Thiết kế bộ chỉnh lưu công suất 1 pha

Mạch chỉnh lưu là một mạch điện điện tử chứa các linh kiện điện tử có tác dụng biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Mạch chỉnh lưu được dùng trong các bộ nguồn một chiều hoặc mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến trong các thiết bị vô tuyến. Trong mạch chỉnh lưu thường chứa các diode bán dẫn để điều khiển dòng điện và các đèn chỉnh lưu thủy ngân hoặc các linh kiện khác.

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA

 Tên đề tài: Thiết kế chế tạo bộ nguồn chỉnh lưu

công suất một pha điều khiển động cơ.

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2020

-1-PHẦN I: Cơ sở lý thuyết chung về động cơ điện một chiều1.1 Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều:

Như ta đã biết máy phát điện một chiều có thể dùng làm máy phát điện hoặc động cơ điện Động cơ điện một chiều là thiết bị quay biến đổi điện năng thành cơ năng Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Động cơ điện một chiều được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và giao thông vận tải Động cơ điện một chiều gồm những loại sau đây:

- Động cơ điện một chiều kích từ song song

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần : Phần tĩnh (stator) và phần động (rôtor)

1.2.1 Phần tĩnh (stator)

Gồm các phần chính sau:

a Cực từ chính:

Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích

từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện.Cực từ được gắn chặt vào vỏ nhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấn bằngdây đồng bọc cách điện

b Dây quấn phần ứng:

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua Thường làmbằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện

-2-tròn, trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dâyquấn được cách điện với rãnh của lõi thép.

c Cổ góp:

Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điệnxoay chiều thành một chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cáchđiện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn.Đuôi vành góp có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tử dâyquấn vào các phiến góp được dễ dàng

d Các bộ phận khác:

- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy

- Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục máythường làm bằng thép Cacbon tốt

1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều:

A

B

Hình 1:Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều

Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phầnứng có dòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịulực điện từ Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quytắc bàn tay trái Khi phần ứng quay được nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổichỗ nhau do có phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng khôngđổi đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi Khi động cơ quay các thanh dẫncắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động Eư chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắcbàn tay phải

Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eưcòn gọi là sức phản điện động

Phương trình cân bằng điện áp: U= Eư+Rư.Iư

Trong đó: Rư: điện trở phần ứng

F a

Eư: sức điện động

Theo yêu cầu của đề bài ta xét hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều kích

rừ độc lập Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có dòng điện kích từ khôngphụ thuộc vào dòng điện phần ứng nghĩa là từ thông của động cơ không phụ thuộcvào phụ tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ

Hình2 : Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

1.4 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập

Đặc tính cơ là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen (M) của động cơ

Ứng với chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông ) động cơ vận hành ở chế độđịnh mức với đặc tính cơ tự nhiên (Mđm , wđm)

Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các thông số nguồnhay nối thêm điện trở phụ, điện kháng vào động cơ

Để đánh giá, so sánh các đặc tính cơ người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính

cơ β được tính như sau Δβ=

ΔM Δω

β lớn (đặc tính cơ cứng) tốc độ thay đổi ít khi M thay đổi

β nhỏ (đặc tính cơ mềm) tốc độ giảm nhiều khi M tăng.

β → ∞ đặc tính cơ tuyệt đối cứng.

1.4.1 Sơ đồ nguyên lý:

-4-Rf U­

E­

+

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều

Khi nguồn điện 1 chiều có công suất lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng

và mạch kích từ mắc vào 2 nguồn một chiều độc lập

60a : hệ số sức điện động của động cơ

a: số mạch nhánh song song của cuộn dây

Mặt khác: M= M= K.Ф.Iư (5): là mômen điện từ của động cơ

Rf

E­

 Trường hợp thay đổi U< U đm

 Ảnh hưởng của từ thông:

Muốn thay đổi Φ ta thay đổi dòng kích từ Ikt khi đó tốc độ không tải ω=

U dm Kφ

-6-thông… Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phùhợp với yêu cầu Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:

Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyểntiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản suất

Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làm giảm tính phứctạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh Vì vậy, ta khảo sát sự điềuchỉnh tốc độ theo phương pháp thứ hai

Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc độ khi phụtải thay đổi của động cơ điện

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việthơn so với các loại động cơ khác Không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ

dễ dàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lạiđạt chất lượng điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng

1.5.1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ:

Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứvào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện:

a Hướng điều chỉnh tốc độ:

Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ lớn hơn hay

bé hơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơ điện trên đường đặctính cơ tự nhiên

b.Phạm vi điều chỉnh tốc độ (dãy điều chỉnh):

Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất nmax và tốc độ bé nhấtnmin mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức: D = nmax/nmin

Trong đó:

- nmax: Được giới hạn bởi độ bền cơ học

- nmin: Được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ, thông thường người tachọn nmin làm đơn vị

Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu của từng hệthống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh

c Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ:

-7-Độ cứng:  = M/n Khi  càng lớn tức M càng lớn và n nhỏ nghĩa là độ

ổn định tốc độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều Phương pháp điều chỉnh tốc độtốt nhất là phương pháp mà giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng của đường đặc tính

cơ Hay nói cách khác  càng lớn thì càng tốt

d Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ:

Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ Độ liên tục khi điềuchỉnh tốc độ  được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau:

Với ni và ni + 1 đều lấy tại một giá trị moment nào đó

 tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục Lúc nàyhai cấp tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điều chỉnh tốc độ vôcấp

  1 : Hệ thống điều chỉnh có cấp

e Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ:

Hệ thống truyền động điện có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suất làmviệc của động cơ  là cao nhất khi tổn hao năng lượng Pphụ ở mức thấp nhất

f Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ:

Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện có tính kinh tế cao nhất là một hệthống điều chỉnh phải thỏa mãn tối đa các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống Đồngthời hệ thống phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành thấp nhất, sửdụng thiết bị phổ thông nhất và các thiết bị máy móc có thể lắp ráp lẫn cho nhau

1.5.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng:

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

Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồn điều ápnhư: máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ… Các bộ

-8-biến đổi trên dùng để -8-biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng một chiều vàđiều 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:

Ta có tốc độ không tải lý tưởng: n0 = Uđm/KEđm Độ cứng của đường đặc tính

Hình 4: Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng 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 ncb Đồng thời điều chỉnhnhảy cấp hay liên tục tùy thuộc vào bộ nguồn có điện áp thay đổi một cách liên tục

TN ( Uđm )

n0 ncb n1 n2 n3

M n

MC

Uđm > U1 > U2 > U3 ncb > n1 > n2 > n3

 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 nênđược dùng nhiều trong máy cắt kim loại và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb

điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi ở không tải lý tưởng

tư cơ bản và chi phí vận hành cao

1.5.3 Điều chỉnh tốc độ bằng các thay đổi từ thơng:

Hình 5: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnhmoment điện từ của động cơ M = KMIư và sức điện động quay của động cơ

Eư = KEn Thông thường, khi thay đổi từ thông thì điện áp phần ứng được giữnguyên giá trị định mức

Đối với các máy điện nhỏ và đôi khi cả các 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 lớn thì dùng các bộ biếnđổi đặc biệt như: máy phát, khuếch đại máy điện, khuếch đại từ, bộ biến đổi van…Thực chất của phương pháp này là giảm từ thông Nếu tăng từ thông thì dòngđiện kích từ Ikt sẽ tăng dần đến khi hư cuộn dây kích từ Do đó, để điều chỉnh tốc

độ chỉ có thể giảm dòng kích từ tức là giảm nhỏ từ thông so với định mức Ta thấy

lúc này tốc độ tăng lên khi từ thông giảm: n =

Eư

t

Mặt khác ta cĩ: Moment ngắn mạch Mn = KM Φ In nên khi Φ giảm sẽ làm

cho Mn giảm theo

Độ cứng của đường đặc tính cơ:

Khi Φ giảm thì độ cứng  cũng giảm, đặc tính cơ sẽ dốc hơn Nên ta cĩ họđường đặc tính cơ khi thay đổi từ thơng như sau:

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng cĩ thể điều chỉnhđược tốc độ vơ cấp và cho ra những tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản

Theo lý thuyết thì từ thơng cĩ thể giảm gần bằng 0, nghĩa là tốc độ tăng đến vơcùng Nhưng trên thực tế động cơ chỉ làm việc với tốc độ lớn nhất:

nmax = 3.ncb tức phạm vi điều chỉnh: D =

nmax

n cb =

31Bởi vì ứng với mỗi động cơ ta cĩ một tốc độ lớn nhất cho phép Khi điều chỉnhtốc độ tùy thuộc vào điều kiện cơ khí, điều kiện cổ gĩp động cơ khơng thể đổichiều dịng điện và chịu được hồ quang điện Do đĩ, động cơ khơng được làm việcquá tốc độ cho phép

Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng cĩ thể

điều chỉnh tốc độ vơ cấp và cho những tốc độ lớn hơn ncb Phương pháp này được dùng để điều chỉnh tốc độ cho các máy mài vạn năng hoặc là 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

1.5.4 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 phầnứng cĩ thể được dùng cho tất cả động cơ điện một chiều Trong phương pháp này

1 2 đm

0 MC M2 M1 Mn

Hình 6: Họ đặc tính cơ khi thay đổi từ thông

nc b

n 1 n 2

n

M

đm­>­1­>­2 ncb­<­n1­<­n2

β=− K E K M Φ

2

R

điện trở phụ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ theo sơ đồ nguyên

lý như sau:

Hình 7: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở

phụ trên mạch phần ứng.

Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Khi thay đổi giá trị điện trở phụ Rf ta nhận thấy tốc độ không tải lý tưởng: và

độ cứng của đường đặc tính cơ:

sẽ thay đổi khi giá trị Rf thay đổi Khi Rf càng lớn,  càng nhỏ nghĩa là đường đặctính cơ càng dốc Ứng với giá trị Rf = 0 ta có độ cứng của đường đặc tính cơ tựnhiên được tính theo công thức sau:

Ta nhận thấy TN có giá trị lớn nhất nên đường đặc tính cơ tự nhiên có độ cứnglớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có đóng điện trở phụ trên mạch phần ứng.Vậy khi thay đổi giá trị Rf ta được họ đặc tính cơ như sau:

UKT

TN Rf1 Rf2 Rf3

n3 n2 n1

nc b n0 n

M, I

0 < Rf1 < Rf2 < Rf3 ncb > n1 > n2 > n3

Hình 8:Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng.

Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phầnứng được giải thích như sau: Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với tốc độ n1 tađóng thêm Rf vào mạch phần ứng Khi đó dòng điện phần ứng Iư đột ngột giảmxuống, còn tốc độ động cơ do quán tính nên chưa kịp biến đổi Dòng Iư giảm làmcho moment động cơ giảm theo và tốc độ giảm xuống, sau đó làm việc xác lập tạitốc độ n2 với n2 > n1

Phương pháp điều chỉnh tốc độ này chỉ có thể điều chỉnh tốc độ n < ncb Trênthực tế không thể dùng biến trở để điều chỉnh nên phương pháp này sẽ cho nhữngtốc độ nhảy cấp tức độ bằng phẳng  xa 1 tức n1 cách xa n2, n2 cách xa n3…

Khi giá trị nmin càng tiến gần đến 0 thì phạm vi điều chỉnh:

D =

(2÷3) 1Khi giá trị Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm Đồng thời dòng điện ngắnmạch In và moment ngắn mạch Mn cũng giảm Do đó, phương pháp này đượcdùng để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản Và tuyệt đốikhông được dùng cho các động cơ của máy cắt kim loại

Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên

mạch phần ứng chỉ cho những tốc độ nhảy cấp và nhỏ hơn ncb

Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cho cần

trục, thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép

Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng vào

càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi phụtải thay đổi càng kém Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổnhao phụ càng tăng

1.5.5 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng các rẽ mạch phần ứng:

-13-Động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽmạch phần ứng có sơ đồ nguyên lý như sau:

Hình 9: Sơ đồ nguyên lý phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần

ứng.

Một hệ thống khi điều chỉnh cần tốc độ nhỏ hơn ncb và điều chỉnh nhảy cấp Hệthống có độ cứng tương đối lớn và thiết bị vận hành đơn giản thì người ta dùngphương pháp rẽ mạch phần ứng hay còn gọi là phân mạch

Theo phương pháp rẽ mạch phần ứng thì phần ứng động cơ nối song song vớiđiện trở và nối nối tiếp với một điện trở khác Phương pháp này giống với phươngpháp thay đổi điện trở trên mạch phần ứng nhưng điện áp phần ứng lại không thayđổi Do đó, phương pháp này đòi hỏi phải:

- Điện áp đặt vào phần ứng động cơ không thay đổi

- Vì dòng kích từ không thay đổi nên khi điều chỉnh tốc độ, từ thông không đổilàm cho moment phụ tải cho phép được giữ không đổi và bằng trị số định mức

+

-Cktt tttT

Rkt

E U

Độ cứng của đường đặc tính cơ rẽ mạch phần ứng PM nhỏ hơn độ cứng củađặc tính cơ tự nhiên TN nhưng lại lớn hơn độ cứng của đặc tính cơ có điện trở phụ

Rf với điện trở phụ chính là Rn

Để điều chỉnh tốc độ động cơ trong trường hợp này ta tiến hành như sau:

 Giữ nguyên R n , thay đổi giá trị R S :

- Khi RS = 0: Đây là trạng thái hãm động năng với tốc độ hãm động năng

nHĐN = 0

Hình 10: Họ đặc tính cơ khi R n = const, R S thay đổi.

Như vậy, khi giữ nguyên Rn, thay đổi giá trị RS thì vùng điều chỉnh tốc độ bịhạn chế và modun độ lớn đặc tính cơ tăng dần khi tốc độ giảm

 Giữ nguyên R S , thay đổi giá trị R n :

- Khi Rn = 0: RS không ảnh hưởng đến đường đặc tính cơ Lúc này taxem RS như là tải nối song song với động cơ Ta có được đườngđặc tính cơ tự nhiên

- Khi Rn = : Động cơ điện bị hở mạch nên không có điện áp rơi trênphần ứng động cơ Đây là trạng thái hãm động năng với RHĐN = RS

Ta có : IB = Uđm/RS Ta có họ đặc tính cơ như sau:

-15-n1 n2

nc b

I

TN ( RN = 0 ) n

Rn1 Rn2

n0

0 <Rn1 <Rn2 <Rn = n2 < n1 < ncb

Rn

Vậy, khi giữ nguyên RS và thay đổi Rn thì phạm vi điều chỉnh khơng bị hạnchế như trường hợp trên Nhưng khi tốc độ giảm xuống thì độ cứng đường đặctính cơ lại bị giảm xuống.

 Ngồi ra cịn cĩ phương pháp thay đổi đồng thời giá trị của R S và R n:

Phương pháp này thường được sử dụng trong thực tế So với phương phápđiều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng ta nhận thấy: Khitốc độ và moment động cơ như nhau nghĩa là khi cơng suất cơ như nhau dịng điệnnhận từ lưới trong sơ đồ rẽ mạch phần ứng luơn luơn lớn hơn trong sơ đồ điềuchỉnh bằng điện trở phụ trên mạch phần ứng một lượng bằng dịng điện chạy quaRS

Phương pháp này chỉ dùng cho cần trục, cầu trục, thang máy, máy cán thép Đồngthời tuyệt đối khơng dùng cho máy cắt kim loại

Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng thì điều

chỉnh tốc độ nhảy cấp và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb

Ưu điểm:

- Với cùng một tốc độ yêu cầu thì độ cứng của đường đặc tính cơ phânmạch cĩ độ cứng lớn hơn đặc tính cơ dùng điện trở phụ trên mạch phần ứng

- Thiết bị vận hành đơn giản

1.5.6 Điều chỉnh tốc độ bằng hệ thống máy phát động cơ: ( F - Đ)

1.5.6.1 Sơ đồ nguyên lý:

Với những hệ thống điều chỉnh tốc độ vơ cấp, phạm vi điều chỉnh tốc độ tươngđối rộng Cần những tốc độ lớn hơn hay nhỏ hơn so với tốc độ cơ bản và cần điềuchỉnh liên tục như truyền động chính của một số máy bào giường cĩ năng suấtthấp, truyền động quay trục cán thép cĩ cơng suất trung bình và nhỏ, truyền độngđúc ống trong phương pháp đúc liên tục… thì người ta dùng hệ thống F - Đ cĩ sơ

đồ nguyên lý như sau:

-16-Hình11:Họ đặc tính cơ khi RS = const, Rn thay đổi.

I MC

IB

+ CD1

Iư

Pđm C

CKK

Pđ

UĐ

n U1; f1

Hình 12: Sơ đồ nguyên lý hệ thốngF–Đ.

Trong đó:

ĐSC: Động cơ sơ cấp, cung cấp động lực cho toàn hệ thống Nhận công suấtđiện xoay chiều, biến đổi điện năng thành cơ năng kéo máy phát F và máy phátkích thích K ĐSC có thể là động cơ nổ, động cơ điện tùy thuộc vào chỉ tiêu kỹthuật của hệ thống

F: Máy phát một chiều kích thích độc lập, cung cấp trực tiếp nguồn một chiềucho phần ứng động cơ

Đ: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập kéo cơ cấu sản xuất ( CCSX ), làđối tượng cần điều chỉnh tốc độ trong phạm vi tương đối nhỏ

K: Máy phát kích thích, thực chất là máy phát điện một chiều đặc biệt có từ dưlớn nên có khả năng tự kích Phát ra điện một chiều UK cung cấp cho mạch kíchthích máy phát CKF và kích thích của động cơ CKĐ

- Đóng cầu dao CD1 ( lúc này CD2 vẫn hở ) khởi động động cơ ĐSC Động cơĐSC sẽ quay và đợi cho tốc độ ổn định ĐSC quay làm cho máy phát F và máyphát kích thích K quay

1 CD2

2

Pcơ 1

- Đóng cầu dao CD2 để chọn chiều quay cho động cơ là thuận hay ngược Lúcnày có F nhưng rất bé sẽ làm cho EF bé nên UĐ = EF – IưRưF bé Động cơ sẽ khởiđộng và quay với tốc độ thấp.

- Để tăng dần điện áp đặt vào động cơ, ta điều chỉnh biến trở RKF giảm dần vềtrị số cực tiểu ( tăng dòng kích từ của máy phát ), do đó, dòng Iư tăng dần, động cơtăng tốc độ cho đến khi đạt đến ncb Quá trình khởi động đến đây là chấm dứt

- Để ngừng truyền động ta điều chỉnh RKF tăng dần để giảm dòng kích thíchcủa máy phát làm cho điện áp phát ra của máy phát UF giảm Do đó, tốc độ củađộng cơ giảm xuống và ngừng hẳn vào lúc UF = 0 Sau đó mở cầu dao CD2 dừngđộng cơ ĐSC

Muốn thay đổi chiều quay của động cơ ta gạt cầu dao CD2 sang vị trí 2

Với hệ thống F - Đ ta có thể điều chỉnh tốc độ theo hai hướng như sau:

 Để cho n Đ < n cb: Điều chỉnh biến trở RKF của máy phát đạt giá trị cực đại đểgiảm dòng kích từ của máy phát làm cho UF giảm, tốc độ động cơ giảmxuống đạt nĐ < ncb

Gọi DUĐ: Phạm vi điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động

cơ Ta có: DUĐ =

n cb

nmin =

101

 Để cho n Đ > n cb : Ta giữ UF ở trị số định mức và điều chỉnh biến trở RKĐ đạtgiá trị cực đại để giảm từ thông kích thích của động cơ Lúc này tốc độ củađộng cơ tăng lên đạt nĐ > ncb

Gọi DĐ: Phạm vi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông của động cơ

Ta có: DĐ =

nmax

n cb =

31Kết hợp hai phương pháp điều chỉnh là giảm điện áp đặt vào phần ứng động cơ

UĐ và giảm từ thông Đ ta được phạm vi điều chỉnh chung:

D = DUĐ.DĐ =

nmax

nmin =

301

1.5.6.3 Thành lập phương trình đặc tính cơ của hệ thống F - Đ:

Phương trình đặc tính cơ tổng quát:

Phương trình cân bằng sức điện động của máy phát: UĐ = EF – IưRưF

Thay vào phương trình đặc tính cơ ta được:

Đây là phương trình đặc tính tốc độ của hệ thống

Thay Iư =

M

K M Φ Đ vào phương trình đặc tính tốc độ ta được phương trình đặc

tính cơ của động cơ trong hệ thống F - Đ như sau:

Từ phương trình đặc tính cơ của hệ thống ta nhận thấy: Ứng với mỗi hướngđiều chỉnh tốc độ động cơ khác nhau ( lớn hay nhỏ hơn so với tốc độ cơ bản ) ta sẽ

có những họ đặc tính điều chỉnh khác nhau như đã trình bày ở trên

Hình 13:Họ đặc tính cơ điều chỉnh trong hệ thống F - Đ.

1.5.6.4 Đánh giá hệ thống F - Đ:

a Ưu điểm:

-19-n’3 n’2 n’1

RKF

RKĐ

nc b n2

n1

UĐ

Đ

3 2 1

U1 U2 Uđm, đm n

- Hệ thống này có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp, phạm vi điều chỉnh rộng:

- Hiệu suất hoạt động của hệ thống tương đối thấp:

 =

P co2

P đ < 0,75

- Đặc tính cơ dốc nên khi có dao động ở phụ tải thì thể hiện rõ hơn nữa

- Ngoài ra, do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trể nên khóđiều chỉnh sâu tốc độ

c Nhận xét:

Với hệ thống F - Đ vòng hở như trên, ta không thể thực hiện việc ổn định tốc

độ động cơ là nhiệm vụ cần thiết đối với các hệ thống truyền động nhằm nâng caochất lượng sản phẩm được gia công trên máy, nâng cao chất lượng kỹ thuật củamột qui trình công nghệ mà máy sản xuất tham gia hoặc nâng cao năng suất củamáy

Để thực hiện nhiệm vụ đó, ta thường dùng các hệ thống F-Đ có khuếch đạimáy điện dùng phản hồi vòng kín Trong các hệ thống này, các bộ khuếch đại máyđiện sẽ sư ûdụng các liên hệ phản hồi, nghĩa là đưa một tín hiệu đầu ra của hệthống quay trở lại đầu vào của nó Tín hiệu đầu ra có thể là điện áp, dòng điệntrong mạch chính hoặc tốc độ quay của động cơ Tín hiệu đầu vào là sức từ độngcủa khuếch đại máy điện Các khuếch đại máy điện thường dùng hiện nay là máykích từ nhiều cuộn dây điều chỉnh được, khuếch đại máy điện tự kích và khuếchđại máy điện từ trường giao trục

1.3 Giới thiệu về van bán dẫn điều khiển.

1.3.1 Cấu tạo, ký hiệu:

từ N1 đến P2 Điện trường ngoài tác dụng cùng chiều với Ei vùng chuyển tiếp cũng

là vùng cách điện càng mở rộng ra, không có dòng chảy qua Thyristor mặc dù nóđược đặt điện áp

Để mở Thyristor ta đạt một xung điện áp dương Ug tác động vào cực G(dương so với K) các điện tử chảy từ N2 → P2 và một số ít chảy vào nguồn Ug vàhình thành dòng điều khiển ig chảy theo mạch G-J3-K-G Còn các phần tử chịu sứchút của điện trường tổng hợp của mặt ghép J2 lao vào vùng chuyển tiếp này chúngđược tăng tốc bắn phá J2, vùng chuyển tiếp J2 bị chọc thủng làm xuất hiện ngàycàng nhiều điện tủ chảy vào N1 qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoaidgây nên hiện tượng dãn điện ào ạt J2 trở thành mặt ghép dẫn điện bắt đầu từ mộtđiểm nào đó ở xung quanh cực G rồi phát ra toàn bộ mặt ghép nên Thyristor đượcmở

Hình 14: Mở Thyristor

Mở Thyristor bằng cách ấn công tắc K là đơn giản nhất Một Thyristor đã

mở thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển ig không còn là cần thiết nữa

-21-P1 N ­P2 N2 2­­­

+

-E

Rt R1

R2

+ -

Khóa Thyristor:

Có 2 các để khóa Thyristor:

Cách 1: Giảm dòng điện ở anot xuống đến giá trị của dòng điện duy trì Khi

Thyristor được phân cực thuận thì mặt ghép J2 có điện trở rất lớn làm cho dòngqua thyristor rất nhỏ nên thyristor bi khóa lại

Cách 2: Đặt một điện áp ngược lên Thyristor (biện pháp thường dùng)

Khi đặt điện áp ngược lên thyristor có UAK <0 hai mạt ghép J1 và J3 bị phâncực ngược

còn J2 được phân cực thuận Những điện tur trước thời điểm đảo cực tínhUAK đang có mặt tại P1,N1, P2 bây giờ đảo chiều hình thành dòng điện ngượcchảy từ catot về anot và về cực âm của nguồn điện ngoài Lúc đầu của quátrình từ t0 đến t1,dòng điện ngược khá lớn sau đó J1, J3 trở nên cách điện ònlại một ít điện tử ở giữa hai mặt ghép J1 và J3, hiện tượng khuếch tán sẽ làmchúng ít dần đicho đến hết và J2 khôi phục lại tính chất của mặt ghép điềukhiển Thời gian khóa toff tính từ khi bắt đầu có điện áp ngược cho tới khidòng điện ngược bằng 0 (t2) Đấy là khoảng thời gian mà ngay sau đó nếu

mà đặt điện áp thuận lên thyristor thì thyristor cũng không mở Trong bất

kỳ trường hợp nào cũng không được đặt Thyristos đươi điện áp thuận khithyristor chưa bị khóa nếu không có thể gây nguy cơ làm ngắn mạch nguồn.Việc khóa thyristor bằng đặt điện áp ngược bằng cách ấn nút K

R 2

+ -

+

-J

1

J 2

J 3

Ung

Uch

i

IH 0 4

3 2 1

- Đoạn 3: Trạng thái mở của Thyristor J1, J2, J3 trở thành mặt ghép dẫn điện.

- Đoạn 4: Thyristos bị đặt điện áp ngược, Thyristor bị chọc thủng (do

U tăng nên ing cũng tăng lên)

PHẦN II : Lựa chọn và phân tích mạch lực2.1 Khái quát chung:

Như ta đã biết để điều chỉnh được động cơ điện thì ta phải chọn mạch lực

để điều khiển động cơ Tùy thuộc vào yêu cầu điều chỉnh, công suất động cơ mà tađưa ra phương án chọn mạch lực điều khiển động cơ hợp lý, tối ưu với yêu cầu đề

ra Sau đây chúng em giới thiệu một số mạch chỉn lưu cầu 1 pha điều chỉnh động

cơ điện 1 chiều dùng Thyristor như sau:

2.2 Chọn sơ đồ chỉnh lưu động cơ

2.2.1 Sơ đồ cầu chỉnh lưu 1 pha:

Ưu điểm:

- Sơ đồ mạch lực, mạch điều khiển đơn giản

- Không cần sử dụng bộ đổi nguồn 3 pha

- Điện áp ra sau chỉnh lưu tương đối ổn định, có tính liên tục

Nhược điểm:

- Điện áp sau khi chỉnh lưu nhỏ (U1/Ud lớn)

- Sử dụng không hiệu quả công suất MBA

- Sử dụng các mạch chỉnh lưu công suất nhỏ

a Sơ đồ nguyên lý:

T1

B

i1

i2

itả i

b Nguyên lý làm việc:

Giả sử Ld = ∞ điện áp phía thứ cấp u2 = √2 U2 sin ω t với góc điềukhiển α Xét mạch đang làm việc ở chế độ xác lập Khi van dẫn sụt áp trên nóbằng 0

Trước thời điểm ω t= v1 cặp van T1 và T3 dẫn điện khi đó ta có:

uT2 = uT3 = 0; utải = - u2 ; uT1 = uT4 = u2; iT2 = iT3 = itải ; iT1 = iT4 = 0

Đến thời điểm ω t= v1 cấp xung điều khiển mở cặp van T1 và T4 lúc nàycặp van T1 và T4 sẽ dẫn điện, cặp van T1 và T3 bị phân cực ngược nên không dẫnđiện, khi đó ta có: uT1 = uT4 = 0; utải = u2; uT2 = uT3 = - u2; iT1= iT4= itải; iT2 = iT3 = 0

Đến thời điểm ω t = , u2 = 0 có xu hướng âm dần và - u2 = 0 có xu hướngdương dần Tuy nhiên điện áp nguồn lúc này tác động ngược chiều với chiều dẫndòng của dòng điện qua tải, cho nên suất điện động cảm ứng do Ld tạo ra cho cặpvan T1 và T4 tiếp tục dẫn điện, còn cặp van T1 và T3 chưa dẫn do chưa có xungđiều khiển kích mở Lúc này ta có:

uT1= uT4= 0; utải = u2 < 0; uT2 = uT3 = - u2 > 0; iT1 = iT4= itải; iT2 = iT3= 0

Đến thời điểm ω t =+ α phát xung điều khiển mở cặp van T2 và T3, lúcnày cặp van T2 và T3 sẽ dẫn điện còn cặp van T1 và T4 bị phân cực ngược nênkhông dẫn điện Ta có: uT2= uT3 = 0; uT1 = uT4 = u2 < 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1=iT4= 0

Đến thời điểm ω t =2, u2= 0 và có xu hướng dương dần, còn - u2 = 0 có

xu hướng âm dần, tuy nhiên cặp van T2 và T3 sẽ tiếp tục dẫn do suất điện động củacuộn cảm tải tạo ra để chống lại sự biến thiên của dòng điện Cặp van T1 và T4chưa dẫn điện do chưa có xung điều khiển kích mở ta có:

uT2= uT3 = 0; uT1 = uT4= u2 > 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1= iT4= 0

Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự như trên

c Giản đồ dòng điện, điện áp:

Dòng điện trung bình qua Thyristor:

uT(thuận) = uT(ngược) = √2 U2.

e Ứng dông.

Mạch này có thể dung được với nhiều loại phụ tải khác nhau, với nhiều ưu tiênriêng (các cặp van luôn phiên nhau dẫn, có thể điều chỉnh được trơn điện áp đầura)

2.2.2 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển:

­­­­0

­­uT2 (uT3)

R

2 T

1 D

A

B L

U2

T1

D2 E

Hình17: a- sơ đồ nối cùng cực tín b- sơ đồ nối ngợc cực tính

(a) (b)

Đến  điện ỏp đổi dấu (A õm, B dương) ,T1 khúa Nếu tải điện cảm dũng điện tải

là đường thẳng Năng lượng của cuộn dõy sẽ được tớch lũy xả qua D2 tới D1 điện

R

T

D 1

B

A

2 T 1

2 U

 Iư(L= d

3



Đến 2 cấp xung điều khiển T2, T2 dẫn Từ 2  2 dũng tải là dũng điện của 2van T2 và D2 Đến 2 điện ỏp đổi dấu (B õm, A dương) D2 khúa, D1 mở để nănglượng của cuộn dõy xả qua D1 về T2.

2  3 mở thụng D1, T2 điện ỏp tải bằng 0 Kết quả là chuyển mạch cỏc van bỏndẫn cú điều khiển được thực hiện bằng việc mở cỏc van kế tiếp Cỏc van được dẫnthụng trong nửa chu kỳ

Ta cú đường cong dũng điện và điện ỏp tải như hỡnh18.a

 Sơ đồ nối ngợc cực tính:

Tại 1 cấp xung điều khiển T1 với A dương, T1 sẽ mở cho dũng điện chạy qua từ

A qua T1 qua tải về D1 về B T1 và D1 dẫn từ (1   )

Đến  điện ỏp đổi dấu (A õm, B dương) ,D2dẫn làm khúa T1 năng lượng của cuộndõy sẽ được tớch lũy xả qua D1 và D2

Đến 2 cấp xung điều khiển T2 với A õm, T2phõn cực thuận nờn t2 mở làm khúaD1 cho dũng điện chạy từ B qua D2 qua tải về T2 về A Đến 2 điện ỏp đổi dấu(B õm, A dương) T2 phõn cực ngược nờn T2 bị khúa

Ta cú đường cong dũng điện và điện ỏp tải như hỡnh 18.b

1+cos α

Điện ỏp thuận và ngược đặt lờn Thyristor và Điot

uD(thuận)= uD(ngược) = √2 U2.

uT(thuận)= uT(ngược) = √2 U2.

PHẦN III Lựa chọn và phõn tớch mạch điều khiển3.1 Giới thiệu chung:

Như ta đó biết để cỏc van của Thyristor cú thể mở tại cỏc thời điểm mongmuốn thỡ ngoài điều kiện tại thời điểm đú trờn cỏc van phải cú điện ỏp thuận thỡtrờn điện cực điều khiển và catot của van phải cú một điện ỏp điều khiển Để cú hệthống cỏc tớn hiệu điều khiển xuất hiện đỳng như yờu cầu mở theo yờu cầu mở van