Tổng quan về động cơ không đồng bộ

0 Mc Mth2Mth1 Mthc.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 hạnchế dòng khởi động thì theo I-3 , I-4 thì Sth thay đổ

CHƯƠNG ITỔNG 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 suấtnhỏ đến công suất lớn hơn và chiếm tỷ lệ lớn so với các động cơ khác Do kết cấu đơn giản dểchế tạo , vận hành an toàn và sử dung nguồn cung cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều bapha Trong công nghiệp thường sử dụng động cơ không đồng bộ làm nguồn động lực cho máycán 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 đờisống hằng ngày động cơ ĐK cũng chiếm một vị trí hết sức quan trọng,vì nó được sử dụng trongcác 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 lại 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 kỹthuật điện tử và tin học, mà động cơ ĐK mới khai thác được ưu điểm của mình 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 ứngkhông tách biệt Từ thông của đọng cơ cũng như mô men của động cơ sinh ra phụ thuộc vàonhiều tham số Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động điện cho động cơ ĐK là hệ điều chỉnhnhiều tham số có tính phi tuyến mạnh

Trong định hướng xây dựng hệ truyền động điện động cơ ĐK người ta có xu hướng vớicác đặt tính 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 cơĐK

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(Bộbiến 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 trình đặt tính cơ ta dùng sơ đồ thay thế như hình vẽ (HI_1)

R R X

R U

2 2 2 1 2

2 1

'

1 1

U1f : trị hiệu dụngcủa điệ áp pha stato

Phương trình đặt tính của động cơ ĐK :

R R

S

R U

2

2 2 1

0

2 1

'

' 3

S1.2

a S

S S S

a M

th 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 trình đặt tính 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

Khi điên áp lưới suy giảm thì theo (I-4) mômen Mth tới hạn của động cơ sẽ giảm bình phươnglần 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 thì theo (I-3) và (I-4) cả Sth và

0 Mc Mth2Mth1 Mth

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 hạnchế dòng khởi động thì theo (I-3) , (I-4) thì Sth thay đổi còn Mth = const

R

2 2

e.Ảnh hưởng của số đoi cực p

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

ω1=2 p f1

(I-5)ω=ω1(1-s) (I-6)

Vì vậy khi thay đổi số đôi cực pthì tốc độ từ trường quay ω1 thay đổi dẩn đến tốc độ ω thay đôitheo

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 bình phương điện áp stato nên có thể điều chỉnh đượcmomen 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 âp xoay chiều(ĐAXC)

Nếu coi (ĐAXC) lă nguồn âp lý tưởng(Z=0) thì căn cứ văo biểu thức moment tới hạn ta

thU

U

U M

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 ĐKroto dây quấn cần phải nối thêm điện trở phụ vào mạch roto , khi tathây đổi điện trở phụ vào mạch roto sẽ mở rộng dãi điều chỉnhtốc 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 đồthị 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 phụvào 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 cóhệ đặc tính cơ có cùng Mth nhưng khác Sth

*.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 tốcđộ góc của từ trường quay trong máy điện ,do đó bằng cách thayđổi tần số dòng điện stato ta có thể điều chỉnh được tốc độđộng cơ

Trong đó :

P

f S

0 0 0 0

Vì máy điện làm việc ở tần số định mức cho nên khi thay đổitần 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 cânbằng 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 : Từ thông móc vòng qua cuộn dây stato

K : Hằng số tỷ lệ

U = U :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) tacó :

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

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

Nếu điện áp đặt vào stato không đổi (U1 = const) thì theo (hìnhI-11) Khi tần số giảm nhỏ hơn so với định mứcì f1 < fđm thì từ thôngcủa máy sẽ tăng dẫn đến mạch từ bị bảo hoà hay quá tải mạchtừ Hiện tượng này làm tăng dòng từ hoá nghĩa là tăng tổn thấtthép và đốt nóng máy điện

Như vậy khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần sốnếu giữ nguyên điện áp stato không đổi thì khả năng mang tải củamáy sẽ giảm và các chỉ tiêu chất lượng đều thấp Do đó khi thayđổi 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 ,Nếuđồng thời điều chỉnh điện áp sao cho hệ số quá tải

Từ nhận xét trên ta có thể tìm ra quy luật thay đổi điện áptheo tần số , để cho đơn giản ta sử dụng các giả thiết đặt ra khitìm 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 cácdòng điện từ hoá ,stato,roto quy đổi về stato (A)

rμ,r1,r2 các điện trở tác dụng

của mạch từ 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 phươngtrình đặc tính cơ của máy điện không đồng bộ ,nghĩa là sẽ khảosát vấn đềì này dựa vào vào sơ đồ thay thế hình Г khi bỏ quađiện trở 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)

1

2 1 2

1 2 1

2 1

c

th

M f

U A M

f X X P

U M

M

1 1

2

)2(



Biểu thức này thể hiện trong trường hơûp làm việc ở các thông sốđịnh mức U1đm,f1đm và trường hợp ở U1,f1 bất kỳ giữ nguyên điềukiện λ =const ta được :

x x

dm

f

U f

1

2 1

Từ đó rút ra quy luật điện áp : x

dm

x

f U

1 1

Mc :Moment cản là moment là moment trên trục máy ứng vớitốc độ ωc nào đấy

Mc0 : Moment cản của máy sản suất khi không quay

Mcdm :Moment cản định mức, là moment trên trục của máy sảnxuất 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

Máy tiện,máy doa máy mài ω2 f12

Sinh viín thực NGUYỄN VĂN PHƯƠNG

Trang

ω0 f1dm

const f

f

U



2 1 1

Kiểu máy bơm ,băng tải quạt gió;

Vì quy luật *( 2 )

1

* 1

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 xoaychiều từ tần số f1 sang nguồn điện có tần số khác f2

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

Ở bộ biến tần làm nguồn cung cấp cho động cơ ĐK ,yêu cầìubộ 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 :

MẠCH VAN

_ 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 tổmáy nối với lưới điện có tốc độ không đổi còn tổ kia được gắnvới tải có tốc độ thay đổi.Nhờ biến đổi tốc độ của tổ thứ haimà tần số ra của thiết bị có thể biến đổi được

*Nguyên lý hoạt động như sau :

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

Tốc độ này được điều chỉnh theo yêu cầu bằng cách vào cácmạch kích từ của máy phát F và động cơ Đ Tần số ra của FBT phụthuộc vào tốc độ quay ω2 của nó Việc sử dụng cũng như điềukhiển bộ biến tần này rất phức tạp do sử dụng nhiều tổ máyđiện ,hiệu suất thấp, thiết bị quay gây ồn nên việc lắp đặt máyphải kiên cố,do vậy giá thành cao

2.Biến tần dùng van bán dẫn:

Loại này được chế tạo từ các van bán dẫn công suất(transistor hoặc tiristor )

Được phân chia thành hai loại :

_ Biến tần trực tiếp_ Biến tần gián tiếpCác loại biến tần dùng van được ứng dụng rộng rãi nhờ các ưuđiểm sau :

_ Kích thước nhỏ nên diện tích lắp đặtkhông lớn

_ Trọng lượng nhẹ_ Hệ số khuyếch đại công suất lớn_ Có quán tính nhỏ

*.Biến tần trực tiếp (Hình II-2)

f1 f2

Hình II-2

Là bộ biến đổi mà tần số mà tần số được tạo ra bằng cáchđóng cắt thích hợp từng đoạn thích hợp một dòng điện xoaychiều có tần số cao hơn Từ điện áp xoay chiều U1 có tần số

f1 ,chỉ cần qua một mạch van là chuyển ngay ra tải với tần số khác

f2

Trong bộ biến tần trực tiếp chức năng chỉnh lưu và nghịchlưu nằm trên cùng một bộ biến đổi , không sử dụng tụ chuyểnmạch và chỉ chuyển đổi một lần nên hiệu suất cao Nhưng thựctế mạch van khá phức tạp số lượng van lớn , nhất là đối vớimạch 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 biếnthành một chiều nhờ bộ chỉnh lưu ,sau đó qua bộ lọc rồi mới trởlại 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 bộbộ biến tần song việc thay đổi f2 lại không phụ thuộc vào f1 trongmột dãy rộng cả trên và dưới f1 Hơn nẵu dưới sự ứng dụng củahệ 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 chialàm 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)

Ta xét biến tần sử dụng nghịch lưu áp

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

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

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

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

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

-Với yêu của đề tài chọn động cơ công suất nhỏ (P=120w) nên việchãm tái sinh động cơ trả năng lượng về nguồn là không cần thiếtnên ta sử dụng biến tần ngịch lưu áp với bộ chỉnh lưu không điềukhiển dùng diod và sử dụng phương pháp điều biến độ rộng xungđể 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 nhưnguồn dòng cấp cho bộ ngịch lưu dòng điện trong mạch mộtchiều được san bằng bởi L dòng điện này không thể đảo chiều

Ngoài ra cuộn san bằng L còn có tác dụng đảo chiêìu công suấtphản kháng của tải trong mạch một chiều, cuộn kháng này chophép đảo chiều điện áp đặt vào bộ nghịch lưu mà không phụthuộc vào bộ chỉnh lưu, do vậy rấït phù hợp với việc hãm tái sinhđộng cơ Tuy nhiên chỉ điều chỉnh đươcü dòng và áp của tải theoSinh viín thực NGUYỄN VĂN PHƯƠNG

Trang

phương pháp biên độ nên chỉnh lưu phải sử dụng linh kiện bán dẫncó 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 haytransistor

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

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

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

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 vàthuận tiện

 Tạo điểm trung tính cho chỉnh lưu hình tia

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

 Cải thiện hình dáng dòng điện trong lưới để làm chodòng 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 1/2sóng)

- 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)

(Hình III-6) (Hình III-7)

Gọi điện áp xoay chiều đặt lên bộ chỉnh lưu là U1 còn điệnáp 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

Nhận xét :máy biến áp sử dụng tồi

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

+Chỉnh lưu cầu một pha

. I d

*Đối với chỉnh lưu ba pha

+ Sơ đồ hình tia đơn giản hơn ,số pha ít hơn nên sụt áp bé hơn vàtổn 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

+ Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình cầu cho điện áp và dòng chỉnh lưutốt hơn so với ba pha hình tia ,máy biến áp được sử dụng triệt đểhơn,máy biến áp không bị từ hoá cưỡng bức bởi dòng mộtchiều Với cùng một giá trị Pd thì công suát của máy biến áp ở sơđồ 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 nhưsau:

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 tảicông suất lớn

-Trong mạch chỉnh lưu (CL) điện áp hay dòng điện ta tải có cựctính không đổi nhưng giá trị của chúng thay đổi theo thời gian mộtcách có chu kỳ (Hiện tượng đập mạch) tạo ra các thành phầnsóng hài gây nên sự tiêu phí năng lươûng một cách vô ích và gây rasự 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 phầnmột 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 sónghài bật cao được rẽ qua tụ C,còn lại thành phần một chiều vớisố ít sóng hài bật thấp đi qua tải

Hệ số đập mạch

1

.

2 '

R c

Giá trị trung bình của Ud(Id)

Biên độ sóng hài lớn nhất của Ud(Id)

-+

tU

b.Bộ lọc dùng cuộn dây L

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

Hình III-11

Vì cuộn dây L mắc nối tiếp với tải nên khi dòng điện ra tải biếnthiên đập mạch ,trong cuộn dây L xuất hiện dòng điện tự cảmlàm giảm các sóng hài bật cao

3

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

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 hàicàng bị giảm nhỏ và điện áp ra tải ít bị đập mạch hơn.Vì vậy bộlọc 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 thànhthành xoay chiều AC có tần số thay đổi được để cung cấp chođộng cơ ĐK

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

-Dùng Tiristor:Mỗi Tiristor khi dẫn dòng thì tác dụng của tín hiệuđiều khiển không còn tác dụng nữa đòi hỏi cần phải có bộ phậnchuyển mạch cho Tiristor Bộ phận chuyển mạch gồm có rất lớncác tụ điện và cuộn dây,điều này gây khó khăn và làm tăng giáthành 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 điềukhiển là Ib lớn ,trong chu trình dẫn phaỉ kiểm tra kỹ lưỡng để các

L+

tU

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

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

Qua những so sánh cả ưu và khuýêt điểm của transistor vàtirstor trong mạch động lực theo đề tài này ta chọn bộ nghịch lưudùng 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 bộchỉnh lưu cầu một pha

+Hoạt động của sơ đồ :

Trong khoảng thời gian từ 0< < bộ chỉnh lưu mắc vàonguồn xoay chiều có giá trị cực dương tại điểm A , cực âm ởđiểm 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 nănglượng khi dòng id tăng và hoàn trả năng lượng khi dòng id giảm Xácđịnh dòng id

Phương trình dòng điện

t Sin U i

R dt

di L

d    2 2 Dạng toán tử Laplace :

2 2 2

) ( [

i R i

p pI

đặt sơ kiện id = I0 , ta có

) (

2 )

(

2 2 2

R p L

U L

R p

I p

I d

Sinh viín thực NGUYỄN VĂN PHƯƠNG

Trang

BA



Ud

R X

R

X R

U e

*Hoạt động của sơ đồ

Điện áp các pha thứ cấp máy biến áp



Sin V

V a  2 2

) 3

2 (

2 2   

 V Sin

V a

) 3

4 (

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 thếkatôt 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 điệnthế anot là VC

Ta có bảng tóm tắt hoạt động của sơ đồ :

Khoảng Chiều dòng

điện Diod mở Điện áptải Ud

Mỗøi cuộn dây thứ cấp máy biến áp trong hai lần một phần bachu kì (2  / 3) :1/3 chu kì với diod trên và 1/3 chu kì với diod dưới

-Giá trị tức thời của diện áp tải Ud bằng hiệu giá trị tức thời điệnáp của hai pha đang cấp cho tải

-Ud bằng sáu chỏm cầu hình sin tạo nên

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

6 3 )

cos(

6 2

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

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

cos 6 2

6 I

E

-Giá trị trung bình của dòng qua mổi diod :

Sinh viín thực NGUYỄN VĂN PHƯƠNG

Trang

  

6

2 D

3

cos 6 2

2 I

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 điqua 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





Biểu thức tổng quát của điện áp chỉnh lưu

t n V an U u U

u d  d   c  d  2 cos 

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 cóthể viết :

L n

V an

V an C n

I

C

.

2

2 2

an

2 2

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

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 đồcầu ba pha đươc tạo ra bằng cách mắc thêm một nhánh vào sơ đồcầu một pha,do đó trước khi khảo

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

CL

Hình 17

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

Sinh viín thực NGUYỄN VĂN PHƯƠNG Trang

iÂ

θ

2ππ

*Nguồn điện cấp cho nghịch lưu điện áp (NLĐA) phải là nguồn sứcđiện động nội trở nhỏ.Nếu sử dụng chỉnh lưu làm nguồn cấp choNLĐA thì ta mắc thêm tụ điện C0 ở đầu nghịch lưu để một phầnđảm bảo điện áp nguồn ít bị thay đổi mặt khác để trao đổi nănglượng cảm kháng với điện cảm tải (với tải là R_L hay động cơđiện ).

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 đảochiều ngay ,năng lượng tích luỷ ở điện cảm sẽ duy trì dòng điệntheo 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 xuốngcực âm về D4 (một phần chảy qua T2, T4 theo chiều ngược ).Nhưvậy do D2D4 và T2 T4 dẫn điện áp ra tải đảo cực tính ngay (dấutrong ngoặc ) ta có Ut = -En nhưng dòng điện tải vẩn duy trì theochiêìu củ cho đến thời đểm t2 mới đảo chiều Đến điểm 2  lại đổitrạng thái ,quá trình diển ra tương tự : dòng điện sẽ duy trì theochiều cũ một đoạn bằng t1 nhờ các van D1 , D3 , T1, T3 rồi mới đảochiều

-Qua một chu kỳ tải nhận được điện áp và dòng điện là xoaychiều ,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 đấusao

Sinh viín thực NGUYỄN VĂN PHƯƠNG

Trang

t2π

b.Nguyên lý làm việc

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

Ở mỗi thời điểm sơ đồ đều có một pha mắc nối tiếp với haipha 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 nóđấu nối tiếp với hai pha khác đấu song song ).Giả thiết tải đốixứng ZA = ZB = ZC theo dạng điện áp ra ta có trị hiệu dụng của nó :

3

2 3

2 3

2

1 2

0

3 2 3

2 2

2 0

n n

pha pha

E d

E d

E d

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

(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)

-ZB ZA+

-Dạng sóng điện áp ra của bộ nghịch lưu hình

Sinh viín thực NGUYỄN VĂN PHƯƠNG Trang

Hình III-20

5Bộ điều chỉnh xung áp:

Bộ điều chỉnh xung áp một chiều (ĐAMC) được sử dụng khicó sẵn nguồn một chiều cố định mà cần phải điều chỉnh đượcđiện áp ra tải .các ĐAMC hoạt động theo nguyên tắc đóng ngắtnguồn một chiều với tải một cách có chu kỳ theo một số quy luậtnhất 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 vantiristor thông thường vì nó không thể khoá được một cách tự nhiên

vì áp nguồn không đổi chiều như khi làm việc với nguồn xoaychiều.Do vậy buộc phải có một mạch chuyên dụng để khoá tiristorgọi là “Mạch khoá cưỡng bức “gây nhiều khó khăn trong lắp mạchthực tế Vì vậy hiện nay người ta sử dụng loại van điều khiểncả 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

Van T mở toàn bộ điện áp nguồn đượcđưa ra tải Ut = Ud

0

Trong khoảng thời còn lại từ T1  T2 ta

điều khiển van ngắt lúc này toàn bộ nguồn

ngắt khỏi tải Lúc này giá trị trung

bình của điện áp tải :

d d

T

U  0  1  

1

1

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 nhiềunhược điểm nhất Tần số phải thay đổi trên phạm vi rộng mới cóthể cung cấp phạm vi rộng mới có thể cung cấp một dãy rộngđiện áp ra Việc thiết kế bộ lọc với tần số thay đổi thường gặpnhiều khả năng nhiễu với đường dây điện thoại và vô tuyến cao

Trong trường hợp mức điện áp thấp nếu ta điều khiển theophương pháp này sẽ làm thời gian Toff lớn gây hiện tượng gián đoạndòng điện

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

III TÍNH CHỌN THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC

*các thông số tính toán

Tốc độ góc định mức của động cơ :

60

14010 14 , 3 2 60

Moment định mức của động cơ

813 , 0 58 , 147

P M

Tốc độ từ trường quay

) / ( 1500 2

50 60 60

1410 1

n

n n

n n S

Tốc độ góc đồng bộ

58 , 157 60

1500 14 , 3 2 60

dm dm

P I

f

dm

75 , 0 8 , 0 220 3

120

2.Chọn thiết bị mạch công suất

a.Xác định U d và I d

2 3

2

1 2

0

3 2 3

2 2

2 0

n

n pha

pha

E d

E d

E d

2 3

2

1 2

0

3 2 3

2 2

2 0

n n

pha pha

E d

E d

E d

220 2 3 2

2 3

Thực tế giá trị Ud = 466,7 (V) đặt lên cuộn dây stato là giá trị điệnáp sau chỉnh lưu đã trừ đi xấp xỉ 2(V) do sụt áp trên các transistorcông suất vậy giá trị điện áp sau chỉnh lưu đưa đến nghịch lưulà :Ud = 466,7 + 2 = 468,7(V)

3,0

40'

7 , 468

Vậy dòng điện Id qua nghịch lưu là:

) ( 45 , 0 3 , 0 2

3 2

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 sauchỉnh lưu chính là dòng đặt vào bộ nghịch lưu

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

Một cách gần đúng ta coi dòng điện cực đại đặt vào đầuvào của bộ nghịch lưu là dòng Id = 0,45 (A) sụt áp trên máy biếnáp là 5,5%Id sụt áp trên điện trở kháng là 3,5% còn sụt áp trên haivan 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 lưucầu 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

Để diod làm việc an toàn và lâu dài ta chọn hệ số dự trữ về ápvà dòng điện là :

KU = 1,6 Ki = 1,2

Ung.max = 1,6.777.7 = 1244(V)Và chịu được dòng trung bình :

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

Tra sách “SỔ TAY LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ BÁN DẪN” ta chọnTransistor 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:

KLC = n an LC

V

U c

.

an LC

2 2

2 425 0

03 , 0 7 , 777

43 , 23

6 2

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

Nếu chọn tụ C = 340F thì :

) ( 21 , 0 10 340

10 8 , 71

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 chọnTransistor 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

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 dòng Id

Vậy suy ra : b = 18,87/4,5 = 4,1

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

Sinh viín thực NGUYỄN VĂN PHƯƠNG Trang

Hình 19

III-4520

20

60

120

44

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

*Trụ ngoài :

Tiết diện thô : 4,4.4,5 = 19,8 (cm2)

Tiết diện hiệu quả : 0,95.19,8 = 18,87.(cm2)Trọng lượng : 0,1887.0,6.7,5 = 0,75 kg

*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 TeslaTrong 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 của 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

,

Chọn dây : d1 = 0,7mm d2 = 0,45mm

Bán kính trong của đường tròn bao trụ :

mm

4 , 31 2

5 , 4 4 ,

+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:

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

P I

U  suy ra :

t

dm t

U

P I

2

V U

5 , 488 8 , 0

UZmax = 488,5(V)

Vậy điện áp đầu vào của bộ biến đổi :

Sinh viín thực NGUYỄN VĂN PHƯƠNG Trang

) ( 7 , 542 9

, 0

5 , 488

f.Tính chọn diod D 0

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

Sơ đồ dqạng sóng biểu diển quá trình dòng điện và điện áp phíasau bộ chỉnh lưu

1 1

t

Hình III-23

Diod cần chọn có dòng cực đại là (chọn hệ số dự trữ dòng điện là KI = 3):

ID = 3.0,073 = 0,22 (A)Và chịu được điện áp ngược là Ung = Ut.KU với KU = 1,35

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:

I- PHÁT XUNG CHỦ ĐẠO :

Khâu phát xung chủ đạo dùng IC555 làm việc ở chế độ phi ổn có

tác dụng tạo ra dãy xung có tần số mong muốn

I-1 Giới thiệu IC555 :

Vi mạch IC555 do hãng Signetics chế tạo gồm 2 khuyếch đại thuật toán OA1, OA2 thực hiện chức năng so sánh một Trigơ, một Transitor và 3 điện trở mỗi cái 5k

Vi mạch có 8 chân như hình vẽ

Sinh viín thực NGUYỄN VĂN PHƯƠNG Trang

Phát xung điều khiển

Phân phối xung

Khuyếc

h đại xung

3

4 8

2

5k 5k 5k

Sô ñoă vi

mách

IC555

&