TỔNG QUAN
Tổng quan về động cơ một chiều kích từ độc lập
1.1.1 Cấu tạo và đặc tính cơ của động cơ một chiều Động cơ một chiều bao gồm 2 phần phần cảm (phần tĩnh) và phần ứng (phần quay) a Phần cảm (stator)
Phần cảm của máy điện một chiều, được gọi là stator, bao gồm lõi thép đúc làm mạch từ và vỏ máy, cùng với các cực từ chính có dây quấn kích từ Dòng điện chạy trong dây quấn này tạo ra các cực từ có cực tính luân phiên Cực từ chính được gắn vào vỏ máy bằng bulông, bên cạnh đó, máy còn có nắp máy, cực từ phụ và cơ cấu chổi than.
Hình 1.1: Cực từ chính b Phần ứng (rotor)
Rôto gồm lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và trục máy
Hình 1.3: Dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều
Lõi thép phần ứng được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm, được phủ sơn cách điện và ghép lại với nhau Các lá thép này được thiết kế với các lỗ thông gió và rãnh để lắp đặt dây quấn phần ứng, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Dây quấn phần ứng bao gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp, được đặt trong các rãnh của phần ứng để tạo thành một hoặc nhiều vòng kín Mỗi phần tử của dây quấn là một bối dây, bao gồm một hoặc nhiều vòng dây, với hai đầu được kết nối với hai phiến góp của vành góp Hai cạnh tác dụng của phần tử nằm trong hai rãnh dưới hai cực từ khác nhau.
Cổ góp, hay còn gọi là vành góp hoặc vành đổi chiều, là một cấu trúc hình trụ được tạo thành từ nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn Các phiến này được ghép lại với nhau, có tính năng cách điện với nhau và với trục máy.
-Các bộ phận khác nhƣ trục máy, quạt làm mát máy…
1.1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Stator của động cơ điện một chiều thường bao gồm một hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện Rotor được trang bị các cuộn dây quấn và kết nối với nguồn điện một chiều Một phần quan trọng khác của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu, có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong khi rotor quay liên tục Bộ phận này thường bao gồm cổ góp và bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.
Máy điện một chiều bao gồm một khung dây hình chữ nhật abcd và hai phiến góp quay quanh trục với tốc độ không đổi trong từ trường của hai cực nam châm N-S Các chổi điện A và B được đặt cố định và tiếp xúc với phiến góp để dẫn điện.
Khi áp dụng điện áp một chiều U vào hai chổi điện A (dương) và B (âm), dòng điện sẽ chạy qua khung dây abcd trong từ trường, tạo ra lực điện từ theo quy tắc bàn tay trái, làm quay khung dây Khi rotor quay nửa vòng, các thanh dẫn ab và cd đổi chỗ, nhưng nhờ có phiến góp, chiều lực tác dụng không thay đổi, giữ cho rotor quay liên tục Khi rotor quay, các thanh dẫn cắt từ trường tạo ra sức điện động Eư, xác định theo quy tắc bàn tay phải Sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư, nên được gọi là sức phản điện Phương trình cân bằng điện áp của động cơ điện một chiều được thiết lập để mô tả mối quan hệ này.
R ƣ là điện trở dây quấn phần ứng
U là điện áp đầu cực máy
I ƣ R ƣ là điện áp rơi trên dây quấn phần ứng
E ƣ là sức điện động phần ứng
Hình 1.4: Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều
Hình 1.5: vị trí thanh dẫn (1) Hình 1.6: vị trí thanh dẫn (2)
Hình 1.7: Giản đồ một phần tử Hình 1.8: Giản đồ nhiều phần tử
1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn nhƣ điện áp hay các thông số mạch nhƣ điện trở phụ, thay đổi từ thông… Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu
Động cơ điện một chiều nổi bật với khả năng điều chỉnh tốc độ vượt trội so với các loại động cơ khác nhờ vào cấu trúc mạch động lực và mạch điều khiển đơn giản Việc điều chỉnh tốc độ có thể thực hiện bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, khi giữ từ thông không đổi, giúp duy trì dòng điện và moment ổn định Phương pháp này thường được áp dụng cho động cơ một chiều kích từ độc lập để hạn chế biến động lớn về gia tốc và lực động Để điều chỉnh điện áp phần ứng, các nguồn điều áp như máy phát điện một chiều, bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ được sử dụng để biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều và điều chỉnh giá trị sức điện động theo yêu cầu.
Tốc độ không tải lý tưởng: n 0 đm E đm
(1-3) Độ cứng của đường đặc tính cơ:
Khi thay đổi điện áp đặt lên phần ứng của động cơ, tốc độ không tải lý tưởng sẽ có sự thay đổi, tuy nhiên độ cứng của đường đặc tính cơ vẫn giữ nguyên.
Khi thay đổi điện áp, độ cứng của đường đặc tính cơ không thay đổi, và các đường đặc tính cơ vẫn là những đường thẳng song song với đường đặc tính cơ tự nhiên.
Hình 1.9: Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ b Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều thông qua việc thay đổi từ thông kích thích ảnh hưởng đến moment điện từ và sức điện động quay Khi thay đổi từ thông, điện áp phần ứng thường được giữ nguyên ở giá trị định mức Đối với máy điện nhỏ và một số máy điện công suất trung bình, người ta thường sử dụng biến trở trong mạch kích từ để điều chỉnh từ thông với tổn hao công suất nhỏ Trong khi đó, các máy điện công suất lớn thường sử dụng các bộ biến đổi đặc biệt như máy phát, khuếch đại máy điện, khuếch đại từ và bộ biến đổi van để điều chỉnh từ thông.
Phương pháp này chủ yếu nhằm mục đích giảm từ thông Khi từ thông tăng lên, dòng điện kích từ I kt sẽ tăng dần cho đến khi hư cuộn dây kích từ xảy ra Do đó, việc điều chỉnh tốc độ là rất cần thiết.
Trong máy biến áp, việc giảm dòng kích từ đồng nghĩa với việc giảm từ thông so với mức định mức Khi từ thông giảm, tốc độ của máy sẽ tăng lên, thể hiện qua công thức n = K E Φ.
Mặt khác ta có: Moment ngắn mạch Mn = K M I n nên khi giảm sẽ làm cho M n giảm theo Độ cứng của đường đặc tính cơ:
Khi giảm thì độ cứng cũng giảm, đặc tính cơ sẽ dốc hơn Nên ta có họ đường đặc tính cơ khi thay đổi từ thông như sau:
Hình 1.11 Họ đặc tính cơ khi thay đổi từ thông
Tổng quan về bộ biến đổi xung áp
1.2.1 Nguyên lý biến đổi xung áp một chiều
Các bộ biến đổi xung áp một chiều (DC-XADC) được sử dụng để chuyển đổi mức điện áp một chiều Nguyên lý hoạt động của chúng dựa trên việc sử dụng một khóa điện tử để kết nối tải với nguồn trong các khoảng thời gian xác định t_x, lặp lại theo chu kỳ T_s Điện áp được điều chỉnh thông qua việc thay đổi t_x từ 0 đến T_s Điểm mạnh của các bộ biến đổi này là tần số đóng cắt cao, dao động từ vài kHz đến vài trăm kHz, tùy thuộc vào loại van và kích thước của các phần tử phản kháng như tụ điện và điện cảm.
Phần tử khóa trong XADC là các van điều khiển hoàn toàn nhƣ BJT, GTO, IGBT, MOSFET
Tùy theo ví trí phần tử khóa trong sơ đồ mà XADC phân loại thành ;
- XADC nối tiếp , song song
XADC được sử dụng để điều chỉnh điện áp một chiều tại đầu ra, phục vụ cho việc tải nguồn dòng Ứng dụng của nó bao gồm mạch điều khiển động cơ một chiều và các bộ nạp ắc quy, thường được gọi là bộ băm xung.
XADC là một ứng dụng quan trọng trong các bộ biến đổi DC-DC, yêu cầu điện áp đầu ra phải hoàn toàn phẳng, được gọi là bộ biến đổi nguồn Đặc điểm của các sơ đồ này là phía một chiều đầu ra có tụ san phẳng với giá trị lớn, cho phép coi điện áp đầu ra là không đổi hoặc thay đổi chậm.
1.2.2 Cấu trúc và phân loại bộ biến đổi xung áp a Bộ biến đổi xung áp nối tiếp (xung áp giảm áp)
Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lí biến đổi xung áp nối tiếp
Phần tử điều chỉnh quy ước trong sơ đồ này là khóa S, với cuộn cảm và tải mắc nối tiếp Tải có thể là cảm kháng hoặc dung kháng, tạo thành bộ lọc L & C Điôt được mắc ngược với Ud để thoát dòng tải khi khóa K ngắt.
+ S đóng thì U đƣợc đặt vào đầu của bộ lọc Nếu bỏ qua tổn thất trong các van và các phần tử thì Ud=U
Khi S mở, mạch giữa nguồn và tải hở, nhưng vẫn tồn tại dòng id do năng lượng tích lũy trong cuộn L và cảm kháng của tải Dòng khép kín qua diode D dẫn đến Ud = 0.
Như vậy, Ud ≤ U Tương ứng ta có bộ biến đổi hạ áp b Bộ biến đổi xung áp song song (xung áp tăng áp)
Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi xung áp song song
L nối tiếp với tải, khoá S mắc song song với tải Cuộn cảm L không tham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò này
+ S đóng, dòng điện từ +U qua L → S → -U Khi đó D tắt vì trên tụ có UC (đã được tích điện trước đó)
Dòng điện chạy từ +U qua L đến Tải, dẫn đến sự xuất hiện của suất điện động tự cảm trong L với cực tính giống như U, do từ thông không giảm đột ngột Tổng điện áp được tính bằng Ud = U + eL, cho thấy đây là bộ biến đổi tăng áp Bộ biến đổi này tiêu thụ năng lượng liên tục từ nguồn U và truyền năng lượng ra tải dưới dạng xung nhọn.
Tải là động cơ một chiều được thay bởi mạch tương đương R-L-E L1 chỉ đóng vai trò tích luỹ năng lƣợng C đóng vai trò lọc
+ S đóng, trên L1 có U, dòng chạy từ +U → S → L1 → -U Năng lƣợng tích luỹ trong cuộn cảm L1; đi-ôt D tắt; Ud =UC, tụ C phóng điện qua tải
+ S ngắt, cuộn cảm L1 sinh ra sức điện động ngược chiều với trường hợp đóng ⇒ D thông ⇒ năng lượng từ trường nạp và C, tụ C tích điện; Ud sẽ ngược chiều với U
Điện áp ra trên tải có thể đảo dấu so với điện áp nguồn U Giá trị tuyệt đối |Ud| có khả năng lớn hơn hoặc nhỏ hơn U nguồn Bộ băm xung một chiều có khả năng đảo chiều.
Bộ bắm xung một chiều có đảo chiều sử dụng van bán dẫn IGBT, cho phép điều chỉnh điện áp và đảo chiều dòng điện tải một cách hiệu quả.
Trong các hệ thống truyền động tự động, việc đảo chiều động cơ là cần thiết, do đó bộ biến đổi thường được sử dụng để cung cấp nguồn cho động cơ một chiều với kích từ độc lập, đáp ứng nhu cầu đảo chiều quay.
Các van IGBT làm nhiệm vụ khoá không tiếp điểm Các Điôt Đ1,Đ2,Đ3,Đ4 dùng để trả năng lƣợng phản kháng về nguồn và thực hiện quá trình hãm tái sinh
Có các phương pháp điều khiển khác nhau như: Điều khiển độc lập, điều khiển không đối xứng và điều khiển đối xứng
1.2.3 Phương pháp điều khiển bộ biến đổi xung áp Điện thế trung bình đầu ra sẽ đƣợc điều khiển theo mức mong muốn mặc dù điện thế đầu vào có thể là hằng số (ắc qui, pin) hoặc biến thiên (đầu ra của chỉnh lưu), tải có thể thay đổi Với một giá trị điện thế vào cho trước, điện thế trung bình đầu ra có thể điều khiển theo hai cách:
- Thay đổi độ rộng xung
- Thay đổi tần số băm xung
Hình 1.17: Dạng sóng bộ biến đổi xung áp a Phương pháp thay đổi độ rộng xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T Giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:
T là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ
Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng(0 < ε ≤1) b Phương pháp thay đổi tần số băm xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1 = const Khi đó:
Phương pháp điều khiển độ rộng xung (PWM) là một lựa chọn phổ biến trong việc điều khiển van, nhờ vào sự đơn giản và không cần thiết bị biến tần đi kèm Trong phương pháp này, tần số băm xung được giữ cố định, với việc điều khiển trạng thái đóng mở van dựa trên việc so sánh điện áp điều khiển với một sóng tuần hoàn dạng tam giác có biên độ đỉnh không đổi Tần số đóng cắt của van được thiết lập trong khoảng từ 400Hz đến 200kHz, và khi U ctl lớn hơn U st, tín hiệu điều khiển sẽ mở van; ngược lại, khi U ctl nhỏ hơn U st, van sẽ bị khóa.
Phương pháp điều khiển này sử dụng hai cặp van S1 và S2; S3 và S4, trong đó mỗi cặp van được điều khiển để đóng cắt đồng thời Tín hiệu điều khiển được tạo ra thông qua việc so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa, thường là dạng xung tam giác.
-Nếu Udk>Utua thì S1 và S2 đƣợc kích dẫn; S3 và S4 đƣợc kích tắt
-Nếu Udk