TỔNG QUAN
Tổng quan về động cơ một chiều kích từ độc lập
1.1.1 Cấu tạo động cơ một chiều
Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm 2 phần chính là phần tĩnh (Stator) và phần động (Rotor)
A ) Phần tĩnh-Stator gồm có : a ) Cực từ chính :
Cực từ chính là phần sinh ra từ trường gồm có lõi sắt và cuộn
Lõi sắt cực từ được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật hoặc thép cacbon dày từ 0,5 đến 41 mm, được ép chặt thành một khối và gắn vào vỏ máy bằng bulông Một cặp cực từ bao gồm hai cực nam - bắc đối xứng qua trục động cơ, với số lượng cực từ tùy thuộc vào loại động cơ, có thể từ 1 đến 3 hoặc nhiều hơn Các máy điện nhỏ sử dụng cực từ làm từ thép khối Dây quấn kích từ được làm từ dây đồng có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, được sơn cách điện và quấn thành cuộn Các cuộn dây này được mắc nối tiếp với nhau và được bọc cách điện cẩn thận trước khi được đặt vào các cực từ.
Hình 1.1 Cực từ chính b ) Cực từ phụ:
Cực từ phụ được lắp đặt giữa các cực từ chính nhằm cải thiện tình trạng đổi chiều Chúng được chế tạo từ thép khối và được đặt trên các cuộn dây quấn Dây quấn của cực từ phụ tương tự như dây quấn của cực từ chính.
Gông từ là phần nối tiếp các cực từ, đồng thời cũng là vỏ máy, giúp từ thông đi qua các cuộn dây và khép kín trong mạch từ Trong các máy điện lớn, gông từ thường được làm bằng thép đúc, trong khi đó, các máy điện nhỏ sử dụng gông từ làm bằng thép lá được uốn thành hình trụ tròn và hàn lại.
Nắp máy là bộ phận quan trọng giúp bảo vệ các chi tiết bên trong máy khỏi các vật thể bên ngoài có thể gây hại cho cuộn dây và mạch từ Nó cũng đóng vai trò cách ly người sử dụng khỏi các bộ phận của máy khi động cơ đang hoạt động và có điện Thêm vào đó, nắp máy còn được sử dụng như giá đỡ cho ổ bi của trục động cơ, đảm bảo sự ổn định và hiệu suất của thiết bị.
Cơ cấu chổi than là bộ phận quan trọng giúp đưa dòng điện vào động cơ hoặc ra ngoài khi máy hoạt động như một máy phát điện Nó bao gồm hai chổi than hình chữ nhật làm từ than cacbon, được chứa trong hộp chổi than và luôn tiếp xúc với hai vành góp nhờ vào hai lò xo Hộp chổi than có khả năng điều chỉnh vị trí để phù hợp với yêu cầu hoạt động của thiết bị.
B ) Phần động-Rotor a ) Lõi sắt phần ứng:
Lõi sắt phần ứng, thường được làm từ tôn silic dày 0,5mm và phủ lớp cách điện, có vai trò dẫn từ và giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây ra Các lá thép được dập rãnh để tạo không gian cho cuộn dây phần ứng khi được ép lại Lõi sắt có hình trụ tròn, được ép cứng vào trục, tạo thành một khối thống nhất.
Trong các máy điện có công suất trung bình trở lên, việc dập các rãnh là cần thiết để tạo ra các lỗ thông gió Những lỗ này giúp làm mát cuộn dây và mạch từ, đảm bảo hiệu suất hoạt động của máy.
Hình 1.2 Lõi sắt phần ứng b ) Dây quấn phần ứng:
Dây quấn phần ứng trong máy điện tạo ra suất điện động và cho phép dòng điện lưu thông Đối với máy điện nhỏ, dây quấn phần ứng có tiết diện tròn, trong khi động cơ công suất vừa và lớn sử dụng dây có tiết diện hình chữ nhật Khi lắp đặt dây quấn phần ứng vào rãnh Rotor, cần sử dụng các nêm để chèn lên bề mặt cuộn dây, giúp giữ cho dây quấn không bị văng ra ngoài dưới tác động của lực điện từ.
Cổ góp là thiết bị chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, bao gồm nhiều phiến góp bằng đồng được ghép lại thành hình trụ tròn và ép chặt vào trục Các phiến góp được cách điện với nhau bằng các tấm mea đặt giữa, trong khi đuôi các phiến góp nhô cao để hàn đầu dây cuộn dây phần ứng Mỗi phiến góp chỉ hàn một đầu dây, tạo thành các cuộn dây phần ứng nối tiếp nhau.
Cánh quạt là bộ phận quan trọng giúp làm mát động cơ bằng cách hút gió từ bên ngoài qua các khe hở trên nắp máy Khi động cơ hoạt động, gió được hút vào giúp làm nguội dây quấn và mạch từ, đảm bảo hiệu suất làm việc của động cơ luôn ổn định.
Trục máy được chế tạo từ thép cứng có hàm lượng cacbon cao, đảm bảo độ bền và khả năng chịu lực Trên trục máy, lõi thép phần ứng và cổ góp được lắp đặt để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Hai đầu của trục máy được gối lên hai vòng bi đặt trong nắp máy, giúp giảm ma sát và tăng cường độ ổn định cho thiết bị.
1.1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ 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 cấu tạo từ 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 chức năng đổi chiều dòng điện để rotor có thể quay liên tục Bộ phận này thường bao gồm cổ góp và bộ chổi than tiếp xúc với cổ phiến.
Máy điện một chiều bao gồm khung dây abcd và hai phiến góp quay quanh trục với tốc độ ổn định 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 truyền điện năng.
Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường của cực từ, tạo ra sức điện động theo quy tắc bàn tay phải Hình 1.3 cho thấy từ trường hướng từ cực N đến S, với chiều quay phần ứng ngược chiều kim đồng hồ Sức điện động ở thanh dẫn phía trên có chiều từ b đến a, trong khi thanh dẫn phía dưới có chiều từ d đến c Sức điện động của phần tử gấp đôi sức điện động của thanh dẫn Khi nối chổi điện A và B với tải, dòng điện sẽ chạy qua tải, với điện áp dương ở chổi A và âm ở chổi B Khi phần ứng quay nửa vòng, vị trí của phần tử thay đổi, và nếu máy chỉ có một phần tử, điện áp đầu cực sẽ như hình 1.4 Để tăng điện áp và giảm độ nhấp nhô như hình 1.5, dây quấn cần có nhiều phần tử và nhiều phiến đổi chiều Trong chế độ máy phát, dòng điện phần ứng cùng chiều với sức điện động phần ứng E, và phương trình cân bằng điện áp được thiết lập.
R ƣ là điện trở dây quấn phần ứng
U là điện áp đầu cực máy
IƣRƣ là điện áp rơi trên dây quấn phần ứng
E ƣ là sức điện động phần ứng
Hình 1.3 Nguyên lý làm việc
Hình 1.4 Giản đồ một phần tử Hình 1.5 Giản đồ nhiều phần tử
Nguyên lý làm việc và phương trình cân bằng điện áp của động cơ điện một chiều
Khi áp dụng điện áp một chiều U vào hai chổi điện A (dương) và B (âm), khung dây abcd sẽ có dòng điện chạy qua Khung dây này, nằm trong từ trường, sẽ chịu tác động của lực điện từ, tạo ra mômen làm quay khung dây Khi rotor quay nửa vòng, các thanh dẫn ab và cd sẽ đổi chỗ, nhưng do có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên chiều lực tác dụng vẫn không thay đổi, đảm bảo rotor tiếp tục quay theo chiều cố định Khi rotor quay, các thanh dẫn sẽ cắt qua từ trường và cảm ứng sức điện động.
Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập Tìm hiểu về bộ chỉnh lưu cầu 3 pha
về bộ chỉnh lưu cầu 3 pha
1.2.1 Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập
Có ba phương pháp chính để điều khiển tốc độ trong mạch điện: Thứ nhất, điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng Thứ hai, điều khiển tốc độ thông qua việc thay đổi điện áp phần ứng Cuối cùng, điều khiển tốc độ bằng cách điều chỉnh từ thông.
Điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở phần
Hình 1.16 Đồ thị khi điều chỉnh tốc độ động cơ
Khi tăng điện trở mạch phần ứng, đặc tính cơ sẽ trở nên dốc hơn nhưng tốc độ không tải lý tưởng vẫn được giữ nguyên Đặc điểm của phương pháp này thể hiện rõ qua sự thay đổi điện trở mạch phần ứng.
Khi điện trở mạch phần ứng tăng, độ dốc của đặc tính cơ cũng tăng theo, dẫn đến độ ổn định tốc độ giảm và sai số tốc độ gia tăng.
- Phương pháp này cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thể tăng thêm điện trở)
Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở vào mạch phần ứng dẫn đến tổn hao công suất lớn dưới dạng nhiệt trên điện trở.
- Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số momen tải.Tải càng nhỏ ( M1 ) thì dải điều chỉnh D càng nhỏ.Nói chung phương pháp này cho:
Phương pháp điều chỉnh trơn bằng cách thay đổi điện trở gặp khó khăn do dòng Rotor lớn, dẫn đến việc chuyển đổi điện trở thường được thực hiện theo từng cặp Những đặc điểm này gây tổn hao, khiến phương pháp này ít được áp dụng.
Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng:
Hình 1.17 Sơ đồ nối dây
Hình 1.18.Đồ thị điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
Ta có từ thông giữ không đổi và điện áp phần ứng được cấp từ bộ biến đổi Khi thay đổi điện áp U cấp cho cuộn dây phần ứng, sẽ xuất hiện các đặc tính cơ ứng với các tốc độ không tải khác nhau, song song với nhau Tuy nhiên, điện áp chỉ có thể giảm (U < Udm), do đó phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ.
Quá trình điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi điện áp phần ứng đƣợc giải thích nhƣ sau:
Hình 1.19.Đồ thị quá trình thay đổi điên áp phần ứng
Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm A trên đặc tính cơ 1 ứng với điện áp
U 1 trên phần ứng Khi giảm điện áp từ U 1 xuống U 2 , động cơ thay đổi điểm làm ω
Khi từ điểm A với tốc độ lớn hơn ϖA di chuyển xuống điểm D có tốc độ nhỏ hơn ϖD trên đường đặc tính cơ 2 tương ứng với điện áp U2, quá trình chuyển đổi diễn ra khi giảm tốc độ Khi giảm tốc độ bằng cách hạ điện áp phần ứng, nếu điện áp giảm mạnh, quá trình chuyển từ tốc độ cao xuống thấp có thể dẫn đến hiện tượng hãm tái sinh Ví dụ, khi động cơ hoạt động tại điểm A với tốc độ ϖA trên đặc tính cơ 1 ứng với điện áp U1, việc giảm mạnh điện áp phần ứng từ U1 sẽ ảnh hưởng đến quá trình giảm tốc.
Động cơ chuyển điểm làm việc từ A trên đường 1 sang E trên đường 3 với tốc độ ϖ A = ϖ E, do ϖ E lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng ϖ 03, dẫn đến trạng thái hãm tái sinh trên đoạn EC Quá trình hãm giúp động cơ giảm tốc nhanh chóng Khi tốc độ giảm xuống dưới ϖ03, động cơ hoạt động như một động cơ với momen ϖ D = 0, tiếp tục giảm tốc đến điểm F, nơi momen sinh ra cân bằng với momen tải M C Tại F, động cơ ổn định với tốc độ ϖf < ϖA Trong quá trình tăng tốc, nếu động cơ làm việc tại điểm I với tốc độ ϖI nhỏ trên đặc tính cơ 5 và điện áp U 5, việc tăng điện áp lên U 4 sẽ chuyển động cơ từ điểm I sang G trên đặc tính cơ 4 Do momen M G lớn hơn momen tải M C, động cơ tăng tốc theo đường 4 (đoạn GH) nhưng momen động cơ giảm, khiến quá trình tăng tốc chậm lại Tại điểm H, momen động cơ cân bằng với momen tải (MH = MC), động cơ sẽ ổn định tại điểm H với tốc độ ϖ H > ϖ I.
Phương pháp này có những đặc điểm sau:
- Điện áp phần ứng càng giảm thì tốc độ động cơ càng nhỏ
- Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh
Độ cứng của đặc tính cơ được duy trì ổn định trong toàn bộ dải điều chỉnh Độ sụt tốc tuyệt đối không thay đổi khi áp dụng một momen nhất định Độ sụt tốc tương đối đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất trong dải điều chỉnh Do đó, sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) tại đặc tính cơ thấp nhất không vượt quá sai số cho phép của toàn bộ dải điều chỉnh.
- Dải điều chỉnh của phương pháp này có thể:
- Chỉ thay đổi đƣợc tốc độ về phía giảm (vì chỉ có thể thay đổi với Uƣ 0, và sự mở của T1 khiến T5 bị khóa một cách tự nhiên Khi U2a > U2c, T6 và T1 sẽ cho dòng chạy qua, dẫn đến điện áp trên tải được xác định là Ud = U ab = U 2a = U 2b.
Khi cho súng điều khiển mở T2, thyristor này được kích hoạt do dòng điện qua T6, dẫn đến U2b được đặt trên anot T2 với U2b > U2c Sự kích hoạt của T2 sẽ tự động khóa T6 lại khi U2b vẫn lớn hơn U2c.
Các sung điều khiển lệch nhau đƣợc lần lƣợt đƣa đến cực điều khiển của các thyristor theo thứ tự 1,2,3,4,5,6,1,2…
Trong mổi nhóm khi 1 Thyristor mở nó sẻ khóa ngay thyristor dẫn dòng trước nó
Giá trị trung bình điện áp tải:
Chỉnh lưu cầu thyristor cầu 3 pha là loại được ưa chuộng nhất trong thực tế nhờ vào nhiều ưu điểm vượt trội Thiết bị này cho phép kết nối trực tiếp với lưới điện 3 pha và có độ đập mạch rất thấp, chỉ khoảng 5.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC
Sơ đồ mạch động lực
Hình 2.1 Sơ đồ mạch động lực chỉnh lưu cầu
Sơ đồ với các phần tử chỉnh lưu cầu ba pha trong ứng dụng thực tế cho trên hình 2.1 các phần tử gồm:
Mạch R f C f bảo vệ phía đầu vào của chỉnh lưu
Các mạch R 1 C 1 , R 2 C 2 ,….,R6C 6 mắc song song với van bảo vệ tốc độ tăng điện áp du/dt
Mạch R 7 C 7 R 8 bảo vệ chống quá áp sinh ra khi dòng tải id chuyển sang chế độ gián đoạn
Cầu chì CC đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ quá trình ngắn mạch trong sơ đồ van Áp tô mát CB ở phía sơ cấp của máy biến áp giúp bảo vệ chống lại các sự cố ngắn mạch trong sơ đồ van cũng như trong máy biến áp.
Tính toán thiêt kế mạch động lực
Các đặc tính của sơ đồ chỉnh lưu được thể hiện qua một nhóm thông số cơ bản Nghiên cứu các sơ đồ chỉnh lưu nhằm xác định xem chúng có đáp ứng các yêu cầu cụ thể trong ứng dụng hay không, thông qua các thông số này Các yêu cầu kỹ thuật thường được đưa ra dưới dạng cụ thể.
- Giá trị điện áp và dòng chỉnh lưu U d , I d hoặc điện áp và công suất chỉnh lưu
- Điện áp nguồn xoay chiều đầu vào, điện áp lấy từ lưới điện một pha hoặc ba pha.
Vì vậy các thông số của sơ đồ chỉnh lưu phải được biểu diễn qua các thông số này.
Tính toán bộ chỉnh lưu cầu ba pha để điều khiển động cơ một chiều yêu cầu điện áp lưới U1 là 380V ±10% với tần số 50Hz Động cơ có công suất P là 32kW và dòng định mức Iu đạt 171A Cần chú ý đến sụt áp trên điện trở và điện cảm của dây quấn máy biến áp, với eR là 4% và eX là 8% Điện trở mạch phần ứng ru là 0,0666Ω.
U d,kt : điện áp chỉnh lưu không tải
U d : điện áp chỉnh lưu yêu cầu
U R : sụt áp trên điện trở thuần
U X : sụt áp trên điện cảm phía xoay chiều đầu vào gây lên, gây lên bởi hiện tưởng chuyển mạch
- Điện áp chỉnh lưu lớn nhất cho bằng giá trị định mức của động cơ
- Sụt áp trên van cho bằng ∆U v = 1,5
Nhưng trong sơ đồ chỉnh lưu cầu van bằng
- Điện áp chỉnh lưu U d,kt = 2,34U 2
Công suất máy biến áp theo công suất của chỉnh lưu cầu: S ba = 1,05P d = 1,05U d,kt I d
- Từ đây ta tính đƣợc sụt áp do điện trở dây quấn máy biến áp:
Hệ số 2 trong 2R a I d là do dòng chạy qua 2 pha của máy biến áp
- Sụt áp do chuyển mạch :
-Lựa chọn máy biến áp
Máy biến áp có thể lựa chon theo cách đấu Y/Y hoặc , trong mọi trường hợp phía thứ cấp đấu sao
Dòng thứ cấp I2 = 0,58I d =0,58171,18A,ở đây dòng chỉnh lưu bằng dòng định mức của động cơ I d = I u
Ta chọn máy biến áp đâu theo kiểu Y/Y
Công suất máy biến áp yêu cầu:
Công suất tính toán phía thứ cấp:
√ Công suất tính toán phía sơ cấp:
-Lựa chọn van bán dẫn
Van bán dẫn lựa chon theo dòng trung bình qua ban trong điều kiện làm mát tương ứng và giá trị điện áp ngược lớn nhất trên van
Dòng điện trung bình qua tiristo trong sơ đồ cầu ba pha:
Khi thực hiện làm mát cưỡng bức bằng quạt gió, cần lựa chọn van có khả năng chịu đựng dòng điện gấp đôi, tức là van phải có dòng trung bình cho phép là 114A Đồng thời, cần lưu ý đến điện áp ngược lớn nhất trên van.
√ √ Van cần chọn với độ dự trữ điện áp gấp đôi nghĩa là cỡ 496,66V trở lên
- Phương trình đặc tính ngoài của chỉnh lưu
Phương trình đặc tính ngoài của chỉnh lưu được xác định với dạng r u = 0,0666 r tr, trong đó r tr là điện trở cuộn dây máy biến áp quy về cuộn thứ cấp Điện trở cuộn dây máy biến áp được tính toán theo ước lượng, với sụt áp trên điện trở cho dải công suất biến áp từ 10kVA đến 100kVA khoảng 5-3%, giảm theo chiều tăng của công suất Để tính toán, chọn eR = 4%.
Phương trình đặc tính ngoài trở thành:
Nếu biết rằng cùng với dòng tải 171A phương trình đặc tính ngoài cho biết
Khi góc điều chỉnh giảm xuống 0, hệ thống chỉ còn 3 dự trữ do điện áp tại góc 83 có giá trị âm Điều này dẫn đến dòng điện bị gián đoạn và hệ thống điều khiển phải chuyển sang chế độ làm việc mới với cấu trúc phức tạp hơn.
- Mạch bảo vệ tốc độ tăng điện áp với dòng dòng điện du/dt,di/dt
Phương trình của mạch vòng chuyển mạch:
√ từ đấy xác định đƣợc tốc độ tăng dòng lớn nhất:
Tụ C đƣợc chọn sao cho mạch vòng 2La-R-C không dao động Muốn vậy quan hệ giữa ba thành phần phải thỏa mãn điều kiện:
Chọn các giá trị tiêu chuẩn đối với tụ C và điện trở nhƣ sau:
Giá trị R = 3,3Ω, C = 2,2 và L = 2,48 H là phù hợp cho ứng dụng này, vì điện cảm 2,48 H không quá lớn, có thể dễ dàng đạt được bằng cách sử dụng cuộn dây lõi không khí hoặc quấn vài vòng dây quanh một lõi ferit nhỏ.
Kết luận: Trong ứng dụng cụ thể, việc lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu phù hợp là bước khởi đầu quan trọng Các lựa chọn này cần dựa trên công suất và điện áp chỉnh lưu yêu cầu để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Chỉnh lưu cầu ba pha là sơ đồ chỉnh lưu quan trọng nhất nhờ vào ứng dụng rộng rãi của nó Sơ đồ này mang lại chất lượng điện áp ra tốt và dòng đầu vào có dạng đối xứng, đồng thời khai thác hiệu quả công suất huy động từ lưới hoặc máy biến áp.
Lý do ta thay diot bằng các tiristo vì khi đó ta sẽ có một sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Sơ đồ mạch điều khiển
3.1.1 Sơ đồ khối của mạch điều khiển
Hình 3.1.Cấu trúc hệ thống điều khiên các bộ biến đổi phụ thuộc
Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ khối hinh 3.1 nhƣ sau:
Khâu đồng pha có vai trò quan trọng trong việc tạo ra điện áp tựa, đồng nhất với điện áp lưới, cho phép điều chỉnh giá trị đầu của góc điều khiển Điện áp tựa thường được biểu diễn dưới dạng sóng rang cưa hoặc sóng cosin.
Khâu so sánh có chức năng so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk, nhằm xác định thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Uđk = Urc) Khi hai điện áp đạt đến sự cân bằng, một xung sẽ được phát ra ở đầu ra để truyền tín hiệu đến tầng khuếch đại.
Khâu tạo xung khuếch đại xung sẽ tạo ra xung có biên độ và độ rộng phù hợp để cung cấp cho các tiristo trong mạch lực Xung này được truyền đến cực điều khiển của tiristo thông qua các mạch cách ly như biến áp xung hoặc các phần tử photocoupler.
Hình 3.2 Sơ đồ khâu đồng pha
Lưới điện Đồng pha Điện áp tựa So sánh Tạo xung và khuếch đại xung
Hiện nay, vi mạch ngày càng được sản xuất nhiều hơn với chất lượng cao và kích thước nhỏ gọn Việc ứng dụng vi mạch trong thiết kế mạch đồng pha giúp cải thiện chất lượng điện áp và cho phép điều khiển góc mở lớn, đạt được hiệu suất tối ưu trong các hệ thống điện.
180 0 Trên sơ đồ mô tả sơ đồ tạo điện áp tựa dùng khuếch đại thuật toán
IC chuyên dụng được sử dụng để so sánh các tín hiệu, với nguyên lý hoạt động được giải thích thông qua khuếch đại thuật toán Mạch so sánh tận dụng đặc tính có hệ số khuếch đại hở rất lớn của OP.
Mạch so sánh một cổng, sơ đồ hình 3.3a,dùng để so sánh hai tín hiệu khác dấu Do dòng đầu vào OP không đáng kể nên ta có:
Khi điện áp đầu vào ≥ 0V, đầu ra của mạch khuếch đại lý tưởng sẽ tiến về âm vô cùng Tuy nhiên, tín hiệu đầu ra sẽ bị giới hạn bởi nguồn nuôi và điện áp trên transistor khuếch đại, dẫn đến điện áp ra thực tế có giá trị bão hòa, nhỏ hơn nguồn nuôi từ 1,5V đến 2V Trong tình huống này, đầu ra bão hòa sẽ ở mức +1,5V - Un.
Nếu < = 0V, tương tự như đầu ra bão hòa ở mức -1,5V -U n
Mạch so sánh 2 cổng,sơ đồ hình 3.3b, dùng để so sánh hai tín hiệu cùng dấu.Do đầu vào OP không đáng kể nên ta có:
Tính chất bão hòa của đầu ra OP trong khâu so sánh làm cho độ tác động nhanh của OP giảm đi
Để mở Tiristo, tầng khuếch đại cuối cùng thường sử dụng tranzitor công suất, như thể hiện trong hình 6a Xung dạng kim được tạo ra nhờ biến áp xung (BAX), và để khuếch đại công suất, tranzitor được sử dụng cùng với điôt D để bảo vệ tranzitor và cuộn dây sơ cấp của biến áp xung khi tranzitor khoá đột ngột Mặc dù sơ đồ này có ưu điểm đơn giản, nhưng nó không phổ biến do hệ số khuếch đại của tranzitor loại này thường không đủ lớn để khuếch đại tín hiệu từ khâu so sánh.
Tầng khuếch đại cuối cùng theo sơ đồ hình 6b thường được sử dụng trong thực tế nhờ khả năng đáp ứng yêu cầu khuếch đại công suất hiệu quả Hệ số khuếch đại được gia tăng nhờ vào các thông số của tranzitor Trong ứng dụng thực tế, xung điều khiển chỉ cần có độ rộng nhỏ, khoảng từ 10 đến 200.
Thời gian mở của các tranzitor công suất có thể kéo dài tới một nửa chu kỳ (0.01s), dẫn đến công suất tỏa nhiệt dư của Tr quá lớn và kích thước dây quấn sơ cấp biến áp cũng lớn Để giảm thiểu công suất tỏa nhiệt của Tr và kích thước dây quấn sơ cấp BAX, có thể thêm tụ nối tầng như trong hình 6c Với sơ đồ này, Tr chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ, do đó dòng hiệu dụng giảm đáng kể.
3.1.2 Sơ đồ mạch điều khiển
- Yêu cầu của mạch điều khiển
Mạch điều khiển là yếu tố quan trọng trong bộ biến đổi Tiristo, quyết định chất lượng và độ tin cậy của thiết bị Yêu cầu chính của mạch điều khiển là tạo ra xung điều khiển đủ mạnh để mở van một cách hiệu quả.
Mỗi van bán dẫn yêu cầu tín hiệu điều khiển riêng biệt; đối với Tiristo, xung điều khiển cần được đưa vào giữa cực điều khiển G và catôt K, đảm bảo dòng điện vào cực phải đạt yêu cầu.
G và điện áp giữa G và K có giá trị nhất định cho trong tham số kỹ thuật của Tiristo ( I G , U GK )
Yêu cầu về biên độ và xung điều khiển cần đảm bảo động rộng và thời gian tạo sườn xung trước và sau phải ngắn Thời gian tạo xung ảnh hưởng đến thời gian mở và khóa của van công suất, do đó, cần phải tối ưu hóa để càng ngắn càng tốt.
Hình 3.4 Các thông số liên quan đến xung điều khiển
Các thông số liên quan đến hình dạng xung đƣợc minh họa trên hình 3.1 trên hình vẽ
U x là độ xụt đỉnh xung, yêu cầu nhỏ hơn 10% biên độ xung; t x là độ rộng xung, tính ở mức 50% của giá trị biên độ Thời gian tạo sườn trước và sườn sau của xung được ký hiệu là t u và t d Đảm bảo cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực là điều cần thiết.
Các phần tử trong mạch lực hoạt động dưới điện áp cao, trong khi mạch điều khiển sử dụng điện áp thấp, do đó cần cách ly điện giữa hai mạch để đảm bảo an toàn cho người sử dụng Chức năng cách ly được thực hiện tại tầng khuếch đại xung cuối cùng, nơi truyền xung đến cực điều khiển của van bán dẫn Có hai phương pháp cách ly chính là sử dụng biến áp xung và các phần tử quang (coupler) Khi van hoạt động với lưới điện 3 x 380V, yêu cầu cách điện tối thiểu là từ 1500 đến 2000V.
Hình 3.5.Cách ly mạch lực và mạch điều khiển
(a) Dùng biến áp xung; (b) OPtocoupler c) Đảo bảo tính đối xứng đối giữa các kênh điều khiển
Bộ biến đổi sử dụng nhiều van công suất, yêu cầu xung điều khiển cho các van này phải đồng nhất trong cùng một điều kiện Trong hệ thống điều khiển nhiều kênh, độ lệch pha giữa các kênh điều khiển cần được giảm thiểu để tránh dao động tần số thấp và các thành phần sóng hài không mong muốn, ảnh hưởng đến chất lượng đầu ra Độ lệch pha cho phép trong sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha Tiristo nên nằm trong khoảng từ 1° đến 3°, tương ứng với điện áp điều khiển được minh họa Nếu chỉ một kênh trong sơ đồ chỉnh lưu có sự lệch pha, sẽ xuất hiện sóng hài tần số 50Hz trên điện áp ra, làm giảm chất lượng đầu ra của bộ biến đổi.
Hình 3.6 Độ lệch pha của tín hiệu điều khiển trong sơ đồ chỉnh lưu cầu