do an tong hop dien co

Nếu khi đó dòng qua thyristor có giá trị lớn hơn một mực dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì, Idt, thì khi đó thyristor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tính th

Khoá : Khoa : Điện

Giáo viên hướng dẫn : Th.s Nguyễn Đăng Toàn

NỘI DUNGXây dựng mạch điều chỉnh tốc độ cho hệ truyền động điện động cơ DC có đảo chiều có một mạch vòng điều chỉnh tốc độ với bộ biến đổi là chỉnh lưu

thyristor tia ba pha

Thông số động cơ 1 chiều kích từ độc lập Π -71 có các số liệu sau: Pđm= 19kW;

Uưđm = 400V; Iđm = 55A; nđm=1200 vòng/phút; jĐC= 1 kg.m2 ; Rư = 0,5(Ω); Lư= 0,15(H).

PHẦN VIẾT BÁO CÁO

1 Vẽ và giải thích cấu trúc điều khiển hệ truyền động điện

2 Thiết kế bộ điều chỉnh, từ đó mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab/Simulink

3 Tính toán, thiết kế mạch điều chỉnh tốc độ cho hệ truyền động điện

Ngày giao đề : 21/03/2017 Ngày hoàn thành : 20/04/2017

BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU – ĐỘNG CƠ

MỘT CHIỀU

1.1 Giới thiệu về thyristor

Thyristor hay Chỉnh lưu silic có điều khiển (SCR) là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn,ví dụ như P-N-P-N, tạo ra ba lớp tiếp giáp P-N: J1,J2,J3

Thyristor có ba cực: anode (A), cathode (K) và cực điều khiển (G) như được biểu diễn trong hình vẽ Nó được dùng cho chỉnh lưu dòng điện có điều khiển.

Hình 1.1 Cấu tạo và ký hiệu của Thyristor

Không có dòng điện vào cực điều khiển (Ig = 0)

Khi dòng điện vào cực điều khiển của thyristor bằng 0, hay khi hởmạch cực điều khiển, thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa anode và cathode Khi điện áp Uak < 0 theo cấu tạo bán dẫn của thyristor hai tiếp giáp J1, J3 đều phân cực ngược, lớp tiếp giáp J2 phân cực thuận, như vậy thyristor

sẽ giống như hai điốt mắc nối tiếp bị phân cực ngược Qua thyristor

sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Khi Uak tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất sẽ xảy ra hiện tượng

thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn Giống như

ở đoạn đặc tính ngược của điốt quá trình đánh thủng là không thể đảo ngược được, nghĩa là thyristor đã bị hỏng

Khi tăng điện áp anode-cathode theo chiều thuận, Uak > 0, lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng

rò Điện trở tương đương mạch anode-cathode vẫn có giá trị rất lớn Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược Cho đến khi Uak tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch anode-cathode đột ngột giảm, dòng điện có thể chạy qua thyristor và giá trị sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở tải ở mạch ngoài Nếu khi đó dòng qua thyristor có giá trị lớn hơn một mực dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì, Idt, thì khi đó thyristor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận của điốt.

Có dòng điện vào cực điều khiển (iG > 0)

Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển

và cathode thì quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt giá trị lớn nhất.Nói chung nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làmviệc sẽ xảy ra với Uak nhỏ hơn

Mở,khóa thyristor

Khi được phân cực thuận, Uak>0, thyristor có thể mở bằng hai cách Thứ nhất, có thể tăng điện áp anode-cathode cho đến khi đạt

đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth,max.Điện trở tương đương

trong mạch anode-cathode sẽ giảm đột ngột và dòng qua thyristor

sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định Phương pháp này trong thực

tế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn và

không phải lúc nào cũng tăng được điện áp đến giá trị Uth,max

Hơn nữa như vậy xảy ra trường hợp thyristor tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước

Phương pháp thứ hai, được áp dụng trong thực tế, là đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào các cực điều khiển

và cathode Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anode-cathode nhỏ Khi đó nếu dòng qua anode-cathode lớn hơn một giá trị

nhất định gọi là dòng duy trì (Idt) thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng

thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển Điều này nghĩa là có thể điều khiển mở các thyristor bằng cácxung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà

thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện

Các thông số cơ bản

Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor Iv,tb

Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của thyristor không vượt quá một giá trị nhiệt độ cho phép Trong thực tế, dòng điện cho phép chạy qua thyristor còn phụ thuộc vào điều kiện làm mát và môitrường Có thể làm mát tự nhiên nhưng hiệu suất không cao, vì thế với yêu cầu cao hơn người ta làm mát cưỡng bức thyristor bằng quạtgió hoặc bằng nước, tuy nhiên điều này có thể khiến kích thước thiết

bị tăng đáng kể, dùng cho các thiết bị có công suất lớn Nói chung

có thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm mát như sau

• Làm mát tự nhiên: dòng sử dụng cho phép tới một phần ba dòng cho phép Iv,tb

• Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: dòng sử dụng cho phép bằng hai phần ba dòng cho phép Iv,tb

• Làm mát cưỡng bức bằng nước: có thể sử dụng đến 100% dòngIv,tb

Điện áp ngược cho phép lớn nhất Ung,max

Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên thyristor.Trong các ứng dụng phải đảm bảo rằng tại bất kỳ thời điểm nào điện

áp giữa anode và cathode Uak luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ung,max Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là Ung,max phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 - 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp

Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor τ(μs)

Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên

giữa anode và cathode của thyristor sau khi dòng anode-cathode đã

về bằng không trước khi lại có thể có điện áp Uak dương mà

thyristor vẫn khóa τ là một thông số quan trọng của thyristor

Thông thường phải đảm bảo thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5-2 lần τ

Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt (V/μs)

Thiristor là một phần tử bán dẫn có điều khiển, có nghĩa là dù được phân cực thuận (Uak>0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng chạy qua Khi thyristor phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J2 như hình vẽ

Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ dày của nó mở ra, tạo ra vùng không gian nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua Vùng không gian này có thể coi như một tụ diện có điện dung Cj2 Khi có

điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện của tụ có thể có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển Kết quả là thyristor có thể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G.

Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt thyristor tần số thấp với thyristor tần số cao Ở thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng

50 đến 200 V/μs còn với các thyristor tần số cao dU/dt có thể lên tới

500 đến 2000 V/μs

Tốc độ tăng dòng cho phép dI/dt (A/μs)

Khi thyristor bắt đầu mở không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của nó đều dẫn dòng đồng đều Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một vài điểm, gần với cực điều khiển nhất, sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện Nếu tốc độ tăng dòngđiện quá lớn có thể dẫn tới mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá nhanh dẫn đến hỏng cục bộ,

từ đó dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn

Tốc độ tăng dòng cho phép ở các thyristor tần số thấp vào khoảng 50÷100A/μs, với các thyristor tần số cao dI/dt vào khoảng

500÷2000A/μs Trong các bộ biến đổi phải luôn có các biện pháp đảm bảo tốc độ tăng dòng dưới giá trị cho phép Điều này đạt được nhờ mắc nối tiếp các phần tử bán dẫn với các điện kháng nhỏ, lõi không khí hoặc đơn giản hơn là các xuyến ferit lồng lên nhau Các xuyến ferit rất phổ biến vì cấu tạo đơn giản, dễ thay đổi điện cảm bằng cách thay đổi số xuyến lồng lên thanh dẫn Xuyến ferit còn có tính chất của cuộn cảm bão hòa, khi dòng qua thanh dẫn còn nhỏ điện kháng sẽ lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng Khi dòng đã lớn ferit

bị bão hòa từ, điện cảm giảm gần như bằng không Vì vậy cuộn kháng kiểu này không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức chạy qua dây dẫn

1.2 Giới thiều về động cơ điện 1 chiều

Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi làmột loại máy quan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máymóc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng

Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như khả năngđiều chỉnh tốc độ rất tốt, khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khảnăng quá tải Chính vì vậy mà động cơ một chiều được dùng nhiềutrong các nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độnhư cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải,các nghành công nghiệphay đòi hỏi dùng nguồn điện một chiều

Bên cạnh đó, động cơ điện một chiều cũng có những nhượcđiểm nhất định của nó như so với máy điện xoay chiều thì giá thành

đắt hơn chế tạo và bảo quản cổ góp điện phức tạp hơn (dễ phát sinhtia lửa điện) nhưng do những ưu điểm nổi trội của nó nên động cơđiện một chiều vẫn có một tầm quan trọng nhất định trong sản suất.

1.2.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính:phần tĩnh và phần động

+ Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính vàdùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép của cực từ phụ thường làmbằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu rạogiống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máynhờ những bulông

+ Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồngthời làm vỏ máy Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thépdày uốn và hàn lại Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có khitrong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

+ Các bộ phận khác:

- Náp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hưhỏng dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máyđiện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trongtrường hợp này nắp máy thường làm bằng gang

- Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài Cơcấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một

lò xo tì chặy lên cổ góp Hộp chổi than được cố định trên giá chổithan và cách điện với giá Giá chổi than có thể quay được để điềuchỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ Sau khi điều chỉnh xong thì dùngvít cố định lại

1.2.1.2 Phần quay

Bao gồm những bộ phận chính sau :

+ Lõi sắt: Là phần ứng dùng để dẫn từ Thường dùng nhữngtấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặtrồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên Trên láthép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì dặt dây quấn vào

Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những

lỗ thông gió để khi ép lạ thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thônggió dọc trục

Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếpvào trục Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto.Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọnglượng rôto.

+ Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh rasuất điện động và có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứngthường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong máy điện nhỏ cócông suất dưới vài kw thường dùng dây có tiết diện tròn Trong máyđiện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật Dây quấn đượccách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép

Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùngnêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn Nêm có làm bằng tre, gỗhay bakelit

+ Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành mộtchiều Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhaubằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trụctròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữavành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica Đuôi vành góp có caolên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và cácphiến góp được dễ dàng

+ Các bộ phận khác:

- Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy Máy điện mộtchiều thường chế tạo theo kiểu bảo vệ Ở hai đầu nắp máy có lỗthông gió Cánh quạt lắp trên trục máy , khi động cơ quay cánh quạthút gió từ ngoài vào động cơ Gió đi qua vành góp, cực từ lõi sắt vàdây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy

- Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ

bi Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt

1.2.2 Động cơ một chiều kích từ độc lập

1.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý:

RfĐ

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ độc lập

Ta có phương trình đặc tính cơ: ( Φ)2

+

−Φ

=

K

R R K

1.2.2.2 Ảnh hưởng của điện trở phần ứng :

Giả thiết : Uư=Uđm=const

Φ = Φđm=const Khi ta đổi điện trở mạch phần ứng ta có tốc độ không tải lýtưởng:

ω0 =

Const K

U

dm

dm = Φ

Độ cứng đặc tính cơ:

β =

Var R

R

K M

f u

=+

càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc Ứngvới Rf = 0

Hình 1.3: Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập

khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng 1.2.2.3 Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:

Giả thiết : Φ = Φdm = const

Rư = const Khi thay đổi điện áp phần ứng : Uư<Uđm ta có:

Tốc độ không tải lý tưởng :

Var K

Hình 1.4: Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập

khi giảm áp đặt vào phần ứng động cơ 1.2.2.4 Ảnh hưởng của từ thông:

Giả thiết : Uư = Uđm = const

Rư = const Khi ta thay đổi từ thông tức là ta thay đổi dòng kích từ (Ikt) độngcơ

Tốc độ không tải lý tưởng:

Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từthông Nên khi từ thông giảm thì ω x

U I

U

dm

Mô men ngắn mạch: Mnm = KΦxInm = var

Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thôngđược biểu diễn trên hình 1.5

Với dạng mômen phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc củađộng cơ thì khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên (Hình 1.5 b)1.3 Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều

1.3.1 Khái niệm chung về hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều

Là bộ chỉnh lưu liên hệ nguồn xoay chiều với tải một chiều, nghĩa làđổi điện áp xoay chiều của nguồn thành điện áp một chiều trên phụtải

Điện áp một chiều trên tải không được lý tưởng như điện áp của ắcquy mà có chứa các thành phần xoay chiều cùng với một chiều

Đầu ra của các sơ đồ chỉnh lưu được coi là một chiều nhưng thực sự

là điện áp đập mạch Trị số điện áp một chiều, hiệu áp suất ảnhhưởng của chúng do nguồn xoay chiều rất khác nhau

Bộ biến đổi Thyristor với chuyển mạch tự nhiên có điện áp (dòngđiện) ra là 1 chiều là các thiết bị biến nguồn điện xoay chiều 3 phathành điện áp 1 chiều điều khiển ngược

Hoạt động của mạch do nguồn điện xoay chiều quyết định vì nhờ đó

mà có thể thực hiện được các chuyện mạch dòng điện giữa các phần

tử lực

Việc phân loại chỉnh lưu phụ thuộc nhiều yếu tố:

- Theo số pha có: Chỉnh lưu 1 pha, chỉnh lưu 3 pha

- Theo sơ đồ nối có: Chỉnh lưu nửa chu kỳ, chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ,chỉnh lưu hình cầu, chỉnh lưu hình tia

- Theo sự điều khiển có: Chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu cóđiều khiển, chỉnh lưu bán điều khiển

1.3.2 Giới thiệu sơ đồ

Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống chỉnh lưu – động cơ một chiều

Trong đó:

+ Đ: động cơ một chiều kích từ độc lập, thực hiện chức năng biếnnăng lượng điện một chiều thành cơ năng truyền động cho cơ cấusản xuất

+ BBĐ: là bộ biến đổi van có điều khiển, thực hiện chức năng biếnnăng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều cungcấp cho động cơ

+ Uđ tín hiệu điện áp đặt

+ FT máy phát tốc thực hiện chức năng khâu phản hồi âm tốc độ

+TH & KĐ là khối tổng hợp và khuyếch đại tín hiệu

+ FX là mạch phát xung

1.3.2.1 Hoạt động của hệ thống

Giả sử ban đầu hệ thống đã được đóng vào lưới với điện ápthích hợp, lúc này động cơ vẫn chưa làm việc Khi ta đặt vào hệ

thống một điện áp đặt Uđ ứng với một tốc độ nào đó của động cơ.Thông qua khâu TH & KH và mạch FX sẽ suất hiện các xung đưa tớicác chân điều khiển của các van của bộ biến đổi, nếu lúc này nhómvan nào đó đang được đặt điện áp thuận, van sẽ mở với góc mở α.Đầu ra của BBĐ có điện áp Ud đặt nên phần ứng động cơ→động cơquay với tốc độ ứng với Uđ ban đầu.

Trong quá trình làm việc, nếu vì một nguyên nhân nào đó làm chotốc độ động cơ giảm thì qua biểu thức : UĐK = Uđ - ϒn

khi n giảm →UĐK tăng →α giảm →Ud tăng → n tăng về điểm làm việcyêu cầu Khi n tăng quá mức cho phép thì quá trình diễn ra ngượclại Đây là nguyên lý ổn định tốc độ

* Đặc tính cơ của hệ thống truyền động:

Chế độ dòng điện liên tục:

Dòng điện chỉnh lưu Id chính là dòng phần ứng

Dựa vào sơ đồ thay thế (hình 2.2) viết được sơ đồ đặc tính

I K

X R K

E n

dm

K dm

do

φφ

α

cos

=

M K

X R K

E n

dm

K dm

do

2

).(

cos

φφ

α − +

=Đặc tính cơ có độ cứng K

dm

X R

K

+

= ( φ )2β

Xk : Đặc trưng cho sụt áp do chuyển mạch giữa các van

Thay đổi góc điều khiển:

+ Khi α =0÷π  sđđ chỉnh lưu biến thiên từ Edo đến - Edo và ta đượcmột họ đặc tính song song nhau nằm ở nửa bên phải mặt phẳng toạ

độ [ω,M] do các van không cho dòng điện phần ứng đổi chiều.

Các đặc tính cơ của hệ T - Đ mềm hơn các đặc tính cơ của hệ F - Đbởi thành phần sụt áp ∆U kdo hiện tượng chuyển mạch giữa các van

bán dẫn gây nên

Hình 1.7: Họ đặc tính cơ của hệ

+ Khi π2 ≤α ≤αmax

: Bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu phụthuộc, biến cơ năng của tải thành điện năng xoay chiều cùng tần sốlưới và trả về lưới điện Động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh khitải có tính thế năng

Dòng điện trung bình của mạch phần ứng:

K

d

X R

E E I

+

−

=Phương trình đặc tính:

I K

X R K

E

dm

K dm

φφ

β

- Chế độ dòng điện gián đoạn:

Trong thực tế tính toán hệ T - Đ chỉ cần xác định biên giớivùng dòng điện gián đoạn, là đường phân cách giữa vùng dòng điệnliên tục và dòng điện gián đoạn Trạng thái biên liên tục là trạng thái

mà góc dẫn λ= 2π /p và góc chuyển mạch µ=0 Đường biên liên tụcgần là đường elip

Để giảm độ lớn của trục nhỏ elip, tăng số pha của chỉnh lưu Tuynhiên khi tăng số pha chỉnh lưu sơ đồ sẽ phức tạp

1.3.2.2 Đánh giá chất lượng của hệ thống

+ Chuyển mạch làm việc khó khăn do đường đặc tính nằmtrong mặt phẳng toạ độ

+ Trong thành phần của hệ biến đổi có MBA nên hệ số cosϕthấp

+ Do vai trò chỉ dẫn dòng một chiều nên việc chuyển đổi chế

độ làm việc khó khăn với các hệ thống đảo chiều

+ Do có vùng làm việc gián đoạn của đặc tính nên không phùhợp truyền động có tải nhỏ

CHƯƠNG II : TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU THYRISTOR HÌNH TIA BA PHA , THIẾT KẾ MẠCH LỰC HỆ TRUYỀN

ĐỘNG

2.1 Lựa chọn thiết bị mạch động lực

Mạch động lực bao gồm các phần tử: sơ đồ chỉnh lưu, cuộnkháng, máy biến áp động lực, các phần tử R-C Theo đề ra thì động

cơ là động cơ một chiều kích từ độc lập có:

Công suất truyền động: 19kw

θ

b) Hình 2.1: Sơ đồ (a), đồ thị (b) chỉnh lưu Tiristor hình tia 3 pha

Đồ thị điện áp Ud của mạch chỉnh lưu này thể hiện trên hình2.3b với góc điều khiển α

, điện áp Ud sẽ có đoạn bằng 0, vì vậy khi tảithuần trở, dòng điện tải Id sẽ gián đoạn, tức là có những đoạn id = 0,

và dòng điện qua van luôn kết thúc khi điện áp pha về 0 Đồ thị Ud

có dạng ở trên hình 2.4b , theo đó có:

3

) 30 cos(

1

3

) 30 cos(

1 2

6 3

) 30 cos(

1 2

2 3

sin 2 2

3 )

( 2

1

0 0

0 2

0 2

2 2

0

+ +

=

+ +

=

+ +

απ

θθπ

θθπ

π α

π α

d

d d

U U U

d U

d U U

(2.1)

0 a)

0 b) 30 o

30 o

120°

+ Nếu α

<300, dạng điện áp Ud ở hình 2.4b Ta thấy rằng điện

áp Ud luôn lớn hơn 0 Như vậy với tải thuần trở, dòng điện id sẽ luôntồn tại và chạy liên tục qua tải, vì vậy dạng dòng này gọi là dòngliên tục Ở đây qui luật điện áp Ud khác đi, không tuân theo biểuthức (2.1) vừa có Với lưu ý rằng 3 van sẽ thay nhau dẫn trong mộtchu kỳ, nên mỗi van dẫn một khoảng 3

2π, do đó:

αα

πθθπ

α α

2

63sin

22

3

0 2

120 30

30

2

0 0

d

phụ thuộc vào chế độ dòng: Nếu dòng gián đoạn tuân theo quiluật (2.1); nếu dòng liên tục lại theo (2.2)

Nguyên lý hoạt động:

Giả thiết tải : R, L,Eu , chuyển mạch tức thời.

Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp:

2sin(

4sin(

1 3

3

1 2

2

1

u u

u

u u

+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u1 : ud = u1

+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện qua van 1: id = Id = i1

2 1 1

u u u

u u u

u

v v v

T2 mở, T1, T3 đóng

+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u2: ud = u2

+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện dòng điện qua van 2:

3 1 1

u u u

u u u

u

v v v

T3 mở, T1, T2 đóng

+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u3: ud = u3

+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện dòng điện qua van 3:

id = Id = i3

+Dòng điện qua T1, T2 bằng 0: i1 = i2 = 0

Trong nhịp V3: uV1 từ âm chuyển lên 0, khi uV1 = 0 thì T1 mở, lúc này uV3 = u3 –u1 = 0 và bắt đầu âm nên T3 đóng, kết thúc nhịp V3, bắt đầu nhịp V1

Trong mạch ,dạng sóng của dòng điện phụ thuộc vào tải, tải thuần trở dòng điện

id cùng dạng sóng ud ,khi điện kháng tải tăng lên ,dòng điện càng trở nên bằng phẳnghơn ,khi Ld tiến tới vô cùng dòng điện id sẽ không đổi, id = Id

Hệ thống bộ chỉnh lưu - động cơ có đảo chiều

Bộ chỉnh lưu kép điều khiển chung:

Trong bộ chỉnh lưu kép điều khiển chung, xung kích được đưa tới cả hai bộchỉnh lưu nhưng với góc kích khác nhau, sao cho tổng điện áp DC của hai bộ chỉnhlưu là zero để không có dòng DC chạy qua móc vòng trong hai bộ chỉnh lưu Do đó:

02

V

0 cos

⇒ Vd α Vd α

0 cos

0 2

1 + = 180

(1)Công thức (1) cho thấy khi một bộ chỉnh lưu hoạt động ở chế độ chỉnh lưu, bộcòn lại hoạt động ở chế độ nghịch lưu Do hai bộ chỉnh lưu hoạt động ở các chế độkhác nhau, điện áp tức thời ngõ ra của chúng khác nhau, dẫn đến có dòng cân bằngxoay chiều chạy vòng trong hai bộ chỉnh lưu Để giảm dòng cân bằng, cuộn kháng cânbằng L1 và L2 phải được thêm vào mạch chỉnh lưu như hình vẽ Như vậy, mặc dù cảhai bộ chỉnh lưu đều hoạt động, khi động cơ đang làm việc theo một chiều nào đó thìchỉ có một bộ chỉnh lưu cung cấp dòng cho phần ứng động cơ, còn bộ chỉnh lưu kiachỉ tải dòng cân bằng

Quá trình đảo chiều động cơ diễn ra như sau: giả sử ban đầu động cơ hoạt độngtheo chiều thuận (góc phần tư thứ nhất) với bộ chỉnh lưu 1 ở chế độ chỉnh lưu Khiđảo chiều, góc kích α1

sẽ được tăng lên và α2

giảm đi theo quan hệ (1) Sức điệnđộng E của động cơ sẽ lớn hơn

Hình 2-6

Ưu điểm: Bộ chỉnh lưu kép điều khiển chung có mạch điều khiển đơn giản hơn

kiểu điều khiển riêng Dòng điện phần ứng động cơ có thể đảo chiều một cách tựnhiên, nên hệ thống có độ ổn định tốc độ tốt trong suốt dải làm việc của đặc tính cơ

Nhược điểm: Việc thêm cuộn kháng cân bằng khiến hệ thống trở nên cồng kềnh,

tăng giá thành, giảm hiệu suất và hệ số công suất Đáp ứng quá độ trở nên chậm đi dothời hằng phần ứng tăng thêm

2.2 Tính chọn thiết bị mạch động lực

2.2.1 Tính chọn động cơ

Động cơ được chọn là động cơ 1 chiều kích từ độc lập có:

Uđm =400 V, nđm =1200v/p, P =19kW

Các thông số cơ bản còn lại của động cơ

U2a,U2b,U2c sức điện động thứ cấp máy biến áp nguồn

E : sức điện động của động cơ

R, L :điện trở, điện cảm trong mạch

R = 2.Rba + Ru + Rk + Rdt

L = 2.Lab + Lu + LkRba, Lba: điện trở, điện cảm của MBA qui đổi về thứ cấp

Rk, Lk: điện trở và điện cảm cuộn kháng lọc

Rdt: điện trở mạch phần ứng động cơ được tính :

)()

15,

=

udm

udm u

Lấy γ = 0,25 là hệ số lấy cho động cơ điện một chiều cócuộn bù.

2.2.2 Tính chọn công suất máy biến áp động lực.

Như ở phần thiết kế ta đã chọn máy biến áp động lực có tổ đấudây Y/Y0 ở phần này ta tính toán các thông số cho nó Máy biến ápđược chọn theo điều kiện:

+ Uđm là điện áp định mức động cơ

+ Ku là hệ số xét tới ảnh hưởng khả năng ảnh hưởng dao độngtrong phạm vi cho phép của điện áp lưới thường lấy Ku = 1,05 ÷ 1,1 ,

ta chọn Ku = 1,1

+ Kα là hệ số kể đến góc điều khiển nhỏ nhất (αmin) nhằm đảmbảo chắc chắn hệ thống không rơi vào trạng thái lật nhào nghịchlưu, ta chọn:αmin = 100

⇒ αmax = arc cos( 2

min

.34

π

= = 467,8 (V) U2 = u

Ucb

Ud2

Ud1

t t t

sụt áp trên dây nối và cuộn kháng, trên các van KR thường đượcchọn : KR = 1,15 ÷ 1,25, ta chọn: KR = 1,15

Ka là hệ số phụ thuộc sơ đồ chỉnh lưu

85,06322

6

3

2

2 0

fdm a

U

U U

U K

Cuối cùng thay các giá trị hệ số vào ta được:

U2đm ≥ 0,85.1,1.1,015.1,15.400 = 436,5 (V)

* Chọn giá trị hiệu dụng của dòng pha thứ cấp

Để đơn giản ta bỏ qua giá trị của dòng cân bằng, khi đó ta có:

I2đm = Iđm / 3 = 59,4/ 3

= 34,3 (A)

+ Giá trị hiệu dụng của dòng pha sơ cấp:

I1đm = (m 2Iđm )/ 3, với m = U2/U1 = 425/400 = 1,06 là hệ sốbiến áp

⇒ I1đm = 101,5 (A)

* Công suất máy biến áp

Dựa vào các số liệu đã tính được ở trên ta chọn máy biến áp cócác số liệu sau:

bộ biến đổi phải làm việc nặng nề hơn và nó có khả năng phá hỏngcác tiristo nếu ta không tìm cách hạn chế Vì vậy nhất thiết phải đặtthêm cuộn kháng cân bằng Để minh hoạ ta xét α1 = 300, α2 = 1500:

Qua hình vẽ ta thấy rằng: trong khoảng thời gian từ 0 ÷ θ1 dòngcân bằng chảy từ T5 vào T2 Từ θ2 ÷ θ3 dòng cân bằng chạy từ T1 vàoT4

Chênh lệch điện áp giữa hai bộ biến đổi là:

u12 = uT5 - uT2 = uT1- uT4 = ua - ub = 6u2sin(ωt + π/6)

Gọi X1 = X2 = X là điện kháng của hai cuộn kháng cân bằng.Dịch gốc toạ độ theo chiều ωt một góc 1500 điện thì:

u12 = - 6u2 sinθ , với θ = ωt

u12 = 2X(di/ dωt) ⇔ 6u2sinθ = 2X (di/dωt)

⇒i = ( 6 u2cosωt)/ 2X + CKhi ωt = θ2 thì icb = 0

⇔ i = 6 u2 (cosωt - cosθ2) / 2XGiá trị trung bình của dòng điện cân bằng:

t d t

u

α π

θ θ

)cos(cos

2

62

3

2 2

2

6

3

2 2

là dữ dội nhất, ta sẽ tính cuộn kháng theo góc α này Để đơn giản ta

bỏ qua ảnh hưởng của cuộn cân bằng

Nếu lấy gốc toạ độ là 01 thì ta có thể viết:

Ud = 2

u2sinωtKhai triển Furie của điện áp ud ta có:

Ud = b1 sin3ωt + b2sin6ωt + + bnsin3nωt

t d t n U

π

π

.3sin

6 3 0

π

π

.3sin3sin2

6

2 3

0

1 = ∫−

)(06,228)

3

2sin2

13

4sin4

1(23

πTương tự ta có:

)(26,104

6sinsin

2

6

2

3 0

b = ∫− ω ω ω =π

π

Trị hiệu dụng của các thành phần xoay chiều:

R C

Ud1 =  (b1/ 2) = 161,26 (V) Ud2 =  (b2/ 2) = 73,72 (V)Giá trị hiệu dụng của các thành phần dòng xoay chiều ( khi bỏqua điện cảm của động cơ và điện trở thuần ) là:

)(

3

1

2 2

1

1 1

CK CK

d

CK CK

d

L L

U I

L L

U I

+

=

+

=ω ω

CK, CK1là cuộn kháng cân bằng và san bằng

* Tổng giá trị hiệu dụng của các thành phần dòng xoay chiều:

⇒ Ixc = Id21 + Id

2 2

Ixc phải thoả mãn nhỏ hơn 10 % Iđm

U U

⇒ LCK ≥ 0,193 (H)

Từ đây ta chọn cuộn kháng cân bằng có các thông số sau:

LCK = 200 (mH)RCK = 0,48 (Ω)

Từ đó ta tính được: I1 = 0,877 (A) ; I2 = 0,2 (A)

+ Công suất tác dụng của cuộn kháng san bằng:

P = (I2 đm + I1 2 + I22)RCK = 39 (W)+ Công suất phản kháng của cuộn kháng:

Q = X1I1 + X2I2 = 56 ( VAR)+ Công suất biểu kiến của cuộn kháng:

+ Quá gia tốc dòng, áp do quá trình chuyển mạch

+ Quá gia tốc dòng, áp do cộng hưởng

+ Quá gia tốc dòng, do cắt máy biến áp ở chế độ không tải haytải nhỏ

Để bảo vệ an toàn cho các van trước những tác nhân nêu trên

ta dùng các phần tử R-C mắc song song với các tiristo như hình vẽ

Trị số của R, C có thể tra theo các đường

cong được xây dựng bằng máy tính

L I F

L : Là điện cảm quy đổi của toàn bộ mạch,tra đường cong tađược

C = 0,346 µF và R = 3,9 KΩ

2.3 Thuyết minh sơ đồ nguyên lý mạch lực hệ truyền động

2.3.1 Sơ đồ

ck CB1

2.3.2 Nguyên lý làm việc của mạch động lực

Ban đầu đưa hệ thống vào làm việc, ta đóng áptômát AB hệthống được cấp nguồn Tuy nhiên lúc này động cơ chưa làm việc

Giả sử BBĐ1(gồm các van: T1, T2, T3) khi làm việc ở chế độchỉnh lưu thì động cơ quay thuận; BBĐ2 (gồm các van: T4, T5, T6)khi làm việc ở chế độ chỉnh lưu thì động cơ quay ngược Khi ta phátxung đến mở cho các van ở BBĐ1 với góc mở α1 < 900 và BBĐ2 vớigóc mở α2 > 900 với quan hệ góc mở: α1 + α2 = 1800

Lúc này ở đầu ra của hai BBĐ có điện áp ra là: ud1 và ud2

ud1 = Ud0cosα1

ud2 = Ud0 cosα2

Điện áp đặt nên động cơ là ud , điện áp cân bằng là điện ápgiữa hai điểm N- M,

ud = uk - 0ucb = ud1 + ud2 = ud1 - ( - ud2 )

2

)2

(2

2 1

2 1

1 1

d d

d

d d

d

cb d

d

u u

u

u u

u

u u

Như ta biết rằng cuộn kháng có Rk nhỏ Lk lớn và dòng cân bằng

là dòng đập mạch Như vậy cuộn kháng dễ dàng cho thành phầndòng một chiều Id đi qua và cản hiệu quả dòng đập mạch icb

Cuộn kháng CK có nhiệm vụ san phẳng dòng điện tải Id

iT1 iT2 iT3 iT4 iT5 iT6

a)

b) Hình 2.6 Giản đồ điện áp và dòng điện mạch động lực

với α

=30 0 (a) và α

=90 0 (b)

CHƯƠNG IV THUYẾT MINH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

4.1 Nguyên lý làm việc của mạch động lực

4.1.1 Khi động cơ làm việc thuận:

Đóng áp tô mát AB cung cấp điện áp ba pha cho máy biến ápđộng lực BA Khi đó hai bộ biến đổi hình tia ba pha song song ngược

sẽ được cấp điện áp Các van từ T1÷T6 lần lượt được đặt các điện ápthuận theo chiều biến thiên của điện áp ba pha Các van T1, T2, T3được điều khiển với góc mở α1 < 900, còn các van T4, T5, T6 đượcđiều khiển mở với góc mở α2 > 900 sao cho:

α1 + α2 = 1800 Lúc này điện áp chỉnh lưu của hai nhóm van là:Ud1 = Ud0 cosα1> 0

Ud2 = Ud0cosα2 < 0

Động cơ sẽ quay theo chiều thuận phù hợp với chiều của Ud1.Còn bộ biến đổi hai làm việc ở chế độ nghịch lưu đợi

4.1.2 Khi động cơ làm việc theo chiều ngược:

Tương tự như khi làm việc theo chiều thuận Lúc này các van T1, T2,T3 được điều khiển với góc mở α1 > 900, còn các van T4, T5, T6 đượcđiều khiển mở với góc mở α2 < 900 sao cho:

Ud1 = Ud0 cosα1< 0

Ud2 = Ud0cosα2 > 0

Động cơ sẽ quay theo chiều ngược phù hợp với chiều của Ud2

4.2 Nguyên lý làm việc của mạch điều khiển

Mạch điều khiển của hệ thống được thiết kế theo các yêu cầu

kỹ thuật là:

+ Ổn định và điều chỉnh tốc độ

mở α2>900, tức là làm việc ở chế độ nghịch lưu đợi.

Trong qúa trình làm việc nếu có sự thay đổi của tải, giả sử tảităng khiến tốc độ động cơ giảm ⇒ (Ucđ - ϒn) sẽ tăng ⇒ điện áp điềukhiển sẽ tăng ⇒ góc mở α1 giảm ⇒ Ud1 tăng kéo tốc độ động cơ trởlại điểm làm việc yêu cầu Nếu tải giảm qúa trình diễn ra ngược lai

Đó chính là nguyên lý ổn định tốc độ

Chất lượng của qúa trình ổn định tốc độ được đánh giá qua chỉtiêu: S*=1,8%

Khi muốn thay đổi tốc độ ta điều chỉnh biến trở WR3 khi đó điện

áp chủ đạo sẽ thay đổi, dẫn đến điện áp điều khiển thay đổi ⇒ góc

mở α thay đổi ⇒ điện áp chỉnh lưu thay đổi ⇒ tốc độ động cơ thayđổi theo Điện áp chủ đạo được điều chỉnh nhờ biến trở WR3 là vôcấp do đó tốc độ động cơ cũng được điều chỉnh vô cấp

4.2.2 Khả năng hạn chế phụ tải

Giả sử trong qúa trình làm việc tải của hệ thống tăng quá mứccho phép khi đó dòng phần ứng động cơ sẽ tăng quá mức cho phép,điều này là không cho phép Trong hệ thống có tính đến khả năngnày Khi dòng phần ứng tăng quá giá trị ngắt thì khâu ngắt dòng sẽtham gia tác động làm giảm điện áp điều khiển ⇒ góc mở α có xuhướng tiến tới 900 làm cho điện áp chỉnh lưu giảm và dòng phần ứng

sẽ không tăng quá lớn

Mặt khác, khi điện áp chỉnh lưu giảm ⇒ tốc độ động cơ sẽ giảm(đủ nhỏ) lúc này khối cải thiện cất lượng động sẽ tác động tiếp tụchạn chế góc mở và dòng điện phần ứng sẽ được hạn chế nhỏ hơnmức cho phép, giá trị này là 18A

4.2.3 Quá trình đảo chiều động cơ

Để đảo chiều quay động cơ ta thay đổi đóng mở tiếp điểm T, N,tức là đảo chiều điện áp chủ đạo

Giả sử T đang đóng và động cơ đang quay theo chiều thuậnnếu ta đồng thời mở T và đóng N thì điện áp chủ đạo đảo từ dươngsang âm ⇒ điện áp đầu ra của khâu khuyếch đại trung gian sẽ đảodấu từ âm sang dương Tuy nhiên lúc này động cơ vẫn quay thuậnnên khối cải thiện chất lượng động sẽ tham gia tác dụng làm cho

KTGKTHKHC KBĐ KĐ nUcđ

động cơ được hãm tái sinh Khi tốc độ động cơ giảm dần thì điốt Dkhoá lại khiến điện áp điều khiển của nhóm van anốt chung có giá trịdương ⇒ động cơ chuyển từ hãm tái sinh sang hãm ngược Khi n = 0động cơ sẽ được tự động khởi động theo chiều ngược lại

Xây dựng đặc tính tĩnh của hệ thống là xây dựng đặc tínhn=ƒ(I) hoặc n=ƒ(M) qua đó kiểm tra được độ sụt tốc độ, tức là đánhgiá được sai lệch tĩnh của hệ thống xem có đảm bảo yêu cầu đặt racủa công nghệ hay không; đồng thời cũng kiểm tra các giá trị dòngđiện ngắt, dòng điện dừng, hãm xem có đảm bảo an toàn cho hệthống hay không Từ đó đánh giá được năng lực quá tải của hệthống; khả năng tác động nhanh của hệ thống cũng như độ an toàncủa hệ thống trong quá trình làm việc

Do động cơ một chiều kích từ độc lập có đặc tính n = ƒ(I) và n

= ƒ(M) đồng dạng nhau tức là có thể suy ra đặc tính n= ƒ(M) từ đặctính n= ƒ(I) do đó ta chỉ xây dựng quan hệ n = ƒ(I) và gọi là đặc tính

cơ của hệ thống

Khi xây dựng đặc tính ta đưa ra các giả thiết sau:

+ Động cơ làm việc ở chế độ dài hạn

+ Hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi là hằng số

+ Tiristo là phần tử bán dẫn tác động nhanh không có quán

tính

+ Điện trở phần ứng động cơ không thay đổi trong suốt qúa

trình làm việc

+ Điện cảm phần ứng của động cơ và các cuộn kháng đủ lớn

để duy chì dòng điện tải là liên tục

5.2 Xây dựng đặc tĩnh

5.2.1 Xây dựng đặc tính trong vùng làm việc

Viết phương trình kiếc hốp cho động cơ ta có:

Ud = Ke φ n + ∆U +UR

∆U = 1,4 V là sụt áp trên các tiristo

⇒ n = (Ud - IưR - ∆U )KĐ với KĐ = 1/ Ke φ = 7,8

(1- )K'HC KTGKTH KBĐ

n Ucđ

Từ sơ đồ cấu trúc ta viết được:

n = (Ucđ - ϒn).KTGKTHKBĐKHCKĐ - (∆U +IưR).KĐ

K R I U K

U

γ+

K là hệ số khuyếch đại của hệ thống: K = 447779

R là điện trở mạch phần ứng ; R = 1,51 Ω

+ Khi: n = nmax ; Iđm = 100 A ⇒ Ucđ = Ucđ max = 12,0029V

+ Khi: n = nmin; Iđm = 9 A ⇒ Ucđ = Ucđmin = 0,0153 V

* Điểm không tải lý tưởng (I = 0)

) / ( 037 , 2 621504

005 , 0 1

8 , 7 4 , 1 621504

0153 , 0

) / ( 041 , 1500 621504

0075 , 0 1

8 , 7 4 , 1 621504

0029 , 12

min 0

max 0

ph v n

ph v n

= +

−

=

= +

−

=

* Điểm giới hạn vùng làm việc, chọn Ing = 12,5 A

Ucđ = Ucđmax ⇒ n = 1499, 979 v/ phUcđ = Ucđmin ⇒ n = 1,976 v/ph

* Đánh giá chất lượng tĩnh:

S* = ( n0min - nmin ) / n0min = ( 2,037 - 2 )/ 2,037 = 0,0181 = 1,81

%

[ S*] < 3 % Như vậy sai lệch tốc độ tĩnh đảm bảo yêu cầu