I1 =

22

I d m

*Đối với chỉnh lưu ba pha

+ Sơ đồ hình tia đơn giản hơn ,số pha ít hơn nên sụt áp bé hơn và tổn thất bé hơn,Phù hợp với sơ đồ không đòi hỏi điện áp ra Ud bằng phẵng Giá trị trung bình điện áp ra của sơ đồ hình tia bé hơn

cos(

2 2

3

Trang 17

cưỡng bức bởi dòng một chiều Với cùng một giá trị Pd thì công suát của máy biến áp ở sơ đồ cầu nhỏ hơn so với sơ đồ hình tia đáng kể

Giá tri trung bình của điện áp ra đối với sơ đồ hình cầu như sau:

6

6 2

6 3 ) cos(

6 2

+Khối lọc tụ C thường sử dụng với tải công suất bé

+Khối lọc có tụ C và cuộn kháng thường sử dụng với tải công suất lớn -Trong mạch chỉnh lưu (CL) điện áp hay dòng điện ta tải có cực tính không đổi nhưng giá trị của chúng thay đổi theo thời gian một cách có chu kỳ (Hiện tượng đập mạch) tạo ra các thành phần sóng hài gây nên sự tiêu phí năng lươûng một cách vô ích và gây ra sự nhiểu loạn cho sự làm việc của tải Vấn đề được đặt ra là ta phải lọc bớt các thành phần sóng hàiđể có được thành phần một chiêu chiều có hệ số đập mạch cho phép

Người ta định nghĩa hệ số đập mạch như sau:

Kp =

Kp có giá trị càng nhỏ thì chất lượng bộ lọc càng cao

* Các phương pháp lọc :

a.Lọc bằng tụ C: Thường dùng với công suất bé Sơ đồ hình (Hình III-10)

Hình III-10

Do sự phóng điện của tụ C theo quy luật hàm mũ và do các sóng hài bật cao được rẽ qua tụ C,còn lại thành phần một chiều với số ít sóng hài bật thấp đi qua tải Hệ số đập mạch

1

2'

R c

b.Bộ lọc dùng cuộn dây L

Được dùng với tải có công suất lớn hơn Hình III-11

Trang 18

Khi tính chọn L nên chọn giá trị L không quá lớn vì như vậy sẽ gây ra hiện tượng sụt áp DC trên nó lớn làm cho hiệu suất chỉnh lưu giảm

c.Lọc dùng cả tụ C và cuộn kháng L :

Sơ dồ này sử dụng ưu điểm của cả hai sơ đồ trên Hình III-12

Hình III-12

Do sử dụng tổng hợp cả hai loại trên nên biên độ sóng hài càng bị giảm nhỏ và điện áp ra tải ít bị đập mạch hơn.Vì vậy bộ lọc LC thường thường được sử dụng nhièu nhất

Vì những ưu điểm trên trong đề tài này ta dùng bộ lọc LC

3.Khối nghịch lưu

+Khối nghịch lưu dùng để biến đổi điện áp DC sau bộ lọc thành thành xoay chiều

AC có tần số thay đổi được để cung cấp cho động cơ ĐK

+Ta sử dụng nghịch lưu áp ba pha hình cầu ,thiết bị dùng để nghịch lưu có thể là tiristor,transistor,Mosfets

-Dùng Tiristor:Mỗi Tiristor khi dẫn dòng thì tác dụng của tín hiệu điều khiển không còn tác dụng nữa đòi hỏi cần phải có bộ phận chuyển mạch cho Tiristor Bộ phận chuyển mạch gồm có rất lớn các tụ điện và cuộn dây,điều này gây khó khăn và làm tăng giá thành của mạch lắp ráp

-Dùng transistor (BJT hoặc Fet)

Nguyên lý làm việc của transistor tuơng tự như Tiristor

Transistor chuyển nhanh hơn loại Mosfets Đối với BJT dòng điều khiển là Ib lớn ,trong chu trình dẫn phaỉ kiểm tra kỹ lưỡng để các BJT này dẫn bảo hoà

Đối với Mosfets cực điều khiển được điều khiển bằng áp nên rất thuận tiện khi phối hợp với mạch điều khiển

Vì Tiristor Khi dẩn thì không phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển nên ta phải dùng cầu chì để bảo vệ đề phòng sự cố Dùng BJT hay Mosfets đòi hỏi phải tác động vào cực B,G trong suốt chu trình dẩn , thế nhưng dùng transistor thì bỏ được khâu chuyển mạch cưỡíng bức , Hơn nữa tổn hao đổ chiều nhỏ hơn ,ngoài ra dùng transistor có khã năng làm việc ở tần số cao hơn,kích thước gọn nhẹ hơn

Qua những so sánh cả ưu và khuýêt điểm của transistor và tirstor trong mạch động lực theo đề tài này ta chọn bộ nghịch lưu dùng transistor

II.Nguyên lý làm việc

1.Bộ chỉnh lưu

a.Chỉnh lưu cầu một pha :Đối với những bộ chỉnh lưu công suất nhỏ người ta thường

dùng bộ chỉnh lưu cầu một pha nên ta xét bộ chỉnh lưu cầu một pha

C

R

Trang 19

+Hoạt động của sơ đồ :

Trong khoảng thời gian từ 0< < bộ chỉnh lưu mắc vào nguồn xoay chiều có giá trị cực dương tại điểm A , cực âm ở điểm B ,do đó Đ1 và Đ3 ; Đ2 và Đ4 khoá

Trong khoảng thời gian 2 , van Đ2 và Đ4 dẩn ,van Đ1 và Đ3 khoá

+Biểu thức dòng điện và điện áp :

Như ta đã biết ,chức năng của cuọn cảm L là tích luỷ năng lượng khi dòng idtăng và hoàn trả năng lượng khi dòng id giảm Xác định dòng id

Phương trình dòng điện

t Sin U i

R dt

di L

u d . d .d 2 2

Dạng toán tử Laplace :

2 2 2

0(0)] ( ) 2 )

([

p U p

i R i

p pI

đặt sơ kiện id = I0 , ta có

)(

.2)

(

2 2 2

0

p L

R p L U L

R p

I p

I d

b p

1

e-bt

b p

p2 2

1

t Cos t Sin

b e b

bt

2 2

1

2

R X

R

X R

U e

b.Chỉnh lưu cầu ba pha

Trang 20

Trang

*Hoạt động của sơ đồ

Điện áp các pha thứ cấp máy biến áp

Sin V

V a 2 2

)3

2(

2V2Sin

V a

)3

4(

2V2Sin

V a

+Xét tại thời điểm tương ứng với 1 ta thấy điện thểï tại các điểm A,B ,C như sau

VA> VB > VC dòng điện tải đi từ điểm A và B đến điểm C Diod Đ1 ,Đ3 mở cho dòng chảy qua do đó Vf = VA > VB > VC , Đ5 khoá là vì điện thế katôt của chúng là

VA> VB> VC

Diod Đ2 mở cho dòng chảy qua và do đó VG = VA< VB< VC các diod Đ4,Đ6 bị khoá là do điện thế catôt của chúng là là VA hoặc VB lớn hơn điện thế anot là VC

Ta có bảng tóm tắt hoạt động của sơ đồ :

Khoảng Chiều dòng điện Diod mở Điện áp tải

UdTừ

-Ud bằng sáu chỏm cầu hình sin tạo nên

-Điện áp ngược lớn nhất mà mỗi diod phải chịu là :

Ungmax = 6V2 2,45V2

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu

Trang 21

6

6 2

6 3 ) cos(

6 2

6

=2,34U2

-Dòng chảy trong mỗi diod bằng dòng tải : iD = id

-Dòng chảy trong mổi cuộn dây thứ cấp máy biến áp là dòng điện xoay chiều

cos62

6I

R

E U R

E

-Giá trị trung bình của dòng qua mổi diod :

6 6

2 D

3

cos62

2

R

E V

2.Bộ lọc

Sơ đồ mạch hình (Hình III-17)

b.Hoạt động của sơ đồ

Bộ lọc cho phép thành phần một chiều của bộ chỉnh lưu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay chiều

Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu cầu ba pha khai triển chuổi fourier Nếu chỉ dừng lại ở hai số hạng đầu ta có :

t Cos V

35

36233

Biểu thức tổng quát của điện áp chỉnh lưu

t n V an U u U

Tong đó

n : Tần số góc nhỏ nhất của sóng hài

V : Gá trị hiệu dụng của điện áp pha

Ud : Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu

-Nếu chúng ta giả thiết ,đối với sóng hài tần số thấp mà XL>>XC thì dòng điện xoay chiều chảy qua Lvà C sẽ quyết định bởi XL và có thể viết :

L n

V an

I cm 2

Điện áp nhấp nhô :

LC n

V an C

n

I

U cm C

2

2 2

Tỉ số nhấp nhô : KLC =

LC n

an V

U C

C

L

Hình III-17

Trang 22

Trang

LC K n

an

2

Trong đó : a = 0,425 và n = 2 đối với chỉnh lưu một pha hai nữa chu kỳ

a = 0,2 và n = 3 đối vớ chỉnh lưu ba pha hình tia

a = 0,095 và n = 6 đối với chỉnh lưu ba pha hình cầu

3.Bộ nghịch lưu điện áp (NLĐA) một pha

Bộ nghịch lưu điện áp ba pha thường dùng sơ đồ cầu,sơ đồ cầu ba pha đươc tạo

ra bằng cách mắc thêm một nhánh vào sơ đồ cầu một pha,do đó trước khi khảo

sát sơ đồ cầu ba pha ta xem xét sơ đồ cầu một pha

a.Sơ đồ mạch nghịch lưu áp một pha (Hình II-18)

u

Trang 23

Trang 24

b.Nguyên lý hoạt động

Các van từ T1 đến T4 được điều khiển theo từng cặp T1, T3 và T2, T4 lệch pha nhau 1800 Ở nữa chu kỳ đầu tiên điều khiển mở T1, T3 với cực tính được xác định dấu không có trong ngoặc ) ta có Ut = En Dòng điện chảy từ dương nguồn qua T1 ,Zt ,

T3 về âm nguồn

-Đến thời điểm T/2 (hoặc ) ta đảo trạng thái điều khiển cho T2, T4 dẫn Nhưng do tải có tính cảm kháng nên dòng điện không đảo chiều ngay ,năng lượng tích luỷ ở điện cảm sẽ duy trì dòng điện theo chiều cũ, lúc này dòng điện buộc phải thoát qua các diod D2,D4 để về nguồn theo đường D2 cực dương En qua nguồn En xuống cực âm về D4 (một phần chảy qua T2, T4 theo chiều ngược ).Như vậy do D2D4 và

T2 T4 dẫn điện áp ra tải đảo cực tính ngay (dấu trong ngoặc ) ta có Ut = -En nhưng dòng điện tải vẩn duy trì theo chiêìu củ cho đến thời đểm t2 mới đảo chiều Đến điểm 2 lại đổi trạng thái ,quá trình diển ra tương tự : dòng điện sẽ duy trì theo chiều cũ một đoạn bằng t1 nhờ các van D1 , D3 , T1, T3 rồi mới đảo chiều

-Qua một chu kỳ tải nhận được điện áp và dòng điện là xoay chiều ,đây chính là nguyên lý nghịch lưu

4.Bộ nghịch lưu áp ba pha

a.Sơ đồ mạch hình (Hình III-1)Bằng cách mắc thêm một nhánh vào cầu nghịch lưu

mộit pha ta được cầu nghịch lưu ba pha tải R,L đấu sao

Trang 25

Trang

b.Nguyên lý làm việc

các transistor làm việc với góc dẫn = 1800 theo biểu đồ điều khiển hình (Hình III-21), các transistor mở lần lược từ T1 T6 với góc lệch pha giữa hai transistor là 600 Như vậy ở bất kỳ thời điểm nào cũng có ba transistor dẫn (hai của nhóm này và một của nhóm kia ) cho dòng chảy qua

Ở mỗi thời điểm sơ đồ đều có một pha mắc nối tiếp với hai pha đấu song song do vậy điện áp trên tải chỉ có hai giá trị hoặc Ed/3 ( khi pha đó đấu song song với một pha khác ) hoặc 2Ed/3 ( khi nó đấu nối tiếp với hai pha khác đấu song song ).Giả thiết tải đối xứng ZA = ZB = ZC theo dạng điện áp ra ta có trị hiệu dụng của nó :

3

23

212

0

3 2

3

2 2

2 0

n n

pha pha

E d

U U

Để có biểu đồ điện áp ra tải theo thời gian ,ta xét một chu kỳ làm việc của mạch ,trong đó chỉ xét nguyên lý hoạt động của transistor

+Giá trị tại thời điểm ban đầu T1,T5,T6 làm việc từ 00 đến 600

Ta có : UA = UC = 1/3 Ud

UB = -2/3 Ud

UAB = UA - Ub = UdTại thời điểm 600 1200 T1T2T6 dẫn ta có :

UA = 2/3 Ud

UB = UC = -1/3 Ud

UAB = UA - UB = Ud Tại thời điểm 1200 1800 T1T2T3 dẫn ta có

UA = UB = 1/3 Ud

UC = -2/3 Ud

UAB = 0 Bằng cách xác định điện áp trên tải từ từng khoảng /3

(vì cứ /3 lại có sự chuyển mạch )

Điện áp dây của tải có dạng xung chử nhật

Có độ rộng 1200 và điều hoà

Điện áp pha của tải có dạng bật thang

Dòng điện của tải có dạng xoay chiều

Không điều hoà ,tăng và suy giảm theo hàm mũ (Hình III-20)

Trang 26

-Sinh viín thực NGUYỄN VĂN PHƯƠNG Trang

Dạng sóng điện áp ra của bộ nghịch lưu hình

t

Trang 27

Trang

Hình III-20

5Bộ điều chỉnh xung áp:

Bộ điều chỉnh xung áp một chiều (ĐAMC) được sử dụng khi có sẵn nguồn một chiều cố định mà cần phải điều chỉnh được điện áp ra tải các ĐAMC hoạt động theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn một chiều với tải một cách có chu kỳ theo một số quy luật nhất định Phần tử thực hiện nhiệm vụ này là van bán dẫn ,song

do chúng làm việc với nguồn một chiều nên không thể dùng van tiristor thông thường

vì nó không thể khoá được một cách tự nhiên vì áp nguồn không đổi chiều như khi làm việc với nguồn xoay chiều.Do vậy buộc phải có một mạch chuyên dụng để khoá tiristor gọi lả “Mạch khoá cưỡng bức “gây nhiều khó khăn trong lắp mạch thực tế Vì vậy hiện nay người ta sử dụng loại van điều khiển cả đóng và mở như transistor

a.Sơ đồ nguyên lý và phương pháp điều chỉnh xung áp

Hình III-21

Trong khoảng thời gian từ 0 T1 ta cho

đưa ra tải Ut = Ud

Trong khoảng thời còn lại từ T1 T2 ta

điều khiển van ngắt lúc này toàn bộ nguồn

0

Trang 28

Trang

ngắt khỏi tải Lúc này giá trị trung

bình của điện áp tải :

d d

Với = T1/T tỉ số xung hay độ rộng xung

Trong giai đoạn từ T1 T2 transistor bị khoá

Do ảnh hưởng của điện cảm phía một chiều

như điện cảm phần ứng của động cơ ,dòng

điện it vẫn tiếp tục chảy theo chiều củ đi vòng

qua diod D0 Điện áp Ut ở giai đoạn này bằng sụt áp trên diod nhưng ngược dấu -Ut = UD 0

Theo biểu thức điện áp ra tải Ut ta có ba phương pháp điều chỉnh Ut đó là thay đổi

T = const ,T1 = var Phương pháp độ rộng xung

T = var, T1 = const, Phương pháp tần số xung

T = var, T1 = var, Phương pháp xung thời gian

Theo 3 phương pháp trên thì phương pháp xung thời gian có nhiều nhược điểm nhất Tần số phải thay đổi trên phạm vi rộng mới có thể cung cấp phạm vi rộng mới có thể cung cấp một dãy rộng điện áp ra Việc thiết kế bộ lọc với tần số thay đổi thường gặp nhiều khả năng nhiễu với đường dây điện thoại và vô tuyến cao

Trong trường hợp mức điện áp thấp nếu ta điều khiển theo phương pháp này sẽ làm thời gian Toff lớn gây hiện tượng gián đoạn dòng điện

Nếu sử dụng phương pháp điều khiển độ rộng xung thì tránh phần nào nhược điểm trên, nó thích hợp hơn nên ta chọn phương pháp này để điều khiển

III TÍNH CHỌN THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC

η = 0,8

P = 2

*các thông số tính toán

Tốc độ góc định mức của động cơ :

60

14010 14 , 3 2 60

2 dm dm

n

) / (

14758Rad s dm

Moment định mức của động cơ

813 , 0 58 , 147

120

dm

dm dm

P

Tốc độ từ trường quay

) / ( 1500 2

50 60 60

Trang 29

06,01500

14101

1 1

dm

dm dm

n

n n

n n S

Tốc độ góc đồng bộ

58 , 157 60

1500 14 , 3 2 60

2 n1

Công suất điện từ định mức của động cơ ở chế độ định mức:

dm dm

.

Pđt.đm = 157.0,813 = 127,64 Tốc độ định mức của động cơ khi làm việc ở tốc độ định mức fđm = 50Hz

P I

f

dm

75,0.8,0.220.3

120

cos

2.Chọn thiết bị mạch công suất

a.Xác định U d và I d

23

212

0

3 2

3

2 2

2 0

n n

pha pha

E d

U U

Upha = U d

3

2

với Ud = EnMỗi cuộn dây của động cơ được đặt điện áp pha bằng 220 (V) :

3

23

212

0

3 2

3

2 2

2 0

n n

pha pha

E d

U U

d pha U U

3

2

với Ud = En Mỗi cuộn dây của động cơ được đặt điện áp pha bằng 220 (V)

)(7,4662

220.232

23

Trang 30

Trang

P‟ = P/3 = 120/3 = 40 (W) P‟ =R.I2

=> 444,44( )

3,0

40'

2 2

f I

P R

Dòng điện cơ sở :

44,444

7,468

Vậy dòng điện Id qua nghịch lưu là:

)(45,03,02

32

3

A I

I d f

b.Tính chọn bộ chỉnh lưu:

Điện áp đầu ra của bộ lọc CL : Ud = 468,7 (V)

Nếu coi sụt áp trên cuộn kháng là không đáng kể , dòng điện sau chỉnh lưu chính là dòng đặt vào bộ nghịch lưu

Theo đề tài thì công suất động cơ là nhỏ ,do đó ta chọn bộ chỉnh lưu cầu một pha sẽ thuận tiện và đơn giản hơn trong thiết kế mạch chỉnh lưu và máy biến áp

Một cách gần đúng ta coi dòng điện cực đại đặt vào đầu vào của bộ nghịch lưu là dòng Id = 0,45 (A) sụt áp trên máy biến áp là 5,5%Id sụt áp trên điện trở kháng là 3,5% còn sụt áp trên hai van chỉnh lưu khoảng 2 (V)

Điện áp chỉnh lưu lúc không tải :

Ud0 = Ud.1,055+2 = 468,7.1,055 + 2 = 493,5 (V) Giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp máy biến áp,vì chỉnh lưu cầu một pha nên:

) ( 550 5 , 493 11 , 1 2

2

9 , 0 2

2

0 2

2 2

0

V U

U

U U

U

d f

f f

d

Điện áp ngược mỗi diod phải chịu là :

)(777550.41,1

Id = 1,2.0,15= 0,18(A)

Tra sách “SỔ TAY LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ BÁN DẪN” ta chọn Transistor loại D1427 mắc theo kiểu diod

Chịu được áp :1500 (V)

Chịu dòng :7 (A)

c.Tính chọn bộ lọc :

Như đã giới thiệu ở phần trước ta có công thức tính chọn bộ lọc như sau:

Trang 31

KLC =

LC n

an V

U c

2 2 2 gọi là tỉ số nhấp nhô điện áp

LC K n

an LC

2

U

2

2 trong đó : U 5 %U d

7,468.05,0

10 8 , 71 03 0 314 4

2 425 0

03 , 0 7 , 777

43 , 23

6 2

LC

K LC

Vì biến tần nguồn áp nên ta chọn tụ C lớn hơn

Nếu chọn tụ C = 340 F thì :

)(21,010.340

10.8,71

6

H L

b.Tính chọin bộ nghịch lưu:

Theo đề tài ta tính được If = 0,3(A) Nên dòng điện lớn nhất chảy qua mỗi Transistor

là:

Imax = Id.Ki với Ki = 2,5

Imax = 0,42.2,5 = 1,125(A) Và chịu được điện áp ngược là :

Ung = Ud.KU Với KU = 1,5

Ung = 468,7.1,5 = 703,05(V) Tra sách SỔ TAY LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ BÁN DẪN ta chọn Transistor loại : D1878

Với dòng IC = 7(A)

Và áp VCE = 800(V)

e.Tính chọn máy biến áp :

Vì tải công suất nhỏ nên ta chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha ,và do đó để

thích hợp với sơ đồ này ta chọn máy biến áp một pha Với sơ cấp lấy điện áp pha

220(V) từ lưới điện xoay chiều

- Giá trị hiệu dụng của dòng chảy trong mỗi pha thứ cấp MBA:

Nếu bỏ qua thời gian trùng dẫn ,thì dòng chảy qua thứ cấp máy biến áp chính là

Trang 32

Sinh viín thực NGUYỄN VĂN PHƯƠNG Trang

Mạch từ có dạng như hình dưới (Hình III-21)

Bằng tôn silic có tổn thất 1,3W/kg trọng lượng 7,5kg/dm2

Trang 33

*Trụ giữa : Tiết diện thô : 2.4,4 = 8,8 (cm2)

Tiết diện hiệu quả : 0,95.8,8 = 8,36 (cm2)

Trong các trụ ta chọn Bm = 1,1 Tesla Trong các quy lát ta chọn B‟m = 1,92Tesla

8,3

65,6.1,1

*Dây quấn máy biến áp :

-Số vòng dây quấn máy biến áp :

+Số vòng/vôn sơ cấp : W1 = 45/B.SFe = 45/1,1.18,87 = 2,16

+n1 W1.U1 2,16.220 475 vòng

-Số vòng dây thứ cấp máy biến áp :

+Số vòng vôn thứ cấp máy biến áp : W2 = W1/ η%

Với công suất cùa động cơ được chọn ,Tra dãi công suất ta được η = 0,87

 W2 = 2,16/0,87 = 2,48 vòng

 n2 = W2.U2 = 2,48.550 = 1365 vòng

*Tính đường kính dây

-chọn mật độ dòng điện j = 3

Đường kính dây được tính theo công thức kinh nghiệm sau:

+Đường kính dây quấn sơ cấp máy biến áp :

mm j

I

3

125 , 1 13 , 1 13

I

3

45 , 0 13 , 1 13

5,44,

-Lồng vào mỗi trụ một ống quấn dây bằng vật liệu cách điện dày 1mm có bán kính trong

31,4mm ,vậy bán kính trong của dây quấn sơ cấp là : 31,4mm

-Dây quấn sơ cấp có số vòng dây là 475 vòng chia làm 4 lớp ,mỗi lớp 119 vòng

+Giữa hai lớp đặt một lớp cách điện dày 0,1mm,

-Dây quấn thứ cấp

+Giữa sơ câïp và thứ cáp đặt một lớp cách điện dày 3mm

+Dây quấn thứ cấp có 1365 vòng chia làm 10 lớp (mỗi lớp có 137 vòng) +Giữa hai lớp đặt một lớp cách điện dày 0,1mm

e.Tính chọn Transistor của bộ băm điện áp một chiều:

Trang 34

Trang

Ở đây ta dùng phương pháp điều biến độ rộng xung

Gọi T1 là thời gian mở của Transistor

T2 là thời gian khoá của Transistor

Ud là điện áp trung bình trước bộ biến đổi

Ut là điện áp trung bình sau bộ biến đổi

d d

d

T

T dt U T

+Phạm vi điều chỉnh điện áp của ta là

Zmin = 0,2 Zmax = 0,9

Hiệu suất nghịch lưu là η = 0,8 theo định luật bào toản năng lượng ta có

dm t t

P I

U suy ra :

t

dm t U

P I

.

2

2220.14,33

2

V U

5,488.8,0

, 0

5 , 488

max

V Z

f.Tính chọn diod D 0

Diod có tác dụng duy trì dòng điện qua tải Zt khi Transistor ngắt mạch (khoá ).Do dòng ảnh hưởng của dòng điện phía trước một chiều (điện cảm phần ứng của động cơ và điện cảm của bộ lọc ),dòng điện sẽ tiếp tục chảy theo chiều cũ một thời gian nữa mới tắt.Dòng điện này đi qua diod D0 nạp vào tụ C0 để ngăn ngừa điện áp tự cảm trên cuộn dây L quá lớn lúc chuyển mạch của Transistor từ trạng thái mở sang trạng thái khoá và bảo vệ Transistor tránh bị đánh thủng với điện áp ngược

Ung.max

Sơ đồ dqạng sóng biểu diển quá trình dòng điện và điện áp phía sau bộ chỉnh lưu (hình III-23)

Trang 35

Giá trị trung bình của dòng qua diod D0 là :

11

)(073,04/30,0.4

Ung.max = 489,6.1,35 = 760,96(V)

Tra sách sổ tay linh kiện điện tử và bán dẫn ta chọn diod loại :

CHƯƠNG IV

MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển:

t

Hình

III-23

Định dạng
Số trang	71
Dung lượng	1 MB