ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

- Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng của động cơ.. - Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng.. Điều khiển tốc độ độ

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN

MỘT CHIỀU Xét phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng động cơ điện một chiều:

U = E + Rư.I ( I – 1 ) Trong đó:

- Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng của động cơ

- Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông φ

- Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng

I Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng

Giả thiết U = Uđm = const Muốn thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng, bằng cách mắc thêm một điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng và thay đổi giá trị điện trở Rf thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi theo Vậy phương trình đặc tính

cơ lúc này sẽ là :

U R ö + Rf

=

K.φñm (K.φ ñm )2

Ta thấy rằng khi thay đổi giá trị điện trở Rf thì tốc độ sẽ thay đổi theo

- Xét đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi mắc Rf vào mạch điện phần ứng như sau :

U R ö

K.φ(K.φ)Trong đó :

ωo – là tốc độ không tải, ωo = const; Δω -

tính điều chỉnh (2) và (3) nhỏ hơn tốc độ ωđm trên đường đặc tính tự nhiên Vậy tốc độ truyền động chỉ được điều chỉnh về phía dưới, tức là tốc độ điều chỉnh nhỏ hơn tốc độ định mức

- Hiệu suất của phương pháp này thấp

không kinh tế, do có tổn hao trên các điện trở phụ nên làm cho hiệu suất của

thiết bị giảm Vì vậy nên phương pháp này trong thực tế ít sử dụng II Điều

khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn dây kích từ Giả thiết U = Uđm = const và Rư = const Muốn thay đổi từ thông thì ta phải thay đổi dòng điện kích từ Ikt Ta có phương trình đặc tính cơ như sau:

=

K.φ (K.φ)Trong đó :

ωo – là tốc độ không tải, ωo = var ; Δω -

Đường (2) là đường ứng với khi φ2 < φ1 = φđm

Theo đường đặc tính cơ ta có :

sẽ tăng lên

 Nhận xét:

- Đặc tính điều chỉnh theo từ thông φ có độ cứng càng giảm xuống nếu như ta càng giảm từ thông, tức là đặc tính cơ càng dốc Nghĩa là tốc độ thì sẽ tăng vọt còn mômen thì giảm nhanh, làm cho hệ số quá tải giảm Vì vậy làm cho động cơ làm việc kém ổn định

- Việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp giảm từ thông không phù hợp với những tải có mômen cản là hằng số ( MC = const ) Vì MC

= KM φ.I = const Do vậy khi φ giảm thì làm cho I tăng lên gây phát nóng động cơ

- Giải điều chỉnh của phương pháp này cũng bị hạn chế bởi tốc độ cao nhất của động cơ, khi tốc độ cao quá thì có thể làm hỏng phần quay của động

M

Khi giảm điện áp phần ứng động cơ thì ta được một họ đặc tính cơ song song và nằm về phía dưới đặc tính cơ tự nhiên Và khi giảm điện áp phần ứng thì tốc độ động cơ giảm xuống tương ứng với một phụ tải nhất định

 Nhận xét:

- Các đặc tính cơ nhân tạo có độ dốc không đổi ( tức là β = const ), nên tốc độ điều chỉnh được ổn định tương đối

- Phương pháp này có thể điều chỉnh được vô cấp tốc độ

- Dải điều chỉnh tốc độ của phương pháp này rất lớn

- Phương pháp này có thể tự động hóa mạch điều khiển và mạch động lực và có thể làm việc ở cả 4 góc phần tư của đồ thị đặc tính cơ

- Hiệu suất của phương pháp này tương đối cao và giống nhau ở các đường đặc tính do không có tổn hao trên điện trở

IV Kết luận chọn phương pháp điều khiển :

Trong ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ nói trên thì ta nhận thấy phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp giảm điện áp phần ứng là hiệu quả hơn cả vì những ưu điểm nói trên Vậy ta chọn phương pháp giảm điện áp phần ứng động cơ để điều chỉnh tốc độ động cơ

V Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

1 Nguyên lý điều chỉnh:

Để điều chỉnh điện áp phần ứng ta dùng một bộ biến đổi điều chỉnh được điện áp đầu vào cấp cho mạch phần ứng động cơ

- Bộ biến đổi máy phát điện một chiều

- Bộ biến đổi xung áp một chiều

- Bộ chỉnh lưu bán dẫn

Tương ứng với việc sử dụng bộ biến đổi, ta có các hệ truyền động như sau :

- Hệ truyền động máy phát – động cơ ( hệ F – Đ )

- Hệ truyền động xung áp – động cơ điện một chiều ( hệ XA – Đ )

- Hệ truyền động chỉnh lưu Tiristor – động cơ ( hệ T – Đ )

Từ sơ đồ nguyên lí nói trên, ta có sơ đồ khối như sau :

E = K.φñm .ω là sức điện động dây quấn phần ứng động cơ

Ubđ = Ka.Uđk với : Ka- hệ số khuếch đại của bộ nguồn

Vậy :

Ka.Uñk

ωo = = f(Uñk )

Từ (1) và (2) chứng tỏ rằng khi thay đổi dòng kích từ từ máy phát thì tốc

độ không tải của động cơ sẽ thay đổi còn độ cứng của đặc tính cơ thì giữ

M

động cơ quay cùng chiều nhau Đây là chế độ động cơ, nói lên rằng năng lượng được vận chuyển thuận chiều từ nguồn → máy phát → động cơ → tải + Góc phần tư (II) và (IV), tốc độ quay ω và mômen quay M của động

cơ quay ngược chiều nhau Đây được gọi là chế độ hãm tái sinh của động cơ, nói lên rằng năng lượng được vận chuyển theo chiều từ tải → động cơ → máy phát → nguồn, lúc này máy phát và động cơ đổi chức năng cho nhau

Hãm tái sinh trong hệ F – Đ được khai thác triệt để khi giảm tốc độ, hãm để đảo chiều quay và hãm khi làm việc ổn định với tải có tính thế năng

 Nhận xét :

Hệ truyền động F – Đ có đặc tính động rất tốt và linh hoạt khi chuyển đổi trạng thái làm việc, khả năng quá tải lớn Tuy nhiên, hệ F – Đ dùng nhiều máy điện quay, trong đó sẽ có ít nhất là 2 máy điện một chiều, vì vậy nên sẽ gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy phát lớn ít nhất gấp 3 lần công suất động cơ, cho nên hiệu suất của hệ truyền động này không cao Ngồi ra, do máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trễ nên khó điều chỉnh tốc độ theo ý muốn

3 Hệ truyền động xung áp – động cơ ( XA – ĐC )

Bộ biến đổi xung áp là một nguồn điện áp dùng để điều chỉnh tốc độ động

cơ điện một chiều

- Sơ đồ nguyên lí và giản đồ xung áp :

Ud = TCK ∫0 Udt = TCK U =γ.U

Trong đó :

t1 – thời gian khóa ở trạng thái đóng ;

t2 – thời gian khóa ở trạng thái mở;

TCK – thời gian thực hiện một chu kì đóng mở của khóa;

t1 γ= - là độ rộng của xung

áp TCK

Vậy ta có thể coi bộ biến đổi xung đẳng trị với nguồn liên tục có điện áp

ra Ud và Ud có thể thay thay đổi được bằng cách thay đổi độ rộng xung γ Mặt khác, thời gian một chu kì đóng cắt của khóa K rất nhỏ so với hằng số thời gian cơ học của hệ truyền động, nên ta coi tốc độ và sức điện động phần ứng động cơ không thay đổi trong thời gian TCK

(K.Φñm )2

=

R ö

thể tồn tại nếu như dòng trong hệ là liên tục kể cả khi giá trị dòng tiến đến 0

Vì vậy, biểu thức (1) và (2) chỉ đúng với trạng thái dòng liên tục

Khi dòng điện đủ nhỏ thì hệ sẽ chuyển trang thái từ dòng liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn Khi đó các phương trình đặc tính điều chỉnh nói trên không còn đúng nữa mà lúc này đặc tính của hệ là những đường cong rất dốc

+ Bộ nguồn xung áp cần ít van dẫn nên vốn đầu tư ít Hệ đơn giản chắc chắn

+ Độ cứng của đặc tính cơ lớn

+ Điện áp dạng xung nên gây ra tổn thất phụ khá lớn trong động cơ Khi làm việc ở trạng thái dòng điện giáng đoạn thì đặc tính làm việc kém ổn định

và tổn thất năng lượng nhiều

4 Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ ( CL – ĐC )

+ Với sơ đồ chỉnh lưu hình tia : n = m, trong đó m là số pha

+ Với sơ đồ hình cầu : n = 2.m , m là số pha

Giả sử điện áp thứ cấp của máy biến áp có dạng hình sin với biểu thức là :

u2 = U2m.sin ωt = U2m.sin θ , ( với θ = ωt )

Trong khoảng θ = ( 0 ÷ 2π ) thì dạng điện áp và dòng điện lặp lại như chu

kì ban đầu nên ta chỉ cần xét trong một chu kì T = 2π

- Sơ đồ thay thế của hệ CL – ĐC

U2m.sinθ− E = id.R∑+ L∑

dt Trong đó :

Ở trạng thái dòng liên tục, khi van này chưa khóa thì van kế tiếp đã mở, việc mở van kế tiếp là điều kiện cần để khóa van đang dẫn Do vậy, điện áp của chỉnh lưu sẽ có dạng đường bao của điện áp thứ cấp máy biến áp

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu :

R∑ = Rö + R kh + R ba + Xba + R v

2π

Rư – điện trở của phần ứng động cơ;

Rkh – điện trở của cuộn kháng lọc;

b Trạng thái dòng gián đọan :

Khi điện kháng trong mạch không đủ lớn, nếu sức điện động của động

cơ đủ lớn thì dòng điện tải sẽ trở thành gián đoạn Ở trạng thái này thì dòng qua van bất kì sẽ bằng 0 trước khi van kế tiếp mở Do vậy trong một khoảng dẫn của van thì sức điện động của chỉnh lưu bằng sức điện động nguồn :

ed = U1 , với 0 ≤ θ ≤ λ , trong đó λ là khoảng dẫn

Khi dòng điện bằng 0 thì sức điện động của chỉnh lưu bằng sức điện động của động cơ :

Ud = U2m .(1− cosλ) + E.( −λ)

 Nhận xét :

+ Ưu điểm : Hệ truyền động CL – ĐC có độ tác động nhanh cao, không gây ồn và dễ tự động hóa, do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất cao, vì vậy rất thuận tiện cho việc thiết lập hệ thống tự động điều chỉnh để nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống Mặt khác, việc dùng hệ CL – ĐC có kích thước và trọng lượng nhỏ gọn

+ Nhược điểm : Hệ truyền động CL – ĐC có các van bán dẫn là các phần tử phi tuyến tính, do đó dạng điện áp chỉnh lưu ra có biên độ đập mạch cao, gây nên tổn thất phụ trong máy điện một chiều

5 Kết luận :

Trong các hệ truyền động điện dùng phương pháp giảm điện áp phần ứng

để điều chỉnh tốc độ nói trên, ta nhận thấy hệ truyền động CL – ĐC là có nhiều ưu điểm hơn cả

TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU TĨNH CÓ ĐIỀU KHIỂN

So với chỉnh lưu không điều khiển ( chỉ dùng Diode để chỉnh lưu ), thì chỉnh lưu có điều khiển ( dùng Tiristor để chỉnh lưu ) có nhiều ưu điểm hơn Nhờ có cực điều khiển của Tiristor mà ta có thể điều chỉnh được giá trị điện

áp ra theo yêu cầu bằng cách thay đổi góc mở α của Tiristor Do vậy rất thuận tiện trong việc điều khiển

Mặt khác, với chỉnh lưu có điều khiển thì ta có thể điều khiển công suất chạy theo cả hai chiều : từ nguồn → tải, hoặc từ tải → nguồn ( nghịch lưu trả năng lượng về lưới )

I Chỉnh lưu một nửa chu kì có điều khiển :

2

1

0,45.U2

Vì chất lượng điện áp ra xấu cho nên hệ số sử dụng biến áp cũng thấp:

S1BA + S2BA 2,69.Ud .Id + 3,49.Ud .Id

Do vậy, loại chỉnh lưu này ít dùng trong thực tế

II Chỉnh lưu cả chu kì với biến áp có trung tính

Với α là góc mở của Tiristor

+ Giá trị điện áp ngược đặt trên Tiristor :

Ung max = 2 2.U2 = 2.U2 max

+ Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua Tiristor :

Id

ItbT =

2+ Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua tải :

Ud

Id =R+ Công suất máy biến áp :

S1BA +S2BA 1,23.Ud .Id +1,74.Ud .Id

III Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển :

+ Giá trị điện áp ngược đặt lên mỗi van Tiristor :

Ung max = 2.U2max = 2 2.U2

+ Giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp :

Ud

I2 = Id =R+ Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua mỗi van :

Id

ItbV =

Công suất của máy biến áp :

SBA = SBA1 = SBA2 =1,23.Ud.Id  Nhận xét :

Chỉnh lưu cầu một pha có chất lượng điện áp ra tương đương với chất lượng điện áp ra của chỉnh lưu một pha có biến áp trung tính, nhưng đối với chỉnh lưu cầu một pha lại có điện áp ngược đặt lên mỗi van chỉ bằng một nữa

so với chỉnh lưu một pha có biến áp trung tính Khả năng sử dụng máy biến

áp của chỉnh lưu này cao hơn so với chỉnh lưu một pha có biến áp trung tính

IV Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển :

Id

I2 = 3

+ Giá trị dòng điện trung bình của từng van :

Trong cuộn dây phía thứ cấp máy biến áp có tồn tại dòng điện một chiều,

vì vậy làm cho lõi thép máy biến áp chóng bị bão hòa gây phát nóng lõi thép Cuộn dây thứ cấp máy biến áp phải đấu sao, với bốn đầu dây nối ra ngồi

và dây trung tính phải lớn gấp đôi dây pha

V Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng

+ Giá trị điện áp ngược lớn nhất của Tirisror :

UNmax = 2 3.U2 = 6.U2

+ Công suất máy biến áp :

SBA = S1BA = S2BA =1,05.Ud.Id  Nhận xét :

+ Hiệu suất sử dụng máy biến áp của chỉnh lưu này cao

+ Điện áp chỉnh lưu có số lần đập mạch trong một chu kì gấp đôi số lần đập mạch của chỉnh lưu tia ba pha Cụ thể, có n = 6 lần đập mạch trong một chu kì Dòng điện trong các Tiristor có dạng chữ nhật nhưng dòng điện qua thứ cấp máy biến áp hồn tồn đối xứng và không có thành phần một chiều nên

+ Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu :

Utb

+ Giá trị trung bình của dòng tải :

Ud

Id =R+ Giá trị dòng điện trung bình chạy qua mỗi van :

Id

ItbV =

+ Giá trị điện áp ngược của van :

U N = 2 3.U2 = 6.U2

+ Công suất máy biến áp :

SBA = S1BA = S2BA =1,05.Ud .Id  Nhận xét :

+ Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt

+ Việc mở các van điều khiển đơn giản hơn so với chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng, nhưng các sóng điều hòa bậc cao của tải và của nguồn lớn hơn

+ Số lần đập mạch trong một chu kì chỉ có 3 lần và thành phần đập mạch của chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng có giá trị lớn hơn giá trị của thành phần điện áp đập mạch của chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng

VII Chỉnh lưu tia sáu

∅

∅

- Sơ đồ nguyên lí :

Id =R+ Giá trị dòng điện trung bình va mỗi van :

Id

Id =6+ Giá trị hiệu dụng của dòng điện qua van :

Id

IhdV =6+ Giá trị điện áp ngược lớn nhất của van :

VIII Kết luận chọn sơ đồ mạch động lực :

Từ các phân tích về ưu, nhược điểm của các loại sơ đồ chỉnh lưu nói trên Với tải là động cơ điện một chiều có công suất P = 5,5 KW thì việc chọn sơ

đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng là hợp lí nhất, bởi vì đây sơ đồ chỉnh lưu có chất lượng điện áp và dòng điện ra tốt nhất Khả năng tận dụng máy biến áp rất cao, chế tạo máy biến áp đơn giản, dòng điện thứ cấp máy biến áp là đối xứng và không có thành phần một chiều nên không gây bão hòa lõi thép

Mặt khác, khi góc mở α càng lớn thì điện áp trên tải sẽ có phần âm nên chỉnh lưu này có thể làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới

SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC CÓ THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT VÀ BẢO VỆ

CHƯƠNG III

TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC

Các thông số cơ bản của động cơ bản của động cơ :

- Dòng điện định mức ở cuộn dây phần ứng động cơ :

I Tính chọn Tiristor :

Việc tính chọn Tiristor sẽ được dựa vào các yếu tố cơ bản như : dòng điện tải, điều kiện tỏa nhiệt, điện áp làm việc, các thông số cơ bản của van, và việc tính chọn Tiristor được tính như sau :

1 Điện áp ngược lớn nhất mà Tiristor phải chịu :

2 Điện áp ngựơc của van cần chọn

Unv = KdtU.Un max =1,18.104,666 =188,4 (V) Lấy U

nv =189 (V)

Trong đó :

KdtU = 1,8 là hệ số dự trữ điện áp, với KdtU = (1,6 ÷ 2)

3 Dòng điện làm việc của van :

1

Ilv = Ihd = K hd .Id = 3

.62,5 = 36,084 (A) Trong đó :

Iñmv = Ki.Ilv = 4.36,084 =144,336 (A)

Ta lấy Iđmv = 145 (A)

Ki - hệ số dự trữ dòng điện Với điều kiện làm việc của van

ta đã chọn như trên thì Ilv = (10 ÷ 30 )%.Iđmv Do vậy

ta chọn Ilv = 25%.Iđmv, suy ra Ki = 4

4 Chọn Tiristor :

Từ các thông số Unv, Iđmv đã xác định ở trên, để van bán dẫn làm việc an tồn, không bị chọc thủng về nhiệt, nên ta chọn van có cánh tản nhiệt với đầy

đủ diện tích tỏa nhiệt Tra bảng phụ lục 2 [1], ta chọn 6 Tiristor loại 151RC40

có các thông số như sau :

- Sụt áp lớn nhất trên Tiristor ở trạng thái dẫn : ΔUmax = 1,7 (V)

du

II Tính tóan máy biến áp cho bộ chỉnh lưu :

Chọn máy biến áp ba pha ba trụ có sơ đồ đấu dây ! Y, làm mát bằng không khí tự nhiên

Tính tóan các thông số của máy biến áp :

1 Công suất biểu kiến của máy biến áp :

S = KS.Pd = KS =1,05 = 6562,5 (V.A)

- Phương trình điện áp khi có tải :

Udo.cosαmin = Ud + 2.ΔUv +ΔUdn +ΔUBA

Từ phương trình trên, suy ra được :

Ud + 2.ΔU + ΔUdn + ΔUBA

Udo =

cosαmin

Trong đó :

αmin =10o là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện áp lưới;

ΔU v =1,7 (V) là độ sụt áp trên Tiristor;

ΔUdn ≈ 0 (V) độ sụt áp trên dây nối;

ΔU BA là độ sụt áp trên máy biến áp gồm có sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp Ta chọn sơ bộ sụt áp của máy biến áp là ΔUBA = 6%.Ud = 0,06.100 = 6 (V)

Thay số vào ta được :