Chỉnh lưu tia 3 pha

Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ A, Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng của động cơ Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu chung về động cơ một chiều kích từ độc lập

1.2 1.1.1 Cấu tạo của động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều có cấu tạo hai phần riêng biệt: phần cảm bố trí ở phần tĩnh (stato), phần ứng (roto)

A Phần tĩnh (stator)

a, Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường goomg lõi sắt cực từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong động cơ điện nhỏ có thế dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy bằng các bulông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện trước khi đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau

Hình 1.1 Cực từ chính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

b, Cực từ phụ: Các cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và để cải thiện đổi chiều Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông

c, Cổ góp: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy Trongmáyđiện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

d, Các bộ phận khác bao gồm:- Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện trong máy điện nhỏ

và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Trong trường 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 chặt lên cổgóp Hộp chổi than được đặt có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vit cố định lại

lõi thép Để tránh khiquay bị vãng ra lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn nên có làm bằng tre, gỗ ha bakelit.

c, Cổ góp:

Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều Cổ góp bao gồm nhiều phiếnđồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2mm và hợp thành mộthình trục tròn Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại Giữa vành ốp vàtrụ tròn cũng cách điện bằng mica Đuôi vành góp có cao lên một ít đểhàn các đầu dây củacác phần dây quấn và các phiến góp được dễ dàng

d, Các bộ phận khác:

- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy Máy điện một chiều thường chế tạo theokiểu bảo vệ, ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió Cánh quạt lắp trên trục máy, khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ Gió đi qua vành góp, cực từ lõi sắt và dâyquấn 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 làmbằng thép cacbon tốt

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

- Động cơ điện một chiều là một máy điện biến đổi năng lượng điện của dòng một chiềuthành cơ năng Trong quá trình biến đổi đó, một phần năng lượng của dòng xoay chiều bị tiêután do các tổn thất trong mạch phần ứng và mạch kích từ, phần còn lại năng lượng được biếnthành cơ năng trên trục động cơ

- Khi có dòng điện một chiều chạy vào dây quấn kích thích và dây quấn phần ứng sẽ sinh ratừ trường ở phần tĩnh Từ trường này có tác dụng tương hỗ lên dòng điện trên dây quấn phầnứng tạo ra momen tác dụng lên rotor làm cho rotor quay Nhờ có vành đảo chiều nên dòng điệnxoay chiều được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều đưa vàodây quấn phần ứng Điều nàylàm cho lực từ tác dụng lên thanh dẫn dây quấn phần ứngkhông bị đổi chiều và làm động cơquay theo một hướng

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

1.1.3 Xây dựng phương trình đặc tính cơ điện một chiều kích từ độc lập

Giả thiết mạch từ động cơ chưa bão hòa khe hở không khí đồng đều, phản ứng phần ứngđược bù đủ, các thông số động cơ không đổi Ta có thể lập sơ đồ thay thế máy điệnmột chiềukích từ độc lập trên hình 1.5

Hình 1.4 Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

Từ sơ đồ thay thế ta có phương trình cân bằng điện áp:

r ct- điện trở tiếp xúc giữa chổi điện và phiến góp.

Sức điện động Eu của phần ứng động cơ được xác định theo công thức:

u

trong đó : K= 2

pN a

π

- hệ số cấu tạo của động cơ

p - số đôi cực từ chính,

N – số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng, dưới một mặt cực từ

a – số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng,

– từ thông kích từ dưới một cực từ,Փ

Ꞷ - tốc độ góc, rad/s

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n ( vòng/phút) thì

Eu=K n Փ(1.3)

u

R R U

từ M dt của động cơ được xác định bởi:

M dt =KՓI u (1.5)

suy ra

I u =

dt M

KΦ

Thay giá trị I uvào (1.4) ta được:

2

u f u

dt

R R U

ký hiệu là M, nghĩa là M dt =M thì:

Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông = const, thì các phương trình đặc tính cơ Փ(1.7) là tuyến tính Dạng đặc tính cơ động cơ được biểu diễn trên hình 1.5 là những đường thẳng.

Hình 1.5 Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1.1.4 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ

A, Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng của động cơ

Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện áp trên mạch phần ứng thì dòng điện, moment sẽ không thay đổi Để tránh những biến động lớn về gia tốc và lực động trong hệ điều chỉnh nên phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng thường được áp dụng cho động cơ mộtchiều kích từ độc lập

Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồn điều áp như: máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ… Các bộ biến đổi trên dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng một chiều và điều chỉnh giá trị sức điện động của nó cho phù hợp theo yêu cầu

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập là:

Ta có tốc độ không tải lý tưởng : ω =o U dm/KΦdm

Độ cứng của đường đặc tính cơ khi

ta thay đổi nhưng độ cứng của đường đặc tính cơ thì không đổi

Như vậy, khi ta thay đổi điện áp thì độ cứng của đường đặc tính cơ không đổi

Họ đặc tính cơ là những đường thằng song song với đường đặc tính cơ tự nhiên:

Hình 1.6 Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng của động cơ

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng thực chất là giảm

áp và cho ra những tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản Đồng thời điều chỉnh nhảy cấp hay liên tục tùy thuộc vào bộ nguồn có điện áp thay đổi một cách liên tục và ngược lại

Theo lý thuyết thì phạm vi điều chỉnh D=∞

Nhưng trong thực tế động cơ điện một chiều kích từ độc lập nếu không có biện pháp đặc biệt chỉ làm việc ở phạm vi cho phép

sẽ làm cho tốc độ động cơ không ổn định

*Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ sẽ giữ nguyên độ cứng của đường đặc tính cơ nên được dùng nhiều trong máy cắt kim loại và cho những tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản

- Ưu điểm: Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để, vô cấp có nghĩa là có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi ở không tải lý tưởng

- Nhược điểm: Phải cần có bộ nguồn có điện áp thay đổi được nên vốn đầu tư cơ bản

và chi phí vận hành cao

B, Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông.

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mooomen điện từ của động cơ và sức điện động quay của động cơ Thông thường, khi thay đổi

từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên giá trị đinh mức

Đối với các máy điện nhỏ và đôi khi cả máy điện công suất trung bình, người ta thường sử dụng các biến trở đặt trong mạch kích từ để thay đổi từ thông do tổn hao công suất nhỏ Đối với các máy điện công suất lơn thì dùng các bộ biến đổi đặc biệt như: máy phát, khuếch đại máy điện, khuếch đại từ, bộ biến đổi van…

Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp và cho những tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản Phương pháp này được dùng để điều chỉnh tốc độ cho các máy mài vạn năng hoặc máy bào giường Do quá trình điều chỉnh tốc độ được thực hiện trên mạch kích từ nên tổn thất năng lượng

ít, mang tính kinh tế, thiết bị đơn giản

C, Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng

có thể được dùng cho tất cả động cơ một chiều Trong phương pháp này điện trở phụ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ theo sơ đồ nguyên lý như sau:

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên

mạch phần ứng

Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng được

giải thích như sau Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với tốc độ n1 ta đóng thêm

f

R

vào mạch phần ứng Khi đó dòng điện phần ứng I u đột ngột giảm xuống, còn tốc

độ động cơ do quán tính nên chưa kịp thay đổi Dòng I u giảm làm cho moment động

cơ giảm theo và tốc độ giảm xuống sau đổ làm việc xác lập lại tốc độ n2 với n2 > n1Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng cho những tốc độ nhỏ hơn tốc độ nhảy cấp và nhỏ hơn tốc độ cơ bản

-Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cần trục, thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép

-Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá điện trở phụ đóng vào càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi phụ tải thay đổi kém Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổn hao phụ càng tăng

1.2 Giới thiệu chung về chỉnh lưu

1.2.1 Khái niệm,cấu trúc, phân loại mạch chỉnh lưu

A, Khái niệm và cấu trúc của một mạch chỉnh lưu

Bộ chỉnh lưu (BCL) dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều cấp cho tải Lĩnh vực ứng dụng của bộ chỉnh lưu rất rộng rãi vì chủng loại tải dùng dòng điện một chiều rất đa dạng Đó là các động cơ điện một chiều, cuộn hút nam châm

điện, rơle điện từ, bể mạ điện, thiết bị điện phân… Tuyệt đại đa số các thiết bị điện tử cũng hoạt động ở điện áp một chiều nên để lấy năng lượng từ lưới điện xoay chiều cũng phải thông qua mạch chỉnh lưu Vì vậy có thể nói bộ chỉnh lưu là loại mạch điện

tử công suất thông dụng trong thực tế Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu thường bao gồm các khâu sau đây

Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc bộ chỉnh lưu

BAL – biến áp lực có chức năng chuyển cấp điện áp và số pha chuẩn của lưới điện sang giá trị điện áp và số pha thích hơp với mạch chỉnh lưu-tải Nếu cả điện áp và số pha nguồn đã phù hợp với van tải có thể không cần dùng BA lực khi sử dụng sơ đồ đấuvan kiểu cầu, trường hợp dùng sơ đồ đấu van hình tia luôn bắt buộc phải có BA

MV- mạch van, các van bán dẫn được đấu theo một kiểu sơ đồ nào đó, ở đây trực tiếp thực hiện quá trình biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều Vì vậy đây làkhâu không thể thiếu được trong mạch chỉnh lưu

MĐK- mạch điều khiển Khi MV sử dụng van bán dẫn điều khiển được( như thyristor)

sẽ có mạch này để thực hiện cho van dẫn dòng vào các thời điểm cần thiết nhằm khống chế năng lượng đưa ra tải Khi dùng van diot sẽ không có mạch này Tùy thuộc van sử dụng mà các chỉnh lưu được phân thành ba loại như sau:

• Nếu các van đều là thyristor thì gọi là chỉnh lưu điều khiển

• Nếu các van được dùng là diot, gọi là chỉnh lưu không điều khiển,

• Nếu mạch van dùng cả diot và thyristor, gọi là chỉnh lưu bán điều khiển

LSB- mạch lọc san bằng Khâu này nhằm đảm bảo điện áp hay dòng điện ra bằng phẳng theo mong muốn của tải Nếu điện áp sau MV đã đạt yêu cầu, có thể bỏ khâu LSB

HT- khối hỗ trợ, gồm các mạch giúp theo tôi dõi và đảm bảo bộ chỉnh lưu hoạt động bình thường, thí dụ như mạch tín hiệu, mạch đo lường điện áp và dòng điện, mạch bảo

vệ, nguồn một chiều ổn định cho mạch điều khiển và khống chế…

Nhiệm vụ của người thiết kế là xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật cụ thể của bộ chỉnh lưu

để xây dựng sơ đồ cấu trúc các khâu chức năng cần có Từ đó tiến hành triển khai tính toán tỉ mỉ từng khâu để có một bộ chỉnh lưu hoàn chỉnh

B, Phân loại mạch chỉnh lưu

Số lượng sơ đồ mạch chỉnh lưu khá đa dạng, song chủ yêu là một số mạch cơ bản xem trên hình 1.10, gồm có 9 sơ đồ sau:

Hình 1.10 Các sơ đồ chỉnh lưu cơ bản

1. Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ ( chỉnh lưu hình tia một pha), hình 1.10a,

2. Chỉnh lưu một pha có điểm trung tính ( chỉnh lưu hình tia hai pha), hình 1.10b

3. Chỉnh lưu hình tia ba pha, hình 1.10c

4. Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển, hình 1.10d

5. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển, hình 1.10e

6. Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng ( đầu song song hai mạch chỉnh lưu hình tia ba pha), hình 1.10g

7. Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển có thyristor đấu thằng hàng, hình 1.10h

8. Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển với thyristor đấu katot chung, hình 1.10i

9. Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển các thyristor đấu katot chung, hình 1.10k

C Giới thiệu về van thyristor

* Khái niệm: Thyristor hay còn gọi với cái tên đầy đủ là Silicon Controlled Rectifier (Chỉnh lưu silic có điều khiển) là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn là một loại linh kiện được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử Thyristor bản chất là một điốt được ghép từ bởi 2 transistor có với hai chiều đối nghịch và có thể điều khiển được (tương đương hai BJT gồm một BJT loại NPN và một BJT loại PNP) Chúng hoạt động khi được cấp điện và tự động ngắt, trở về trạng thái ngưng dẫn khi không cóđiện Nó được thường được dùng cho chỉnh lưu dòng điện có điều khiển.

*Cấu trúc :

Thông thường thì một thyristor sẽ bao gồm bốn lớp bán dẫn P-N ghép xen kẽ và được nối ra ba chân:

-A – kí hiệu anode: có nghĩa là cực dương

-K – kí hiệu cathode: có nghĩa là cực âm

-G – gate: có nghĩa là cực khiển (cực cổng)

H1.12 Cấu tạo của thyristor

*Kí hiệu của thyristor

Về mặt kí hiệu thì thyristor sẽ khá giống với một con diode vậy Dành cho những bạn chưa biết thì một diode thông thường sẽ cho phép dòng điện đi qua từ A sang K khi điện thế tại A lớn hơn điện thế tại K, còn với một Thyristor thì vẫn phải đảm bảo điều kiện đó và cần thêm một điều kiện nữa đó là phải kích thích một dòng điều khiển đi vào chân G

Hình1.13 Ký hiệu của thyristor

*Đặc tính Volt-Ampere của thyristor

Đặc tính Volt-Ampere của một thyristor gồm hai phần Phần thứ nhất nằm trong góc phần tư thứ I của đồ thị Descartes, ứng với trường hợp điện áp Uak > 0, phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp

Uak<0

Hình 1.14 Đặc tính volt-Ampere 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 hở mạch cực điều khiển, thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa anode và catode 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