TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
Khái quát chung
Động cơ điện một chiều có khả năng điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một phạm vi rộng và đáp ứng các yêu cầu về đặc tính cơ đặc biệt Nhờ vào những ưu điểm vượt trội này, động cơ điện một chiều được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp và giao thông vận tải.
Cấu tạo của động cơ điện một chiều
Stato, hay còn gọi là phần cảm, là lõi thép được làm từ thép đúc, đóng vai trò vừa là mạch từ vừa là vỏ máy Mặt trong của stato được gắn các cực từ chính và cực từ phụ Dây quấn của cực từ chính được đặt trên các cực từ chính và nối tiếp nhau, trong khi dây quấn của cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và thường được nối tiếp với dây quấn rôto để cải thiện khả năng đổi chiều.
Lõi thép hình trụ được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm, được phủ sơn cách điện và ghép lại với nhau Các lá thép này có thiết kế với lỗ thông gió và rãnh để lắp đặt dây quấn rôto, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Dây quấn rôto, hay còn gọi là dây quấn phần ứng, thường được làm bằng dây đồng và có lớp cách điện với nhau cũng như với lõi thép Dây quấn này được sắp xếp trong các rãnh của lõi thép rôto thành hai lớp: lớp trên và lớp dưới Mỗi phần tử của dây quấn phần ứng bao gồm nhiều vòng dây, với hai đầu được kết nối với hai phiến góp Hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn được đặt trong hai rãnh dưới hai cực từ khác nhau Do mỗi rãnh có hai lớp, nếu cạnh tác dụng của phần tử nằm ở lớp trên của một rãnh, thì cạnh tác dụng còn lại sẽ tương ứng ở lớp dưới.
Dây quấn phần ứng của động cơ điện một chiều được chia thành nhiều kiểu khác nhau, bao gồm dây quấn xếp (đơn và phức tạp), dây quấn sóng (đơn và phức tạp) và dây quấn hỗn hợp, kết hợp giữa hai loại trên Các phần tử dây quấn xếp hai lớp được minh họa trong hình 1.2a và 1.2b, mỗi phần tử có một vòng, trong khi hình 1.2c cho thấy các phần tử được kết nối thành vòng kín, tạo thành mạch nhánh song song Hình 1.3a và 1.3b mô tả hình dạng và cách nối của các phần tử dây quấn sóng.
+ Cổ góp và chổi điện
Cổ góp là bộ phận bao gồm các phiến đồng được cách điện, có hình dạng trụ và được lắp đặt ở đầu trục Hình 1.4-a minh họa cắt cổ góp để thể hiện rõ cấu trúc của các phiến đồng, trong khi hình 1.4-c mô tả một phiến góp riêng lẻ Chổi điện, hay còn gọi là chổi than, được làm từ than graphit như thể hiện trong hình 1.4-b Các chổi này được giữ chặt lên cổ góp nhờ vào lò xo và giáchổi điện được gắn trên nắp máy.
9 a b c Hình 1.4: Cổ góp và chổi điện
Cánh quạt là bộ phận quan trọng giúp làm nguội động cơ bằng cách hút gió từ bên ngoài vào Khi động cơ hoạt động, cánh quạt quay, gió đi qua các bộ phận như vành góp, cực từ, lõi sắt và dây cuốn trước khi thoát ra ngoài, giúp duy trì nhiệt độ ổn định cho động cơ.
- Trục động cơ: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi
Thường được làm bằng thép cacbon tốt.
Phân loại động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập được thiết kế với cuộn kích từ nhận điện từ một nguồn điện riêng biệt, hoàn toàn tách biệt với nguồn điện cung cấp cho mạch phần ứng.
- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng
- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: gồm 2 dây quấn kích từ là dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp
1.4 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều :
Động cơ điện một chiều chuyển đổi năng lượng điện từ dòng một chiều thành cơ năng Trong quá trình này, một phần năng lượng bị tiêu tán do tổn thất trong mạch phần ứng và mạch kích từ, trong khi phần còn lại được chuyển hóa thành cơ năng trên trục động cơ.
Khi dòng điện một chiều đi qua dây quấn kích thích và dây quấn phần ứng, sẽ tạo ra từ trường ở phần tĩnh Từ trường này có ảnh hưởng tương hỗ đến dòng điện trong hệ thống.
Mười dây quấn phần ứng tạo ra mômen tác dụng lên roto, giúp roto quay Nhờ vành đổi chiều, dòng điện xoay chiều được chỉnh lưu thành dòng một chiều, cung cấp cho dây quấn phần ứng Điều này đảm bảo lực từ tác dụng lên thanh dẫn dây quấn phần ứng không bị đổi chiều, khiến động cơ quay theo một hướng nhất định.
- Công suất ứng vói mômen điện từ đưa ra đối với động cơ gọi là công suất điện từ và bằng:
• Iư : Dòng điện phần ứng
• Eư : Suất điện động phần ứng
• ω : Tốc độ góc phần ứng ; và ω 60
Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
- Phương trình đặc tính cơ điện : 𝝎 = 𝐔
- Phương trình đặc tính cơ: 𝝎 = 𝐔
Sơ đồ nguyên lý , đồ thị đặc tính cơ và đặc tính cơ điện cho như hình vẽ :
Hình 1.5: Đồ thị đặc tính cơ và đặc tính cơ điện
- Đặc tính cơ có dạng đường thẳng và có độ cứng cao Khi động cơ làm
- Việc với tốc độ không đổi thì mômen điện từ bằng mômen cản trên trục
- Động cơ Điểm làm việc tương ứng với điểm giao giữa đặc tính của động
- Cơ và đặc tính mômen cản của phụ tải
Phương trình đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều
Khi nguồn điện một chiều có công suất lớn và điện áp ổn định, mạch kích từ thường được kết nối song song với mạch phần ứng, từ đó động cơ được gọi là động cơ kích từ song song.
Hình 1.6: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song
Khi nguồn điện có công suất không đủ lớn, mạch phần ứng và mạch kích từ hoạt động từ hai nguồn một chiều độc lập, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập.
Hình 1.7: Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập
Đặc tính của động cơ điện kích thích độc lập và kích thích song song khá tương đồng, vì vậy chúng ta sẽ xem xét chung về đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ điện kích từ độc lập.
Theo sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập, phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng ở chế độ xác lập được biểu diễn như sau:
• Uư: Điện áp phần ứng (V);
• E: Suất điện động phần ứng (V);
• Rf: Điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω);
• Rư: Điện trở ủa phần ứng (Ω);
• Với Rư = rư + rcf + rcb + rtx ;
+ rư: Điện trở dây phần ứng (Ω);
+ rcf: Điện trở cực từ phụ (Ω) ; + rcb: Điện trở cuộn bù (Ω) ; + rtx: Điện trở tiếp xúc của chổi điện (Ω);
- Sức điện động E của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:
• p: Số đôi cực từ chính ;
• N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng;
• a: Số mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng;
• Φ: Từ thông kích từ chính một cực từ (Wb);
= : Hệ số kết cấu của động cơ
- Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì: n K
Trong đó: Kc: Hệ số sức điện động của động cơ
Từ các phương trình trên ta có: u u f u I
= − + (1-4) Đây là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Mặt khác ta có mômen điện từ của động cơ ở chế độ xác lập được xác định theo biểu thức:
, thay Iư vào (1-4) ta có ω = 2
Nếu không tính đến tổn thất cơ và tổn thất ma sát trong ổ trục, mômen cơ trên trục động cơ có thể được xem như bằng mômen điện từ, ký hiệu là M: Mdt = Mcơ = M.
− M ; (1-7) Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
- Có thể biểu diễn phương trình đặc cơ dưới dạng khác ω = ω0 - ∆ω ; (1-8)
U u ; Gọi ω0 là tốc độ không tải lý tưởng
R u M; Gọi ∆ω là độ sụt tốc
Nếu phần ứng được bù đủ từ thông của động cơ là không đổi (Φ = const), thì các phương trình đặc tính cơ điện và phương trình đặc tính cơ sẽ trở thành tuyến tính Kết quả này được thể hiện qua đồ thị, nơi các đường thẳng đại diện cho mối quan hệ giữa các đặc tính.
Nếu xét đến tất cả các tổn thất thì: M cơ = Mdt ± ∆M;
Hình 1.8: Đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập
Theo đồ thị trên khi Iư = 0 hoặc M = 0 thì ta có: ω = ω0
U u , lúc này động cơ đạt tốc độ không tải lý tưởng
Còn khi ω = 0 thì ta có:
Với Inm, Mnm: Gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch
Hình 1.9: Đặc tình cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Chọn động cơ điện và thông số động cơ
Chọn động cơ điện một chiều kích từ độc lập với các thông số sau:
Loại Pđm (kw) Uđm (V) Iđm (A) nđm (v/p) R () L (H) Gh 2
TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU BA PHA THYRISTOR
Hệ chỉnh lưu thyristor
Hiện nay, bộ biến đổi van điều khiển được sử dụng phổ biến để chuyển đổi năng lượng điện xoay chiều thành điện một chiều cho động cơ điện một chiều Tốc độ động cơ được điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp chỉnh lưu, tức là thay đổi góc mở α của thyristor Hệ truyền động T - Đ có ưu điểm nổi bật như tác động nhanh, không gây ồn và dễ dàng tự động hóa nhờ vào các van bán dẫn có hệ số khếch đại công suất cao, giúp nâng cao chất lượng đặc tính tĩnh và động của hệ thống.
Nhược điểm chính của hệ thống là do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dẫn đến việc chỉnh lưu điện áp với biên độ đập mạch gây ra tổn hao phụ Để cung cấp điện cho động cơ có khả năng đảo chiều quay, cần phải sử dụng hai bộ biến đổi.
Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng
Để điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ điện một chiều, cần sử dụng thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập và các bộ chỉnh lưu điều khiển Những thiết bị này có chức năng chuyển đổi năng lượng điện xoay chiều thành điện một chiều với sức điện động E b có thể điều chỉnh thông qua tín hiệu điều khiển Udk Do nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ, các bộ biến đổi này cũng có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không.
Hình 2.2 : Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập của điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ điện một chiều
Chế độ xác lập có thể viết phương trình đặc tính của:
Eb – Eư = Iư.(Rb + Rd),
Do từ thông của động cơ được giữ không đổi, độ cứng đặc tính cơ cũng không thay đổi, trong khi tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Udk của hệ thống Phương pháp điều chỉnh này được coi là triệt để Dải điều chỉnh tốc độ lớn nhất của hệ thống bị giới hạn bởi đặc tính cơ tự nhiên tương ứng với điện áp định mức Tốc độ nhỏ nhất trong dải điều chỉnh bị hạn chế bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động Khi mômen tải đạt định mức, giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ được xác định.
|| Để thoả mãn khã năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dãi điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: MnmMin = Mcmax = Km.Mdm
Km là hệ số quá tải về mômen Đặc tính cơ của hệ thống được thể hiện qua các đường thẳng song song, do đó, định nghĩa về đặc tính cơ có thể được diễn đạt như sau:
Với cấu trúc máy cụ thể, các giá trị ω0max, Mdm, Km được xác định, dẫn đến phạm vi điều chỉnh D tỷ lệ thuận với độ cứng β Khi điều chỉnh điện áp động cơ qua thiết bị nguồn điều chỉnh, điện trở tổng mạch phần ứng thường gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng của động cơ Do đó, có thể ước lượng rằng ω0max.| β| /Mdm ≤ 10, cho thấy rằng đặc tính mô men không đổi giới hạn giá trị phạm vi điều chỉnh không vượt quá 10 Điều này đặc biệt quan trọng đối với các máy có yêu cầu cao về độ chính xác trong dải điều chỉnh.
19 tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ hở trên là không thoả mãn
Trong phạm vi phụ tải cho phép, đặc tính cơ tĩnh của truyền động một chiều kích từ độc lập có thể được coi là tuyến tính Khi điều chỉnh điện áp phần ứng, độ cứng các đặc tính cơ trong toàn dải điều chỉnh giữ nguyên, dẫn đến độ sụt tốc tương đối đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh Điều này có nghĩa rằng, nếu tại đặc tính cơ thấp mà sai số tốc độ không vượt quá giá trị cho phép, hệ truyền động sẽ hoạt động với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh Sai số tương đối tại đặc tính cơ thấp nhất được xác định rõ ràng.
Với các giá trị Mdm, ω0min, và S đã được xác định, có thể tính toán độ cứng tối thiểu của đặc tính cơ để đảm bảo sai số không vượt quá giới hạn cho phép Để thực hiện điều này, thường cần thiết phải xây dựng hệ truyền động kiểu vòng kín Trong quá trình điều chỉnh áp, từ thông được duy trì ổn định, dẫn đến mômen tải cho phép của hệ thống sẽ không thay đổi: Mcp = K.Φ.Idm = Mnm.
Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen nằm trong hình chử nhật bao bởi những đường thẳng ω = ωdm, M = Mdm là các trục toạ độ
Tổng quan về chỉnh lưu cầu 3 pha có đảo chiều
2.2.1 Nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ truyền động T-D đảo chiều :
- Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ
- Giữ nguyên dòng kích từ và đảo chiều dòng phần ứng nhưng được phân ra bốn sơ đồ chính :
+ Truyền động dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay bằng
20 cách đảo chiều dòng kích từ
+ Truyền động dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay bằng công tắc từ chuyển mạch ở phần ứng ( từ thông giữ không đổi )
+ Truyền động dùng hai bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riêng
+ Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối song song điều khiển chung
Mỗi loại sơ đồ truyền động đều có ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với từng loại tải Chúng ta lựa chọn bộ truyền động sử dụng hai bộ biến đổi nối song song với điều khiển chung, vì nó thích hợp cho dải công suất vừa và lớn, có tần số đảo chiều cao và thực hiện đảo chiều một cách êm ái Trong sơ đồ này, động cơ không chỉ có khả năng đảo chiều mà còn có thể thực hiện hãm tái sinh.
2.2.2 Phương pháp điều khiển chung :
Sơ đồ bao gồm hai bộ biến đổi G1 và G2 được đấu song song ngược chiều nhau, cùng với các cuộn kháng cân bằng Lc Mỗi bộ biến đổi có khả năng hoạt động ở chế độ chỉnh lưu hoặc nghịch lưu.
Phương pháp điều khiển kiểu tuyến tính : α 1 + α 2 = π
Cả hai mạch chỉnh lưu được điều khiển cùng lúc nhưng hoạt động ở chế độ khác nhau: một mạch hoạt động ở chế độ chỉnh lưu, xác định dấu của điện áp một chiều ra tải, trong khi mạch còn lại ở chế độ nghịch lưu Do cả hai mạch cùng cung cấp điện cho một tải, giá trị trung bình của chúng cần phải bằng nhau.
Nếu dòng điện liên tục ta có : Ud1 = Ud0.cosα1 ;
Ud2 Ud0.cosα2 ; Vậy : Ud0.cosα1 = Ud0.cosα2 ;
Hay : cosα1 + cosα2 = 0 ; suy ra α1 + α2 = 180 0 ;
Nếu α1 là góc mở đối với G1, α2 là góc mở đối với G2 thì sự phối hợp giá trị α1 và α2 phải được thực hiện theo quan hệ : α1 + α2 = 1800 ;
Sự phối hợp này gọi là phối hợp điều khiển tuyến tính
Hình 2.3 : Sơ đồ phối hợp tuyến tính của α1 và α
Giả sử cần động cơ quay thuận, ta cho G1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu, α1 = 0 → 90 , Ud1 > 0, bấy giờ α2 > 90 , G2 làm việc ở chế độ nghịch lưu,𝑈 𝑖2 < 0
Cả hai điện áp Ud1 và Ui2 đều đặc lên phần ứng của động cơ M Động cơ chỉ có thể
“nghe theo” Ud1 và quay thuận Động cơ từ chối Ui2 vì các thyristor không thể cho dòng chảy từ catôt đến anôt
Khi α1 = α1 = 90, thì Ud1 = Ui2 = 0, động cơ ở trạng thái dừng
Hình 2.4: Sơ đồ mạch động lực của hệ chỉnh lưu cấu ba pha thyristor hệ T-Đ
Giả sử uc là điện áp điều khiển ở bộ điều khiển cần khởi động ĐM quay thuận ta cho
G1 hoạt động ở chế độ chỉnh lưu, trong khi G2 sẵn sàng cho chế độ nghịch lưu Để giảm tốc độ động cơ, ta đặt uc = uc2 với các góc mở α1 = 60 độ và α2 = 180 độ - α1 = 120 độ, trong đó U𝑑1 = 1.
Do quán tính, sức điện động E của động cơ vẫn duy trì giá trị như trước, dẫn đến E > U’d1, khiến bộ biến đổi G1 bị khóa lại.
Mặt khác E > |U’d2| nên bộ biến đổi G2 làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc, trả năng lượng tích luỷ trong động cơ về nguồn điện xoay chiều Dòng điện
23 phần ứng đổi dấu, chảy từ M vào G2 động cơ bị hãm tái sinh, tốc độ giảm xuống đến giá trị ứng với U’d1
Nếu cho điện áp điều khiển uc < 0 thì G2 sẽ làm việc ở chế độ chỉnh lưu, còn G1 sẽ làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc
Vậy bằng cách thay đổi điện áp điều khiển uc ( uc > 0 hoặc uc < 0 ) ta sẽ thay đổi được góc mở α1 và α2:
Khi uc > 0, α1 < 90° và α2 > 90° dẫn đến bộ chỉnh lưu G1 hoạt động ở chế độ chỉnh lưu, trong khi bộ biến đổi G2 hoạt động ở chế độ nghịch lưu, làm cho động cơ quay theo chiều thuận ωT Ngược lại, khi uc < 0, α1 > 90° và α2 < 90° khiến bộ chỉnh lưu G1 hoạt động ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc, còn bộ biến đổi G2 hoạt động ở chế độ chỉnh lưu, dẫn đến động cơ quay theo chiều ngược ωN Đặc điểm của chế độ đảo dòng là có dòng điện chảy qua lại giữa G1 và G2 mà không qua mạch tải, được gọi là “dòng điện tuần hoàn”.
Dòng điện tuần hoàn gây áp lực lớn lên máy biến áp và thyristor, vì vậy cần sử dụng bốn điện cảm Lc để hạn chế hiện tượng này Mặc dù phương pháp này làm tăng công suất và chi phí hệ thống, nhưng nó cho phép điều chỉnh nhanh chóng và hiệu quả.
-Xác định dòng điện tuần hoàn Icc
Hình 2.5 : Sơ đồ dạng sóng biểu diễn quan hệ giữa a1 và a2
Xét trường hợp 𝑎 1 = 30 0 và 𝑎 2 = 180 0 − 𝑎 1 = 150 0, trong khoảng θ1 đến θ3, có T1 và T6’, T2 và T5’ dẫn dòng, nhưng anôt T5’ và catôt T2 có cùng một điện thế, do đó không có dòng chảy từ T5’ sang T2 Chỉ có dòng tuần hoàn chảy từ G1 vào G2 qua T1 và T6’ Điện áp tuần hoàn trong khoảng này là:
𝑈 𝑐𝑐12 = 𝑈 2𝑎 − 𝑈 2𝑏 = √6𝑈 2 sin ((θ + π/6) Nếu chuyển toạ độ từ 0 sang 0 2 ta có:
Tiếp tục xét các khoảng khác, kết quả nhận được cho phép ta kết luận : hoàn 𝑖 𝑐𝑐12 chảy G1 vào G2, và ba xung dòng điện tuần hoàn icc12 chảy từ G2 vào G1
Trị trung bình của dòng điện tuần hoàn :
Phương pháp điều khiển phi tuyến được mô tả bằng công thức α1 + α2 = π + ξ, trong đó ξ là hệ số phi tuyến bổ sung Khi áp dụng kiểu điều khiển phối hợp không hoàn toàn, góc ξ sẽ phụ thuộc một cách phi tuyến vào các giá trị của α1 và α2.
Hình 2.6 : a ) Sơ đồ điều khiển chung phối hợp kiểu tuyến tính b ) Sơ đồ điều khiển chung phối hợp kiểu phi tuyến
2.3.2.Phương pháp điều khiển riêng :
Hai mạch chỉnh lưu hoạt động độc lập, với mạch này phát xung điều khiển khi mạch kia ngừng hoạt động, giúp loại trừ dòng điện tuần hoàn mà không cần cuộn kháng cân bằng Lc Tuy nhiên, trong quá trình đảo chiều, cần có "thời gian chết" tối thiểu vài ms để van mạch phục hồi trước khi phát xung cho mạch khác Điều này đòi hỏi một khối logic điều khiển đảo chiều đáng tin cậy và phức tạp Để thay đổi trạng thái hoạt động của các bộ chỉnh lưu, cần thiết bị đặc biệt để chuyển tín hiệu điều khiển giữa các bộ chỉnh lưu Do đó, việc điều khiển riêng lẻ sẽ làm gián đoạn các đặc tính cơ tại trục tung, khiến việc thay đổi chế độ làm việc của hệ thống trở nên khó khăn và giảm tính linh hoạt khi điều chỉnh tốc độ.
Trong phương pháp điều khiển riêng cũng có phối hợp điều khiển kiểu tuyế tính và phi tuyến
Hình 2.7: Sơ đồ cầu chỉnh lưu cầu ba pha có đảo chiều dùng phương pháp điều khiển riêng
Do sơ đồ này áp dụng phương pháp điều khiển riêng, nên không xuất hiện dòng điện tuần hoàn trong mạch Vì vậy, trong mạch không cần sử dụng bốn cuộn kháng cân bằng Lc.
CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.1.Tính chọn mạch động lực
3.1.1 Sơ đồ mạch động lực hệ chỉnh lưu cầu ba pha thyristor
Hình 3.1 : Sơ đồ mạch động lực của hệ chỉnh lưu cấu ba pha thyris
3.1.2 Các thông số của động cơ
- Động cơ một chiều có các thông số sau:
- Động cơ một chiều có các thông số sau :
Tốc độ : ndm = 1500 vòng/phút;
Tính chọn thyristor dựa vào các yếu tố cơ bản như: dòng điện tải, sơ đồ chỉnh lưu, điều kiện tản nhiệt, điện áp làm việc
- Điện áp ngược lớn nhất mà thyristor phải chịu:
- Điện áp ngược của van cần chọn:
Trong đó: Kdtu: Hệ số dự trữ điện áp, thường chọn Kdtu = 1,8;
- Dòng điện làm việc của van đựơc tính theo dòng hiệu dụng:
Khi lựa chọn thyristor, cần đảm bảo rằng nó hoạt động trong điều kiện có cánh tản nhiệt và đủ diện tích tản nhiệt, đồng thời không sử dụng quạt đối lưu không khí Ngoài ra, cần xem xét dòng điện định mức của van để chọn lựa phù hợp.
Để chọn thyristor cho mạch động lực, ta sử dụng hệ số dự trữ dòng điện ki = 3,2 và tính toán Idm = 5,4 A Theo đó, cần tra bảng thông số van để tìm các thyristor có điện áp ngược và dòng điện định mức lớn hơn gần nhất với các thông số đã tính Cuối cùng, thyristor loại TF440-06X được chọn với các thông số phù hợp.
- Dòng điện định mức của van: Idm = 400 (A) ;
- Điện áp ngược cực đại của van: UnT = 600 (V) ;
- Đỉnh xung dòng điện: Ipk = 4000 (A) ;
- Độ sụt áp trên thyrisor: ∆UT = 2,0 (V) ;
- Dòng điện của xung điều khiển: Ig = 200 (mA) ;
- Điện áp của xung điều khiển: Ug = 3,0 (V) ;
- Dòng điện rò : Ir = 25 (mA) ;
- Nhiệt độ làm việc cực đại : Tmax = 125 0 C ;
- Dòng điện duy trì : Ih = 70 mA ;
- Tốc độ biến thiên điện áp : dt du = 200 (V/às) ;
- Thời gian chuyển mạch: tcm = 15 (às) ;
3.1.4 Tính toán máy biến áp chỉnh lưu Để chọn các thiết bị trong mạch động lực cũng như mạch bảo vệ, trước hết cần xác định điện áp ra của bộ biến đổi Tiristor
Chọn máy biến áp ba pha ba trụ có sơ đồ nối dây ∆/Y, làm mát tự nhiên bằng không khí
Máy biến áp là một bộ phận quan trọng của hệ thống điện, thực hiện các chức năng sau
- Biến đổi điện áp nguồn cho phù hợp với yêu cầu sơ đồ phụ tải
- Bảo đảm sự cách ly giữa phụ tải với lưới điện để vận hành an toàn và thuận tiện
- Biến đổi số pha cho phù hợp với số pha của sơ đồ phụ tải
- Tạo điểm trung tính cho sơ đồ hình tia
- Hạn chế dòng điện ngắn mạch trong chỉnh lưu và hạn chế mức tăng dòng Anốt để bảo vệ van
- Cải thiện hình dáng sóng điện lưới làm cho nó đỡ biến dạng so với hình sin, do đó nâng cao chất lượng điện áp lưới
* Tính các thông số cơ bản:
- Tính công suất biểu kiến của máy biến áp:
- Điện áp pha sơ cấp máy biến áp: U1 = 380 V;
- Điện áp pha thứ cấp máy biến áp:
Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:
Ud0 Cosαmin = Ud + 2∆UV + 2∆Udm + ∆UBA
Trong đó: αmin = 0 0 là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới ;
∆UV = 2 V là sụt áp trên thyristor ;
∆Udm ≈ 0 là sụt áp trên dây nối :
∆UBA = ∆Ur + ∆Ux là sụt áp trên điện trở và điện kháng trên máy biến áp ;
Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có :
+ = 250,4 V ; Điện áp pha thứ cấp máy biến áp :
- Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp :
- Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp :
Chọn máy biến áp có:
Công suất máy biến áp biểu kiến SBA= 5,775kVA Điện áp pha sơ cấp U1 = 380V Điện áp pha thứ cấp U2 = 107V
Dòng điện hiệu dụng sơ cấp I1 = 38,16A
Dòng điện hiệu dụng thứ cấp I2 = 135,54 A
Thiết kế mạch điều khiển
Hình 3.2: Sơ đồ khối điều khiển thyristor
Trong thực tế, hai nguyên tắc điều khiển thường được sử dụng là "thẳng đứng tuyến tính" và "thẳng đứng arccos" để xác định vị trí xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên thyristor.
➢ Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính:
Theo nguyên tắc này người ta thường dùng hai điện áp:
- Điện áp đồng bộ (Us), đồng bộ với điện áp đặt trên anôt – catôt của thyristor, thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh
- Điện áp điều khiển (Ucm), là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ Thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh
Hình 3.3: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
Do vậy hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là:
Khi Us = Ucm, quá trình so sánh lật trạng thái dẫn đến sự sụt giảm điện áp đầu ra của khâu so sánh Sự sụt giảm này thông qua đa hài ổn định tạo ra xung điều khiển.
Như vậy bằng cách làm biến đổi Ucm, ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh góc α
Giữa α và Ucm có quan hệ sau: α max
U ; Người ta lấy Ucmmax = Usmax ;
➢ Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos :
Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp :
- Điện áp đồng bộ Us, vượt trước UAK = Sinωt Um của thyristor một góc
- Điện áp điều khiển Ucm là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ theo hai chiều dương và âm
Hình 3.4 : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcoss Nếu đặt Us vào cổng đảo và Ucm vào cổng không đảo của khâu so sánh thì :
Khi Us = Ucm, ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái
Như vậy, khi điều chỉnh Ucm từ trị Ucm = +Um, đến trị Ucm = -Um ta có thể điều chỉnh được góc α từ 0 đến α
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arcos” được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao
3.2.3 Các khâu cơ bản của mạch điều khiển
Sơ đồ ở hình 3–5a là một thiết kế đơn giản với ít linh kiện, nhưng chất lượng điện áp tựa không đạt yêu cầu do độ dài phần biến thiên tuyến tính không phủ hết 180 độ, dẫn đến góc mở van lớn nhất bị giới hạn Điều này có nghĩa là điện áp tải không thể điều khiển từ 0 đến cực đại mà chỉ từ một trị số khác đến cực đại Để khắc phục nhược điểm này, sơ đồ tạo điện áp tựa được sử dụng, với phần biến thiên tuyến tính phủ hết nửa chu kỳ điện áp, cho phép điều khiển điện áp từ 0 đến cực đại một cách hiệu quả.
Với sự phát triển của linh kiện ghép quang, sơ đồ tạo điện áp tựa bằng bộ ghép quang trở nên khả thi Ưu điểm nổi bật của sơ đồ này là không cần biến áp đồng pha, giúp đơn giản hóa quá trình chế tạo và lắp đặt.
Các sơ đồ trên đều gặp phải nhược điểm chung là khả năng mở và khóa các tranzitor trong vùng điện áp gần 0 không chính xác, dẫn đến việc nạp và xả tụ trong khu vực điện áp lưới gần bị ảnh hưởng.
Ngày nay, vi mạch ngày càng được sản xuất với chất lượng cao hơn và kích thước nhỏ gọn hơn Việc ứng dụng các vi mạch trong thiết kế mạch đồng pha giúp cải thiện đáng kể chất lượng điện áp tựa Sơ đồ 3-5d minh họa quá trình tạo điện áp tựa thông qua việc sử dụng khếch đại thuật toán.
Dưới đây ta gới thiệu một số khâu đồng pha cơ bản và ta chọn hình d;
Hình3.6: Giản đồ của khâu đồng pha
Để xác định thời điểm mở thyristor, cần so sánh hai tín hiệu Udk và Urc Việc so sánh này có thể thực hiện bằng transistor (Tr).
Udk là điện áp đầu vào điều khiển trạng thái của khóa, chuyển từ mở sang khóa hoặc ngược lại Sự thay đổi này làm cho điện áp ra cũng thay đổi trạng thái, giúp xác định thời điểm cần mở thyristor.
Mức độ mở bảo hòa của thyristor (Tr) phụ thuộc vào hiệu điện áp Udk ± Urc = Ub, trong đó hiệu này chỉ có một vùng điện áp nhỏ khoảng vài mV Điều này khiến thyristor không hoạt động ở chế độ đóng cắt như mong muốn, dẫn đến việc thời điểm mở thyristor thường bị lệch so với điểm cần mở tại Udk = Urc.
Khếch đại thuật toán có hệ số khếch đại rất lớn, cho phép đầu ra tạo ra một điện áp nguồn khi chỉ cần một tín hiệu đầu vào nhỏ (khoảng vài microvolt) Do đó, việc sử dụng khếch đại thuật toán trong các mạch so sánh là rất hợp lý Các sơ đồ so sánh sử dụng khếch đại thuật toán hiện nay rất phổ biến, với ưu điểm nổi bật là khả năng phát xung điều khiển chính xác tại Udk = Urc.
Một số sơ đồ khâu so sánh thường gặp như sau ta chọn hình 3-7
Hình 3.7: Khâu so sánh bằng transitor
Hình 3.8: Sơ đồ so sánh hai tín hiệu khác dấu
Để tạo xung phù hợp cho việc mở thyristor trong tầng khếch đại cuối cùng, thường sử dụng tranzitor công suất Biến áp xung được áp dụng để tạo ra xung dạng kim cho thyristor, trong khi đó Tr được sử dụng để khếch đại công suất, cùng với diot D bảo vệ Tr và cuộn dây sơ cấp của biến áp xung khi Tr khóa đột ngột Mặc dù sơ đồ này đơn giản, nhưng không phổ biến do hệ số khếch đại của tranzitor loại này thường không đủ lớn để khếch đại tín hiệu từ khâu so sánh.
Hình 3.9: Sơ đồ các khâu khếch đại và phân phối xung Bằng tranzitor công suất
Tầng khếch đại cuối cùng sử dụng sơ đồ Darlington là một lựa chọn phổ biến trong thực tế Sơ đồ này hiệu quả trong việc đáp ứng yêu cầu khếch đại công suất, nhờ vào việc hệ số khếch đại được nhân lên từ các thông số của các tranzistor.
Trong điều khiển xung, độ rộng của xung thường chỉ cần từ 10 đến 200 micro giây Thời gian mở của các transistor công suất tối đa chỉ khoảng một nửa chu kỳ, tương đương với 0,01 giây, giúp tối ưu hóa hiệu suất công việc.
Công suất tỏa nhiệt dư của transistor lớn và kích thước dây quấn sơ cấp biến áp cũng lớn Để giảm công suất tỏa nhiệt và kích thước dây quấn, có thể thêm tụ nối tầng Theo sơ đồ này, transistor chỉ cho phép dòng điện chạy qua trong thời gian nạp tụ, giúp giảm đáng kể dòng điện hiệu dụng.
Để giảm dòng công suất cho tầng khếch đại và tăng số lượng xung kích mở, việc phát xung chùm cho các thyristor là cần thiết Nguyên tắc thực hiện là chèn thêm một cổng AND vào trước tầng khếch đại, kết hợp tín hiệu từ tầng so sánh và bộ phát xung chùm Điều này đảm bảo thyristor mở một cách chắc chắn.
Hình 3.10: Sơ đồ phối hợp tạo xung chum
Tính toán các thông số mạch điều khiển
Sơ đồ một kênh điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha được thiết kế theo sơ đồ hình 3-
13 Tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khếch đại ngược trở lên Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở thyristor
Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển: Điện áp điều khiển thyristor: Udk =3,0V;
Dòng điện điều khiển thyristor: Idk= 200 mA:
Thời gian mở thyristor: tm P às; Độ rộng xung điều khiển: tx= 167 às; (tương đương với 3 0 điện); Tần số xung điều khiển: fx =3 kHz;
42 Độ mất đối xứng cho phép: ∆α = 4 0 ; Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U = ± 12 V;
Mức sụt biên độ xung: Sx =0,15
Chọn vật liệu cho lõi sắt ferit HM, với lõi hình xuyến hoạt động trên một phần của đặc tính từ hoá, có các thông số ∆B = 0,3T và ∆H = 30 A/m, trong điều kiện không có khe hở không khí.
- Tỷ số biến áp xung: thường m = 2 ÷ 3 ta chọn m = 3;
- Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung U2 = Udk = 3 V;
- Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung:
- Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung:
- Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung:
- Độ từ thẩm trung bình của lõi sắt: àtb = = =
Trong đú: à0 = 1,25 10 -6 H/m là độ từ thẩm của khụng khớ
- Thể tích của lõi thép cần có:
3.3.2 Tính tầng khếch đại cuối cùng
Chọn Tranzitor công suất Tr3 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung, có các thông số sau:
Tranzitor loại N-P-N, vật liệu bán dẫn là silic Điện áp giữa colectơ và bazơ khi hở mạch emitơ là: UCBO = 40 V;
43 Điện áp giữa emitơ và bazơ khi hở mạch colectơ là: UEBO = 4 V;
Dòng điện lớn nhất ở colectơ có thể chịu đựng: ICmax = 500 mA;
Công suất tiêu tán ở colectơ: PC = 1,7W;
Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T1 5 0 C;
Dòng làm việc của colectơ: IC3 =I1 = 0,1mA;
Dòng làm việc của bazơ: IB3 = 2
Ta thấy rằng với loại thyristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé: Udk = 3V
Dòng colectơ – bazơ của tranzitor Tr3 chỉ là 200 mA (0,2A), do đó có thể không cần tranzitor Tr2 mà vẫn đạt được công suất điều khiển tương tự Để cấp nguồn cho máy biến áp xung, chọn E = +12 V Với nguồn E = 12 V, cần mắc thêm điện trở R10 có giá trị 3 Ohm nối tiếp với cực emitơ của Tr3.
Tất cả các điôt trong mạch điều khiển dùng loại 1N4009, có các tham số:
- Dòng điện định mức: Idm = 10 mA;
- Điện áp ngược lớn nhất: UN %V;
- Điện áp để cho điốt mở thông: Um =1V;
Toàn bộ mạch điều khiển phải dùng 12 cổng AND nên ta chọn hai IC 4081 họ CMOS Mổi IC 4081 có 4 cổng AND Các thông số của cổng AND là:
- Nguồn nuôi IC: Vcc = 3 ÷ 9 V, ta chọn Vcc = 12 V ;
- Nhiệt độ làm việc: tlv = - 40 0 C ÷ 80 0 C ;
- Điện áp ứng với mức logic “1”: 2 ÷ 4,5 V ;
- Công suất tiêu thụ: P = 2,5 nW/1 cổng ;
Hình 3.14 : Sơ đồ chân của IC 408
3.3.4 Chọn tụ C 3 và R 9 Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào bazơ của tranzitor Tr3 Chọn R9 thoả mãn điều kiện:
Chọn C3 R9 = tx = 167 às, suy ra C3 R 9 t x
3.3.5 Tính chọn bộ tạo xung chùm
Mỗi kênh điều khiển phải dùng bốn khếch đại thuật toán, do đó ta chọn IC loại
TL 084 do hãng Texas Intruments chế tạo các IC này có khếch đại toán
Các thông số của TL 084:
- Điện áp nguồn nuôi: Vcc = ± 12 V ;
- Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: U = ± 30 V ;
- Công suất tiêu thụ: P = 680 mW = 0,68 W ;
- Tổng trở đầu vào: Rin = 10 6 MΩ ;
- Dòng điện đầu ra: Ira = 30 pA ;
- Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: dt du = 13 V/às ;
Hình 3.15: Sơ đồ chân IC TL084
Mạch tạo xung chùm có tần số f t x
1 = 3 kHz, hay chu kỳ của xung chùm:
Chọn tụ C2 = 0,1 àF, cú điện ỏp U = 16 V suy ra R8 = 1,518 Ω ; Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch, ta chọn R8 là biến trở 2Ω
3.3.6 Tính chọn khâu so sánh
Khếch đại thuật toán đã chọn loại TL 084
Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc = ± 12 V thì điện áp vào A3 là UV ≈ 12 V Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1 mA
Do đó ta chọn R4 = R5 = 15 kΩ, khi đó dòng điện vào A3 là:
3.3.7 Tính chọn khâu đồng pha Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C1 Mặt khác để bảo đảm điện áp tựa có trong nữa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được
Chọn tụ C1 = 0,1 àF, thỡ điện trở R3 = 6
Vậy R3 = 50 kΩ ; Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch, R3 thường chọn là biến trở lớn hơn 50 kΩ Chọn tranzitor Tr1 loại A564 có các thông số sau:
- Tranzitor loại P-N-P, làm bằng silic
- Điện áp giữa colectơ và bazơ khi hở mạch emitơ là: UCBO = 25 V ;
- Điện áp giữa emitơ và bazơ khi hở mạch colectơ là: UEBO = 7 V;
- Dòng điện lớn nhất ở colectơ có thể chịu đựng: ICmax = 100 mA ;
- Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: Tcp = 150 0 C ;
- Dòng điện làm việc cực đại của bazơ: IB3 250
- Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào bazơ của tranzitor Tr1 và được chọn như sau:
Khi chọn điện áp xoay chiều đồng pha với giá trị UA = 9 V, cần xác định điện trở R1 để hạn chế dòng điện vào khếch đại thuật toán A1 Thông thường, R1 được chọn sao cho dòng vào khếch đại thuật toán IV không vượt quá 1 mA.
Cần thiết phải tạo ra nguồn điện áp U ± 12 V để cung cấp cho máy biến áp xung, nhằm nuôi IC và các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ cũng như điện áp đặt tốc độ.
Chúng tôi đã chọn mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển sử dụng 12 diot để tạo ra điện áp 12 V và +12 V như trong hình 3-17 Điện áp thứ cấp của máy biến áp nguồn cung cấp cho mạch là điều quan trọng cần lưu ý.
Việc xây dựng nguồn ổn áp một chiều bằng thyristor gặp khó khăn do yêu cầu kỹ thuật cao và tính toán phức tạp Tuy nhiên, sự ra đời của vi mạch ổn áp 7812 và 7912 đã đơn giản hóa quy trình này, giúp chúng trở thành lựa chọn phổ biến trong thực tế.
Vi mạch IC 7812 thường có ba chân, chân đầu vào, chân đầu ra và chân nối đất
Do có nhiều hãng sản xuất ra loại IC này do đó hình dáng bên ngoài và thứ tự của các chân có khác nhau
3.3.9 Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha
Chúng tôi thiết kế máy biến áp phục vụ cho việc tạo ra điện áp đồng pha và cung cấp nguồn nuôi Lựa chọn kiểu máy biến áp ba pha ba trụ, mỗi trụ được trang bị ba cuộn dây, bao gồm một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp.
- Điện áp lấy ra ở thứ cấp máy biến áp làm điện áp đồng pha, và làm điện áp của nguồn nuôi
- Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha
- Công suất nguồn nuôi cấp cho máy biến áp xung
- Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL 084 sử dụng làm khếch đại thuật toán, ta chọn hai
IC TL 084 để tạo 6 cổng AND
- Công suất máy biến áp xung cấp cho cực điều khiển thyristor
- Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi
- Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy
- Dòng điện thứ cấp máy biến áp
- Dòng điện sơ cấp máy biến áp
3.3.10 Tính chọn điôt cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi
Dòng điện hiệu dụng qua điôt
- Điện áp ngược lớn nhất mà điốt phải chịu
- Chọn điôt có dòng định mức
- Chọn điôt có điện áp ngược lớn nhất
Vậy chọn điôt loại KIT 208A có các thông số sau:
+ Dòng điện định mức: Idm = 1,5 A ;
+ Điện áp ngược cực đại của điôt: UN = 100 V ;
Tính chọn các thiết bị mạch bảo vệ mạch động lực
3.4.1 Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ
3.4.2 Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn
Khi dòng điện chạy qua, van bán dẫn sẽ gặp sụt áp, dẫn đến tổn hao công suất ∆P và sinh ra nhiệt, làm nóng van Để đảm bảo van bán dẫn hoạt động an toàn, cần phải duy trì nhiệt độ dưới mức TCP cho phép, vì nếu vượt quá, van sẽ bị hỏng Do đó, việc lựa chọn và thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý là rất quan trọng để ngăn chặn hiện tượng quá nhiệt.
Tính toán cánh tản nhiệt:
- Tổn thất công suất trên một thyristor
- Diện tích bề mặt toả nhiệt
∆P: Tổn hao công suất (W) ; τ: Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường
Km: Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ Chọn Km = 8 W/m 2 0 C
Tlv,Tmt: Nhiệt độ làm việc và nhiệt độ của môi trường ( 0 C)
Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 40 0 C Nhiệt độ làm việc cho phép của thyristor
Tcp= 125 0 C Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv 0 C τ = Tlv - Tmt = 80 – 40 = 40 0 C ;
Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước mổi cánh là a × b = 16 × 16 (cm × cm)
Tổng diện tích của cánh tản nhiệt
3.4.3 Bảo vệ quá dòng cho van
Aptomat là thiết bị quan trọng trong việc đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ hệ thống khỏi tình trạng quá tải và ngắn mạch Nó có khả năng bảo vệ cho các mạch thyristor, ngắn mạch đầu ra của bộ biến đổi, cũng như ngắn mạch thứ cấp của máy biến áp và trong chế độ nghịch lưu.
Với I1: là dòng điện sơ cấp máy biến áp k: Hệ số an toàn
Aptomat có ba tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện Chỉnh định dòng ngắn mạch
- Chọn cầu dao có dòng định mức
Cầu dao dùng để tạo khoảng cách an toàn khi sửa chữa hệ truyền động
- Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các thyristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu
Dòng điện định mức dây chảy nhóm 1CC là:
Dòng điện định mức dây chảy nhóm 2CC là:
Dòng điện định mức dây chảy nhóm 3CC là:
Vậy chọn cầu chảy nhóm:
1CC loại 150 A ; 2CC loại 120 A ; 3CC loại 200 A
3.4.4 Bảo vệ quá điện áp cho van
Linh kiện bán dẫn, đặc biệt là linh kiện bán dẫn công suất, rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp Một trong những yếu tố quan trọng nhất cần bảo vệ là điện áp đặt vào van không được vượt quá thông số cho phép của van.
- Xung điện áp do chuyển mạch van
- Xung điện áp từ phía lưới điện xoay chiều, nguyên nhân thường gặp là do cắt tải có điện cảm lớn trên đường dây
Xung điện áp có thể xảy ra khi máy biến áp non tải bị cắt đột ngột Để bảo vệ van hoạt động lâu dài khỏi tình trạng quá điện áp, việc lựa chọn các van bán dẫn phù hợp với điện áp ngược là rất quan trọng.
Để bảo vệ khỏi quá điện áp do quá trình đóng cắt các van thyristor, cần mắc R – C song song với thyristor Khi xảy ra sự cố chuyển mạch, điện tích trong các lớp bán dẫn sẽ phóng ra, tạo ra dòng điện ngược trong thời gian ngắn Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược này gây ra sức điện động cảm ứng lớn trong các điện cảm, dẫn đến quá điện áp giữa anôt và catôt.
52 thyristor Khi có mạch R – C mắc song song với thyristor, tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên thyristor không bị quá điện áp
Hình 3.16 : Mạch R – C bảo vệ quá điện áp khi van chuyển mạch
Để bảo vệ xung điện áp lưới, ta cần mắc song song với tải một mạch R-C nhằm lọc xung Mạch lọc này giúp giữ đỉnh xung điện áp gần như hoàn toàn trên điện trở đường dây khi xung xuất hiện Giá trị của R và C sẽ phụ thuộc nhiều vào tải.
Hình 3.17 : Mạch R – C bảo vệ xung điện áp từ lưới.
Thiết kế cuộn kháng lọc
3.5.1 Xác định góc mở cực tiểu và cực đại
Chọn góc mở cực tiểu αmin = 0 0
Khi góc mở nhỏ nhất α = αmin thì điện áp trên tải lớn nhất:
Ud max = Ud0 Cosαmin = Ud dm và lúc này tương ứng với tốc độ động cơ sẽ lớn nhất nmax = ndm
Khi góc mở lớn nhất α = αmax, thì điện áp trên tải là nhỏ nhất:
Ud min = Ud0 Cosαmax và lúc này tương ứng với tốc độ động cơ sẽ là nhỏ nhất n = nnin
Trong đó Ud min được xác định như sau:
Ud min = U ( D ) I u dm ( R u R BA R dt )
Thay số vào ta có:
Thay Ud min vào công thức (3-3) ta có: αmax = arcos(
3.5.2 Xác định các thành phần sóng hài Để thuận tiện cho việc khai triển chuổi Fourier, ta chuyển gốc toạ độ sang θ1, khi đó điện áp tức thời trên tải khi thyristor T1 và T4 dẫn:
+ α) ; Với θ = Ω T ; Điện áp tức thời trên tải Ud không sin và tuần hoàn với chu kỳ:
Trong đó p = 6 là số xung đập mạch trong một chu kỳ điện áp lưới
Khi khai triển chuổi Fourier của điện áp Ud:
Vậy ta có biên độ của điện áp:
3.5.3 Xác định điện cảm cuộn kháng lọc
Khi góc mở tăng, biên độ sóng hài cũng tăng, dẫn đến đập mạch điện áp và dòng điện gia tăng Hiện tượng này làm giảm hiệu suất chuyển mạch của vành góp và gây tổn hao nhiệt trong động cơ Để giảm thiểu đập mạch, cần mắc một cuộn kháng lọc đủ lớn nối tiếp với động cơ, đảm bảo rằng Im ≤ 0,1 Iưdm.
Cuộn kháng lọc không chỉ giúp hạn chế thành phần sóng hài bậc cao mà còn giảm thiểu vùng dòng điện gián đoạn Điện kháng lọc được tính toán khi góc mở α đạt giá trị tối đa αmax.
Ud + u~ = E + Rư∑ Id + Rư∑ I~ + L dt di −
Cân bằng hai vế: u~ = R i~ + L dt di vì R i~ 𝑈 𝑑 thay đổi và tốc độ cũng thay đổi theo
Để tăng tốc độ, ta cần tăng 𝑈 𝑐đ, dẫn đến 𝑈 𝑉𝐼𝐶3 trở nên âm nhiều hơn và sau đó dương nhiều hơn Khi mở nhiều, 𝑈 đ𝑘 sẽ giảm nhẹ, làm cho 𝑈 𝑑 tăng lên và tốc độ cũng tăng theo Ngược lại, khi giảm 𝑈 𝑐đ, góc mở 𝛼 sẽ tăng lên, dẫn đến tốc độ giảm xuống.
- Nguyên lý ổn định tốc độ
Khi động cơ quay với một tốc độ nhất định và điện áp được đặt tương ứng, nếu tốc độ động cơ tăng, điện áp U đ𝑘 cũng sẽ tăng, dẫn đến góc mở 𝛼 tăng và điện áp phần ứng động cơ giảm để đưa tốc độ trở về giá trị ban đầu Ngược lại, nếu tốc độ động cơ giảm, điện áp U đ𝑘 sẽ giảm, làm giảm góc 𝛼, trong khi điện áp phần ứng động cơ tăng để phục hồi tốc độ về mức ban đầu.
Ví dụ: khi tốc độ động cơ tăng, thì 𝛾𝑛 tăng lên => −𝑈 𝑉𝐼𝐶3 = −𝑈 𝑐đ + 𝛾𝑛 sẽ bớt âm đi, 𝑈 𝑉𝐼𝐶3 bớt dương => 𝑈 𝑅𝐼𝐶5 bớt â, và thyritor mở ít đi, 𝑈 đ𝑘 tăng lên, góc 𝛼 tăng lên
60 dẫn đến 𝑈 𝑑 giảm nhỏ và tốc độ động cơ cũng giảm theo cho phù hợp lượng đặt ban đầu
- Nguyên lý ổn định quá tải
Khi 𝐼 ư < 𝐼 𝑛𝑔, tín hiệu phản hồi âm dòng không có tác dụng do điện áp đầu vào IC4 âm Điều này dẫn đến tín hiệu ra IC4 dương, làm cho dòng đi qua D bị chặn và DI bị khóa Lúc này, điện áp điều khiển chỉ phụ thuộc vào tín hiệu phản hồi âm tốc độ 𝛾𝑛.
Khi 𝐼 ư lớn hơn 𝐼 𝑛𝑔, tín hiệu đầu vào IC4 dương dẫn đến tín hiệu ra IC4 âm Điều này khiến diode D mở, từ đó hạn chế dòng điện tham gia vào mạch.
Giảm 𝑈 𝑅𝐼𝐶5 sẽ làm giảm thyritormowr Khi 𝑈 đ𝑘 tăng, góc 𝛼 cũng tăng, dẫn đến 𝑈 𝑑 giảm, làm giảm độ cứng đặc tính cơ Nếu dòng điện phần ứng tăng quá mức, điều này có thể gây ra độ cứng đặc tính cơ rất dốc và làm ngừng hoạt động của hệ thống.
Tốc độ : ndm = 1500 vòng/phút;
GIÁ VÀ KIỂM TRA ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG
Tính toán các thông số cơ bản
4.1.1.Các tham số cơ bản
:Hệ số phản hồi âm tốc độ =0,0682
R : Tổng điện trở mạch phần ứng R = 0,105 ()
Iư: Trị số dòng điện trên tải, tính theo dòng định mức động cơ
𝐾 Đ : Hệ số khuếch đại của động cơ
4.1.2.Hê số khuếch đại của động cơ
Khảo sát chế độ tĩnh của hệ thống
Khảo sát chế độ tĩnh của hệ thống nhằm kiểm tra độ cứng và đặc tính cơ của nó, đồng thời đánh giá sự đảm bảo sụt tốc độ tương đối Qua đó, quá trình diễn biến và các chế độ làm việc của hệ thống được mô tả rõ ràng, giúp đánh giá chất lượng tĩnh của hệ thống truyền động của máy bào giường Việc khảo sát này được thực hiện thông qua việc xây dựng đặc tĩnh của hệ thống.
Xây dựng đặc tĩnh của hệ thống liên quan đến việc thiết lập mối quan hệ giữa tốc độ và mômen [n = f(M)] hoặc giữa tốc độ và dòng điện [n = f(I)] Thông thường, đặc tĩnh cơ điện [n = f(I)] được xây dựng, vì dòng điện chạy qua động cơ phản ánh trực tiếp chế độ tải của nó.
Khi xây dựng đặc tính tĩnh cho hệ thống truyền động điện, cần đưa ra các giả thiết phù hợp, vì hệ thống này bao gồm các phần tử hoạt động trong cả vùng phi tuyến và vùng tuyến tính.
• Động cơ làm việc dài hạn với mạch từ chưa bão hoà
• Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi = const
• Tiristor là phần tử làm việc không có quán tính
• Điện trở mạch phần ứng không thay đổi trong suốt quá trình làm việc
4.2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống ở chế độ tĩnh
Căn cứ vào hệ thống thiết kế ta có sơ đồ cấu trúc như sau
Hình 5.1 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống Trong đó:
+ Ucđ: Tín hiệu điện áp đặt tốc độ (điện áp chủ đạo)
+ kn: Hệ khuếch đại tốc độ + kI : Hệ khuếch đại dòng điện
+ kb: Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi Kb = 10,07
+ kĐ: Hệ số khuếch đại của động cơ một chiều KĐ = 3,052
+ : Hệ số phản hồi tốc độ
+ : Hệ số phản hồi dòng điện Ở đây ta sử dụng xen xơ dòng điện cò hệ số phản hồi
+ Rb + Rư : Điện trở bộ biến đổi và điện trở mạch phần ứng( Sử dụng bộ biến đổi cầu
3 pha có điện trở Rb 0())
4.2.3 Kiểm tra sự ổn định của hệ thống ở chế độ tĩnh
Sai lệch tốc độ tương đối lớn nhất xuất hiện ở đường đặc tính thấp nhất Do đó, cần kiểm tra nghiệm chế độ tính cho đường giới hạn dưới.
Tốc độ động cơ ở đường đặc tính thấp nhất:
𝑝) ở đâ𝑦 𝑐ℎọ 𝐷 = 3 Tốc độ không tải của động cơ ở đường dặc tính thấp nhất:
Theo yêu cầu của hệ thống thấy rằng:
n% = 3,95% < [n%] = 5% Hệ thống đảm bảo chất lượng tĩnh
4.2.4 Kiểm tra sự ổn định của hệ thống theo tiêu chuẩn Routh
+ Nội dung tiêu chuẩn : Điều kiện cần và đủ trong hệ thống điều khiển tuyển tính ổn định là các hệ số ở cột 1 bảng Routh phải lớn hơn 0
- Giả sử phương trình của hệ thống như sau :
+ Ta có bảng Routh như sau :
+ Áp dụng vào hệ thống ta có bảng Routh như sau:
Tất cả các hệ số trong cột 1 của bảng Routh đều lớn hơn 0, điều này cho thấy hệ thống ổn định ở chế độ động, do đó không cần phải hiệu chỉnh hệ thống.