Trong thời đại ngày nay, truyền động điện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãitrong lĩnh vực của cuộc sống nhờ những ưu thế của nó như kết cấu gọn nhẹ, độ bền và độ tin cậy cao, tương đ
Tổng quan về động cơ điện một chiều
1.1.1 Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều:
Trong sản xuất hiện đại, động cơ điện một chiều vẫn đóng vai trò quan trọng, mặc dù động cơ xoay chiều có nhiều ưu điểm như cấu tạo đơn giản và công suất lớn Tuy nhiên, động cơ điện xoay chiều không thể hoàn toàn thay thế động cơ điện một chiều, đặc biệt trong các ngành công nghiệp và giao thông vận tải, nơi cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng, như trong máy cán thép và máy công cụ lớn.
Động cơ điện một chiều nổi bật với khả năng điều chỉnh tốc độ linh hoạt, khả năng khởi động mạnh mẽ và khả năng chịu quá tải Mặc dù có nhược điểm như giá thành cao và quy trình chế tạo, bảo quản phức tạp, nhưng những ưu điểm vượt trội của nó vẫn giữ vai trò quan trọng trong ngành sản xuất.
Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ vào khoảng 75% -
Động cơ điện một chiều hiện nay có công suất lớn nhất khoảng 10.000KW, với hiệu suất hoạt động đạt từ 85% đến 94% Điện áp sử dụng dao động từ vài trăm đến 1.000V Xu hướng phát triển hiện tại tập trung vào cải tiến tính năng vật liệu, nâng cao hiệu quả kinh tế của động cơ và chế tạo các máy có công suất lớn.
1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều:
Hình 1.1: Mặt cắt dọc động cơ điện.
1.1.2.1 Phần tĩnh (Phần cảm hay stator) a) Cực từ chính: Được làm bằng thép kỹ thuật dạng thép khối hoặc tấm, xung quanh có dây quấn cực từ chính gọi là kích từ Nó thường được nối với nguồn một chiều, nhiệm vụ là tạo ra từ b) Cực từ phụ: Được đặt xen giữa các cực từ chính, xung quanh cực từ chính, xung quanh cực từ phụ có dây quấn cực từ phụ Dây quấn cực từ phụ đấu nối tiếp với dây quấn roto Nhiệm vụ của cực từ phụ là triệt tiêu từ trường phần ứng Trên vùng trung tính hình học để hạn chế xuất hiện tia lửa điện trên chổi than và cổ góp. c) Vỏ máy (Gông từ)
Vỏ máy động cơ điện một chiều không chỉ có nhiệm vụ bảo vệ máy mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn từ Do đó, vật liệu chế tạo vỏ máy cần phải là thép dẫn từ để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
1.1.2.2 Phần quay (Phần ứng hay roto) a) Lõi thép roto
Dẫn từ thường được chế tạo từ lá thép kỹ thuật điện dày 0.5mm, được phủ lớp cách điện mỏng ở cả hai mặt và ép chặt để giảm thiểu tổn hao do dòng điện xoáy Trên bề mặt lá thép có dập rãnh để tiện cho việc quấn dây Dây quấn phần ứng cũng là một yếu tố quan trọng trong cấu trúc này.
Là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có sơn cách điện. c) Cổ góp
Bộ chuyển đổi dòng điện xoay chiều sang một chiều được cấu tạo từ nhiều phiến đồng cách điện, với bề mặt cổ góp được gia công bóng mịn nhằm đảm bảo tiếp xúc tốt giữa chổi than và cổ góp trong quá trình quay.
1.1.2.3 Hệ thống chổi than – vành góp
Bộ phận này được sử dụng để cung cấp điện áp một chiều cho cuộn dây phần ứng và thực hiện việc đổi chiều dòng điện trong cuộn dây đó Số lượng chổi than tương ứng với số lượng cực từ, trong đó một nửa có cực tính dương và nửa còn lại có cực tính âm.
Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều dựa trên định luật lực điện từ Khi một thanh dẫn mang dòng điện được đặt vuông góc với đường sức từ trường, thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng.
Trong đó: B: Là từ cảm (T) i: Là dòng điện (A) l: Là chiều dài hiệu dụng thanh dẫn (m)
Lực điện từ (Fđt) được xác định theo quy tắc bàn tay trái và có vai trò quan trọng trong hoạt động của động cơ điện một chiều Để minh họa nguyên lý hoạt động của động cơ này, ta có thể hình dung khung dẫn abcd quay theo một chiều duy nhất.
Hình 1.2: Mô hình đơn giản của động cơ điện một chiều
Khi áp dụng điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, dòng điện Iư sẽ chạy qua dây quấn phần ứng Các thanh dẫn ab và cd có dòng điện trong từ trường sẽ tạo ra các lực Fđt ngược chiều nhau, khiến roto quay.
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab và cd sẽ đổi chỗ cho nhau Tuy nhiên, nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện, chiều lực từ tác dụng vẫn không thay đổi, đảm bảo động cơ quay theo một chiều duy nhất Như vậy, năng lượng điện đã được chuyển đổi thành năng lượng cơ, giúp động cơ duy trì chuyển động liên tục.
Trước khi mở máy động cơ ta phải điều chỉnh biến trở kích từ để từ thông đạt giá trị lớn nhất.
Trong quá trình hoạt động, cần duy trì từ thông kích từ lớn hơn một giá trị tối thiểu cho phép.
Đối với động cơ dùng nam châm vĩnh cửu thì cần đảm bảo cường độ từ trường đủ lớn.
1.1.4 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
Để xây dựng phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập, chúng ta bắt đầu từ phương trình cân bằng điện áp của động cơ.
: điện áp phần ứng (V) : Sức điện động phần ứng (V) : Điện trở của mạch phần ứng : Điện trở phụ trong mạch phần ứng : Dòng điện mạch phần ứng
Với : Điện trở cuộn dây phần ứng : Điện trở cuộn cực từ phụ : Điện trở cuộn bù
: Điện trở tiếp xúc của chổi than Sức điện động của phần ứng động cơ xác định theo biểu thức
Trong đó: p: Số đôi cực từ chính
N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a: Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng Φ: Từ thông kích từ dưới một cực từ ω: Tốc độ góc, rad/s
: Hệ số cấu tạo của động cơ
(2) : Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều.
Mặc khác momen điện từ của động cơ điện được xác định bởi:
Nếu không tính đến tổn thất cơ và tổn thất thép, momen cơ trên trục động cơ sẽ tương đương với momen điện từ, được ký hiệu là M Đây chính là phương trình đặc trưng của đặc tính cơ.
Tổng quát về các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 22
Động cơ điện một chiều nổi bật với khả năng điều chỉnh tốc độ vượt trội so với các loại động cơ khác, nhờ vào cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản Điều này không chỉ giúp đạt được chất lượng điều chỉnh cao mà còn cho phép điều chỉnh tốc độ trong một dải rộng Hiện tại, có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều.
Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ.
Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ.
Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều luôn cần một bộ biến đổi, cung cấp năng lượng cho mạch phần ứng hoặc mạch kích từ của động cơ Hiện nay, trong ngành công nghiệp, có bốn loại bộ biến đổi chính được sử dụng.
Bộ biến đổi máy điện gồm: Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại (KĐM)
Bộ biến đổi điện từ: Khuếch đại từ (KĐT)
Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: Chỉnh lưu Thyristor (CLT)
Bộ biến đổi xung áp một chiều: Thyristor hoặc Tranzitor (BBĐXA).
Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như sau:
Hệ truyền động máy phát – động cơ (F-Đ)
Hệ truyền động máy điện khuếch đại – động cơ (MĐKĐ-Đ)
Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (KĐT–Đ)
Hệ truyền động chỉnh lưu thyristor – động cơ (T-Đ)
Hệ truyền động xung áp – động cơ (XA-Đ).
Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều có hai loại chính: điều khiển theo mạch kín và điều khiển mạch hở Hệ điều chỉnh tự động với cấu trúc phức tạp mang lại chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động mạch hở.
1.2.2 Phương pháp điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ: Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển…Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong và điện cảm khác không.
Trong chế độ xác lập, có thể thiết lập phương trình đặc tính của hệ thống Đặc tính cơ tự nhiên của hệ thống được thể hiện qua sơ đồ khối và sơ đồ thay thế, cho phép phân tích và hiểu rõ hơn về hành vi của hệ thống trong trạng thái ổn định.
Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ điện một chiều ảnh hưởng đến từ thông kích thích, momen điện từ và sức điện động quay của động cơ Mạch kích từ của động cơ mang tính phi tuyến, do đó, hệ điều chỉnh từ thông cũng có tính chất phi tuyến.
Trong đó : điện trở dây quấn kích thích
: điện trở của nguồn điện áp kích thích
: số vòng dây của đây quấn kích thích.
Trong chế độ xác lập ta có quan hệ:
Khi điều chỉnh từ thông, điện áp phần ứng thường được giữ nguyên ở giá trị định mức, tạo ra đặc tính cơ bản của động cơ Tốc độ tối đa trong dải điều chỉnh từ thông bị giới hạn bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện Việc giảm từ thông để tăng tốc độ quay làm xấu đi điều kiện chuyển mạch, do đó cần giảm dòng điện phần ứng cho phép, dẫn đến momen trên trục động cơ giảm nhanh chóng Ngay cả khi dòng điện phần ứng không thay đổi, độ cứng của đặc tính cơ cũng giảm nhanh khi từ thông kích thích giảm.
Hình 1.10: Sơ đồ thay thế điều áp kích từ động cơ
Hình 1.11: Đặc tính điều chỉnh khi điều chỉnh từ thông động cơ
Việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông cho phép coi việc điều chỉnh là tuyến tính, đặc biệt khi từ thông định mức nằm giữa vùng tuyến tính và vùng bão hòa của đặc tính từ hóa Hằng số C trong quá trình điều chỉnh này phụ thuộc vào các thông số kết cấu của máy điện.
1.2.4 Hệ truyền động máy phát – động cơ một chiều (F-Đ)
Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lí hệ F – Đ
Hình 1.14: Sơ đồ thay thế hệ F – Đ
Từ sơ đồ trên ta có:
Trong đó: : Hệ số kết cấu của máy phát
: Hệ số góc của đặc tính từ hóa.
Nếu dây quấn kích thích của máy phát được cấp bởi nguồn áp lý tưởng thì:
Sức điện động của máy phát điện một chiều kích từ độc lập tỉ lệ với điện áp kích thích thông qua hệ số hằng KF, cho thấy rằng máy phát này có thể được xem như một bộ khuyếch đại tuyến tính gần đúng.
Nếu đặt thì có thể viết được phương trình các đặc tính của hệ F-Đ như sau:
Điều chỉnh dòng điện kích thích của máy phát ảnh hưởng đến tốc độ không tải của hệ thống, trong khi độ cứng của đặc tính cơ vẫn được giữ nguyên.
Cũng có thể điều chỉnh kích từ của động cơ để có dải điều chỉnh tốc độ rộng hơn.
1.2.5 Hệ truyền động xung áp – động cơ (XA – ĐC)
Bộ biến đổi xung áp là thiết bị cung cấp điện áp nhằm điều chỉnh tốc độ cho động cơ điện một chiều Sơ đồ nguyên lý và giản đồ xung áp đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của động cơ.
Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lí và giản đồ xung áp Để cải thiện dạng sóng của dòng điện phần ứng, ta thêm vào mạch một van đệm V0.
Thyristor hoặc transistor công suất có thể được sử dụng thay thế cho khóa K, tạo ra điện áp dạng sóng vuông trên phần ứng của động cơ Trong trạng thái dòng điện liên tục, giá trị trung bình của điện áp sẽ được xác định.
Trong đó: : Thời gian khóa ở trạng thái đóng
: Thời gian thực hiện một chu kì đóng mở của khóa: Thời gian khóa ở trạng thái mở
: Độ rộng của xung áp.
Bộ biến đổi xung đẳng trị với nguồn liên tục có điện áp ra Ud có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi độ rộng xung Thời gian chu kỳ đóng cắt của khóa K rất nhỏ so với hằng số thời gian cơ học của hệ truyền động, do đó tốc độ và sức truyền động phần ứng động cơ được coi là không thay đổi trong thời gian TCK Điều này cho thấy đặc tính điều chỉnh của hệ XA – ĐC rất hiệu quả.
Khi thay đổi, độ cứng và tốc độ không tải lý tưởng của đường thẳng song song sẽ thay đổi theo Nếu nguồn đủ lớn, ta có thể bỏ qua ảnh hưởng này, và lúc đó, độ cứng của đặc tính cơ của hệ sẽ được xác định.
Tốc độ không tải lý tưởng chỉ là một giá trị giả định và chỉ tồn tại trong hệ thống có dòng điện liên tục, ngay cả khi giá trị dòng tiến gần đến 0 Do đó, biểu thức (1) chỉ đúng trong điều kiện dòng điện liên tục.
Sơ lược về Thyristor
Thyristor là một linh kiện bán dẫn được cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp giáp p-n: J1, J2 và J3 Linh kiện này có ba cực chính bao gồm Anode (A), Cathode (K) và cực điều khiển (G – Gate).
Thyristor có hai phần trong đặc tính Vôn-Ampe: phần đầu tiên nằm trong góc phần tư thứ I, thể hiện đặc tính thuận khi UAK > 0; phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược khi UAK < 0.
Khi dòng 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-
Khi điện áp UAK nhỏ hơn 0, cấu tạo bán dẫn của Thyristor khiến hai tiếp giáp J1 và J3 phân cực ngược, trong khi lớp J2 phân cực thuận Do đó, Thyristor hoạt động giống như hai diode mắc nối tiếp với phân cực ngược, chỉ cho phép một dòng điện rất nhỏ, gọi là dòng rò, chạy qua Khi UAK tăng đến giá trị tối đa Ung.max, hiện tượng đặc biệt sẽ xảy ra.
Khi thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể gia tăng đáng kể Tương tự như trong đặc tính ngược của diode, nếu điện áp UAK giảm xuống dưới mức Ungmax, dòng điện sẽ không giảm về mức dòng rò Điều này cho thấy thyristor đã bị hỏng.
Khi điện áp Anode-Cathode (UAK) tăng theo chiều thuận, ban đầu chỉ có một dòng điện nhỏ gọi là dòng rò do điện trở mạch Anode-Cathode lớn Trong giai đoạn này, các tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, trong khi J2 phân cực ngược Khi UAK đạt giá trị điện áp thuận lớn nhất (Uthmax), điện trở tương đương mạch Anode-Cathode giảm đột ngột, cho phép dòng điện qua Thyristor bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài Nếu dòng qua Thyristor vượt quá mức dòng tối thiểu (Idt), Thyristor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận, đặc trưng bởi tính chất dẫn dòng và phụ thuộc vào giá trị phụ tải, trong khi điện áp rơi trên Anode-Cathode nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào dòng điện.
2.1.2 Mở - khóa Thyristor a) Mở Thyristor
Phương pháp thực tế được áp dụng là đưa một xung dòng điện có giá trị xác định vào giữa cực điều khiển và Cathode Xung dòng điện điều khiển này sẽ thay đổi trạng thái của hệ thống.
Thyristor chuyển từ trở kháng cao sang trở kháng thấp khi có điện áp Anode-Cathode nhỏ Nếu dòng điện qua Anode-Cathode vượt quá một giá trị nhất định, được gọi là dòng duy trì (Idt), thì quá trình này sẽ diễn ra.
Thyristor sẽ duy trì trạng thái dẫn dòng mà không cần xung điều khiển, cho phép điều khiển mở bằng các xung dòng có độ rộng nhất định Điều này giúp giảm công suất mạch điều khiển so với mạch lực, nơi Thyristor hoạt động như một phần tử đóng cắt, kiểm soát dòng điện.
Một Thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khóa (điện trở tương đương mạch
Khi dòng điện giảm về không, điện áp Anode-Cathode (UAK) sẽ tăng cao Để Thyristor duy trì trạng thái khóa với trở kháng cao, cần có thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện khi điện áp Anode-Cathode trở lại dương (UAK > 0).
Khi Thyristor dẫn dòng theo chiều thuận, hai lớp tiếp giáp J1 và J3 được phân cực thuận, cho phép điện tích dễ dàng đi qua và lấp đầy tiếp giáp J2 đang bị phân cực ngược, giúp dòng điện chảy qua ba lớp tiếp giáp Để khóa Thyristor, cần giảm dòng Anode-Cathode về không bằng cách đổi chiều dòng điện hoặc áp một điện áp ngược lên giữa Anode và Cathode Sau khi dòng về bằng không, phải đặt một điện áp ngược (UAK < 0) trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian khóa, lúc này Thyristor sẽ khóa Trong thời gian phục hồi, có một dòng điện ngược chạy giữa Cathode và Anode, và thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của Thyristor, xác định dải tần số làm việc của nó.
Thyristor Thời gian phục hồi có giá trị cỡ 5 ÷ 10s đối với các Thyristor tần số cao và cỡ
50 ÷ 200s đối với các Thyristor tần số thấp.
Các bộ chỉnh lưu Thyristor
2.2.1 Bộ chỉnh lưu cầu một pha đối xứng:
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lí chỉnh lưu cầu một pha đối xứng Đồ thị dạng sóng
Hình 2.3: Đồ thị dạng sóng sơ đồ cầu một pha đối xứng
Giá trị trung bình của điện áp tải:
Giá trị điện áp cực đại trên tải:
Giá trị điện áp ngược đặt lên mỗi van Thyristor:
Giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp:
Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua mỗi van:
Công suất của máy biến áp:
Chỉnh lưu cầu một pha đối xứng cung cấp chất lượng điện áp ra tương đương với chỉnh lưu cả chu kỳ khi sử dụng biến áp có trung tính Tuy nhiên, điện áp ngược trên mỗi van của chỉnh lưu cầu một pha chỉ bằng một nửa so với chỉnh lưu một pha có biến áp trung tính Máy biến áp trong hệ thống chỉnh lưu này có khả năng sử dụng cao hơn, nhưng số lượng van lại gấp đôi, dẫn đến chi phí cao hơn và sụt áp lớn hơn Hơn nữa, việc điều khiển hệ thống này phức tạp hơn và biên độ đập mạch điện áp quá lớn.
2.2.2 Bộ chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng:
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lí cầu một pha không đối xứng
Đồ thị điện áp và dòng điện tải, dòng điện các van dẫn:
Hình 2.5: Các dạng đồ thị của sơ đồ cầu một pha không đối xứng
Góc dẫn của Diot là:
Giá trị trung bình điện áp tải:
Giá trị điện áp cực đại trên tải:
Giá trị điện áp ngược lớn nhất:
Giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp:
Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua mỗi van:
Công suất của máy biến áp:
Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng có thiết kế đơn giản và gọn nhẹ, dễ dàng trong việc điều khiển Nó là giải pháp tiết kiệm và phù hợp cho các máy có công suất nhỏ.
2.2.3 Bộ chỉnh lưu hình tia ba pha:
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lí bộ chỉnh lưu hình tia ba pha
Đồ thị điện áp và dòng điện tải, dòng điện các van dẫn:
Hình 2.7: Các dạng đồ thị của chỉnh lưu hình tia ba pha
Giá trị trung bình của điện áp tải:
Giá trị điện áp ngược đặt lên Thyristor:
Giá trị dòng điện trung bình chạy qua tải:
Giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp:
Giá trị dòng điện trung bình của từng van:
Công suất máy biến áp:
Chỉnh lưu hình tia ba pha mang lại chất lượng điện áp vượt trội so với các loại chỉnh lưu một pha Dòng điện qua các van bán dẫn trong hệ thống ba pha nhỏ hơn, giúp giảm biên độ điện áp đập mạch và giảm thiểu thành phần sóng hài bậc cao.
Chỉnh lưu hình tia ba pha là loại chỉnh lưu có số van bán dẫn thấp nhất trong các loại chỉnh lưu ba pha Dòng điện một chiều tồn tại trong cuộn dây thứ cấp của máy biến áp dẫn đến hiện tượng bão hòa lõi thép, gây nóng lên Để đảm bảo hiệu suất, cuộn dây thứ cấp máy biến áp cần được đấu theo kiểu Y, với bốn đầu dây nối ra ngoài và dây trung tính phải có kích thước lớn gấp đôi dây pha do phải chịu tải dòng điện.
2.2.4 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng:
Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lí chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng Đồ thị biểu diễn:
Hình 2.9: Các dạng đồ thị của chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng
Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
Giá trị trung bình của dòng điện qua Thyristor:
Giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp:
Giá trị điện áp ngược lớn nhất của Thyristor:
Công suất máy biến áp:
Hiệu suất sử dụng máy biến áp của chỉnh lưu này cao.
Điện áp chỉnh lưu có tần số đập mạch trong một chu kỳ gấp đôi so với chỉnh lưu tia ba pha, với n = 6 lần đập mạch trong mỗi chu kỳ.
Dòng điện trong Thyristor có hình dạng chữ nhật, trong khi dòng điện qua thứ cấp máy biến áp lại hoàn toàn đối xứng và không chứa thành phần một chiều, giúp giảm thiểu hiện tượng lõi thép bị phát nóng.
Có thể vận hành ở chế độ nghịch lưu, cung cấp năng lượng trở lại nguồn Để điều khiển hai Thyristor đồng thời theo đúng thứ tự pha, cần hai xung điều khiển, điều này gây khó khăn trong quá trình chế tạo, vận hành và bảo trì.
2.2.5 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng:
Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lí chinh lưu cầu ba pha không đối xứng
Hình 2.11: Các đồ thị cúa sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng
Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
Trong đó: : Thành phần điện áp do nhóm Katot chung tao nên
: Thành phần điện áp do nhóm Anot chung tao nên.
Giá trị trung bình của dòng tải:
Giá trị trung bình của dòng chạy qua Thyristor và Diot:
Chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng mặc dù có điện áp chỉnh lưu chứa nhiều sóng hài, nhưng quy trình điều chỉnh của nó lại rất đơn giản và kích thước của thiết bị gọn nhẹ hơn.
Kết luận chọn sơ đồ mạch lực
Sau khi phân tích ưu, nhược điểm của các loại sơ đồ chỉnh lưu, sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha được lựa chọn cho động cơ điện một chiều có công suất P=6,6KW Sơ đồ này mang lại chất lượng điện áp và dòng điện ra tốt, với biên độ điện áp đập mạch thấp và thành phần sóng hài bậc cao nhỏ Việc điều khiển các van bán dẫn cũng khá đơn giản Đặc biệt, sơ đồ hình tia ba pha có ưu điểm nổi bật khi chỉnh lưu trực tiếp từ lưới, cho phép đạt được điện áp một chiều 220V mà không cần chế tạo biến áp, chỉ cần ba cuộn kháng anot của van là đủ.
Chọn mạch động lực
Như ở chương 2, ta đã chọn được bộ chỉnh lưu hình tia ba pha
Hình 3.1: Sơ đồ bộ chỉnh lưu hình tia ba pha
Tính chọn van động lực
Khi chọn van bán dẫn cho chỉnh lưu, hai thông số quan trọng cần lưu ý là điện áp và dòng điện Các thông số khác chỉ mang tính chất tham khảo trong quá trình lựa chọn.
Khi đáp ứng được hai thông số trên thì các thông số còn lại tham khảo theo:
Loại van nào có độ sụt áp nhỏ hơn sẽ có tổn hao nhiệt ít hơn.
Dòng điện rò của loại van nào nhỏ hơn thì chất lượng tốt hơn.
Nhiệt độ cho phép của loại van nào cao hơn thì khả năng chịu nhiệt tốt hơn.
Điện áp và dòng điện điều khiển của loại van nào nhỏ hơn, công suất điều khiển thấp hơn.
Loại van nào có thời gian chuyển mạch bé hơn sẽ nhạy hơn.
Các van động lực được lựa chọn dựa trên các yếu tố cơ bản như dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều kiện tỏa nhiệt và điện áp làm việc Các thông số cơ bản của động lực được tính toán dựa trên những yếu tố này.
Tính chọn Thyristor
Việc lựa chọn Thyristor phụ thuộc vào các yếu tố cơ bản như dòng điện tải, điều kiện tỏa nhiệt, điện áp làm việc và các thông số cơ bản của van Quy trình tính chọn Thyristor cần xem xét kỹ lưỡng các yếu tố này để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy trong ứng dụng.
3.3.1 Điện áp lớn nhất mà Thyristor phải chịu
Trong đó: là hệ số điện áp ngược của van là hệ số điện áp chỉnh lưu
3.3.2 Điện áp ngược của van cần chọn
KdtU = 1,8 là hệ số dự trữ điện áp , với KdtU = ( 1,6 ÷ 2 ).
3.3.3 Dòng điện làm việc của van
Trong đó: là hệ số dòng điện hiệu dụng của chỉnh lưu tia bap ha có điều khiển
Khi chọn điều kiện làm việc cho van, cần đảm bảo van có cánh tản nhiệt và diện tích tản nhiệt đủ lớn, đồng thời không sử dụng quạt gió để lưu thông không khí Dựa vào những điều kiện này, dòng điện định mức của van cần được lựa chọn phù hợp.
Ki là hệ số dự trữ dòng điện, trong đó Ilv được xác định trong khoảng từ 10% đến 30% dòng điện định mức Iđmv Với việc chọn Ilv là 25% Iđmv, ta có thể suy ra rằng Ki bằng 4.
Để đảm bảo van bán dẫn hoạt động an toàn và tránh hiện tượng chọc thủng nhiệt, cần lựa chọn van có cánh tản nhiệt với diện tích tỏa nhiệt đầy đủ, dựa trên các thông số Unv và Iđmv đã xác định.
Ta chọn Thyristor loại T507108074AB có các thông số như sau:
- Điện áp ngược cực đại của van: Unv max = 1000 (V).
- Dòng điện định mức của van: Iđmv = 150 (A).
- Dòng điện đỉnh cực đại: Ipik max = 3300 (A).
- Dòng điện xung điều khiển: Ig max = 200 (mA).
- Điện áp xung điều khiển: Ug max = 2,5(V).
- Dòng điện duy trì: Ih max = 500 (mA).
- Dòng điện rò: Ir max = 15 (mA).
- Sụt áp lớn nhất trên Thyristor ở trạng thái dẫn: ∆Umax = 3,2 (V).
- Tốc độ biến thiên điện áp: du dt 0(V/s).
- Thời gian chuyển mạch của Thyristor: tcm = 40 (às).
- Nhiệt độ làm việc vực đại: Tmax = 125 ( 0 C).
Chọn máy biến áp ba pha ba trụ có sơ đồ đấu dây ∆/Y, làm mát bằng không khí tự nhiên.
Tính toán các thông số của máy biến áp:
1 Công suất biểu kiến của máy biến áp
Ks – hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực Ks = 1,05.
2 Điện áp pha sơ cấp máy biến áp
3 Điện áp pha thứ cấp
Phương trình điện áp khi có tải:
Từ phương trình trên, suy ra được:
= 10 0 là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện áp lưới;
= 2,2 (V) là độ sụt áp trên Thyristor
Độ sụt áp trên dây nối máy biến áp bao gồm sụt áp do điện trở và điện kháng của máy biến áp Để tính toán, ta chọn sơ bộ giá trị độ sụt áp của máy biến áp.
Thay số ta được: Điện áp thứ cấp máy biến áp:
Trong đó: là hệ số điện áp chỉnh lưu.
4 Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp
Trong đó: là hệ số dòng điện chỉnh lưu.
5 Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp
Tính sơ bộ mạch từ
6 Tiết diện sơ bộ của trụ
KQ – là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy KQ = 6
M – là số trụ của máy biến áp, với m = 3
F – tần số nguồn xoay chiều, f = 50 Hz.
Chuẩn hóa đường kính trụ theo tiêu chuẩn d = 9 cm
Chọn loại thép Ǝ330 các lá thép có độ dày 0,5mm.
Chọn mật độ từ cảm của trụ là Bt = 1,5T.
9 Tính sơ bộ chiều cao trụ
Chọn tỷ số , suy ra h = 2,3.d = 2,3.9 ,7 cm
Ta chọn chiều cao trụ là 20 cm
10 Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp
11 Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp
12 Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp
Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, chọn J1 = J2 = 2,75 A/mm 2
13 Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp
Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B.
Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S1 = 5,95 mm 2
Kích thước dây quấn kể cả cách điện: S1cd = a1.b1 = 2,26.2,63 mm x mm
14 Tính lại mật độ dòng diện trong cuộn sơ cấp
15 Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp
Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B.
Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S2 = 11,00 mm 2
Kích thước dây dẫn có kể cách điện: S2cd = a2.b2 = 2,26.4,70 mm x mm
16 Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ nhât
Kết cấu dây quấn sơ cấp
Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục.
17 Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp
Kc = 0,95 là hệ số ép chặt h – là chiều cao trụ hg – là khoảng cách từ gông từ đến cuộn dây sơ cấp
Chọn sơ bộ khoảng cách cách điện gông là 1,5 cm.
18 Tính sợ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp lớp
Như vậy có 212 vòng chia cho 4 lớp, mỗi lớp có 53 vòng
20 Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp cm
21 Ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày
22 Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp
23 Đường kính trong của ống cách điện
24 Đường kính trong của cuộn sơ cấp
25 Bề dày giữa hai lớp dây ở cuộn sơ cấp
26 Bề dày cuộn sơ cấp
27 Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp
28 Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp
29 Chiều dài dây quấn sơ cấp
30 Bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp
Kết cấu dây quấn thứ cấp
31 Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp
32 Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp vòng Lấy tròn W12 = 35 vòng
33 Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp
34 Số lớp dây quấn thứ cấp
Chọn n12 = 4 lớp vậy 3 lớp đầu mỗi lớp có 29 vòng, lớp thứ 4 có vòng.
35 Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp
36 Đường kính trong của cuộn thứ cấp
37 Bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp
38 Bề dầy cuộn dây sơ cấp
39 Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp
40 Đường kính trùng bình của cuộn thứ cấp
41 Chiều dài dây quấn thứ cấp
42 Đường kính trung bình các cuộn dây
43 Khoảng cách giữa hai cuộn thứ cấp
Tính kích thước mạch từ
44 Với đường kính trụ d=9 cm, ta chọn số bậc là 6 trong nửa tiết diện trụ.
Hình 3.2: Sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kì
45 Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ
46 Tiết diện hiệu quả của trụ
47 Tổng chiều dày các bậc thang của trụ
48 Số lá thép dùng trong các bậc
Bậc 6 (lá) Để đơn giản trong việc chế tạo gông từ, ta chọn gông có tiết diện hình chữ nhật với các kích thước sau:
Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ:
Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ: a=8,5(cm).
50 Tiết diện hiệu quả của gông
51 Số lá thép dùng trong một gông
52 Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ
53 Mật độ từ cảm trong gông
55 Khoảng cách giữa hai tâm trục
Tính khối lượng của sắt và đồng
Trong đó: mFe=7,85(kg/dm 3 ) là khối lượng riêng của sắt.
Trong đó: mCu=8,9 (kg/dm 3 ) là trọng lượng riêng của đồng
Tính các thông số của máy biến áp
65 Điện trở trong của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75 0 C
Trong đó: là điện trở suất của đồng ở 75 0 C
66 Điện trở cuộn dây thứ cấp máy biến áp
67 Điện trở của máy biến áp quy đổi về thứ cấp
68 Sụt áp trên điện trở máy biến áp
69 Điện kháng máy biến áp quy đổi về thứ cấp
Trong đó: Bán kính của cuộn thứ cấp máy biến áp.
70 Điện cảm máy biến áp quy đổi về thứ cấp
71 Sụt áp trên điện kháng máy biến áp
72 Sụt áp trên máy biến áp
73 Điện áp trên động cơ khi có góc mở α min 0
74 Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp
75 Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp
76 Tổn hao không tải có kể đến 15% tổn hao phụ
Trong đó: là hệ số kể đến 15% tổn hao.
77 Điện áp ngắn mạch tác dụng
78 Điện áp ngắn mạch phản kháng
79 Điện áp ngắn mạch phần trăm
80 Dòng điện ngắn mạch xác lập
81 Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại
Vậy ta có: nên đảm bảo cho van làm việc được bình thường.
: Đỉnh xung max của thyristor
82 Kiểm tra máy biến áp
Kiểm tra máy biến áp có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến thiên của dòng điện chuyển mạch.
83 Hiệu suất của thiết bị chỉnh lưu
3.5 Thiết kế cuộn kháng lọc
Đối với bộ nguồn một chiều, độ nhấp nhô của điện áp là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng Khi sử dụng bộ nguồn một chiều có chỉnh lưu điều khiển, điện áp ra có tính chu kỳ, có thể phân tích thành tổng các điện áp không đổi và điện áp điều hòa tần số cao Sự xuất hiện của thành phần xoay chiều trong mạch có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến thiết bị điện một chiều Để giảm thiểu tác động của các thành phần xoay chiều, cần sử dụng cuộn điện kháng để lọc chúng khỏi mạch tải Dưới đây là các bước tính toán thiết kế cuộn kháng lọc.
3.5.1 Xác định góc mở cực tiểu và góc mở cực đại
Chọn góc mở cực tiểu Với góc mở là góc mở dự trữ có thể bù được sự suy giảm điện áp lưới.
Khi góc mở nhỏ nhất thì điện áp trên tải là lớn nhất:
Và tương ứng với tốc độ động cơ là lớn nhất:
Khi góc mở lớn nhất thì điện áp trên tải là nhỏ nhất:
Và tương ứng với tốc độ động cơ nhỏ nhất:
Tốc độ góc định mức:
Tốc độ góc nhỏ nhất:
Giả sử cho động cơ làm việc với momen cản lớn nhất bằng hai lần momen định mức Ta chọn hệ số quá tải KM=2.
Độ cứng đặc tính cơ của động cơ:
Vậy tốc độ góc nhỏ nhất của động cơ là:
Dải điều chỉnh của động cơ là:
Mà theo trên ta có:
Góc mở nhỏ nhất là:
Góc mở lớn nhất là:
3.5.2 Xác định các thành phần sóng hài
Theo lý thuyết chuỗi Fourier, điện áp chu kỳ có thể được phân tích thành tổng các điện áp một chiều và các thành phần điện áp điều hòa với tần số khác nhau Công thức khai triển này cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về cấu trúc của điện áp chu kỳ.
Điện áp của thành phần một chiều được ký hiệu là a0, trong khi ak và bk đại diện cho biên độ điện áp của sóng điều hòa bậc n Để thuận tiện cho việc khai triển chuỗi Fourier, cần chuyển đổi tọa độ sang điểm thích hợp.
(tại góc thông tự nhiên), khi đó điện áp tức thời trên tải khi Thyristor T1 và T4 dẫn:
; với Điện áp tức thời trên tải Ud là không sin và tuần hoàn với chu kì:
Trong đó: p=3 là số xung đập mạch trong một chu kì điện áp lưới của chỉnh lưu hình tia ba pha.
Suy ra biên độ của điện áp điều hòa là:
Biên độ của các thành phần sóng điều hòa thay đổi theo góc điều khiển α; khi góc điều khiển càng lớn, sóng hài càng tăng.
3.5.3 Xác định điện cảm của cuộn kháng lọc
Ta có phương trình cân bằng điện áp:
Cân bằng hai vế của phương trình ta được:
Vì nên ta có thể bỏ qua
Trong các thành phần xoay chiều thì thành phần sóng bậc k=1 có mức độ lớn nhất, gần đúng ta có:
Từ biểu thức (2.10) ta có:
Ta chọn Điện cảm của cuộn kháng lọc:
3.5.4 Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc
Các thông số ban đầu:
Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc:
Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng:
Biên độ dòng điện xoay chiều bậc 1:
1 Xác định tổng trở của cuộn kháng
Do điện cảm lớn và điện trở nhỏ của cuộn kháng lọc, tổng trở của cuộn kháng có thể được xem như xấp xỉ bằng điện kháng.
2 Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc
3 Công suất của cuộn kháng lọc
Hình 3.3: Kết cấu mạch từ cuộn kháng lọc
4 Tiết diện cực từ chính của cuộn kháng
Trong đó: là hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát bằng không khí tự nhiên.
Với tiết diện trụ ,ta chọn loại thép 27JGH100, lá thép dày 0,35 (mm).
6 Chọn mật độ từ cảm trong trụ
7 Số vòng dây của điện kháng
Khi có thành phần xoay chiều chạy qua cuộn kháng thì trong cuộn kháng xuất hiện một sức điện động EK:
Gần đúng, ta có thể coi:
8 Dòng điện chạy qua cuộn kháng
Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng là:
9 Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng
10 Tiết diện dây quấn cuộn kháng
Chọn dây theo tiêu chuẩn, ta chọn dây dẫn hình chữ nhật, cấp cách điện B, ta chọn
Tính lại mật độ dòng điện:
11 Chọn hệ số lấp đầy
13 Tính kích thước mạch từ
Vậy chiều rộng của cửa sổ từ là:
16 Chọn khoảng cách từ gông đến cuộn dây
17 Tính số vòng dây trên một lớp
18 Tính số lớp dây quấn
19 Chọn khoảng cách cách điện giữa dây quấn với trụ
Chọn khoảng cách cách điện giữa các lớp dây:
21 Tổng bề dày cuộn dây
22 Chiều dài của vòng dây trong cùng
23 Chiều dài vòng dây ngoài cùng
24 Chiều dài trung bình của mỗi vòng dây
25 Điện trở của dây quấn ở 75 0 C
Điện trở suất của đồng ở 75 độ C cho thấy giá trị điện trở của dây quấn cuộn kháng rất nhỏ, do đó giả thiết ban đầu về việc bỏ qua giá trị điện trở của cuộn kháng là hợp lý.
Trong đó: là khối lượng riêng của sắt.
Trong đó: là khối lượng riêng của đồng.
3.6 Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực
3.6.1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn
Khi dòng điện chạy qua van, sẽ xảy ra sụt áp và tổn hao công suất, dẫn đến việc sinh nhiệt và làm nóng van bán dẫn Để bảo đảm an toàn cho van bán dẫn, cần phải giữ nhiệt độ dưới mức cho phép Tcp, vì nếu vượt quá, van sẽ bị hỏng Do đó, việc tính toán và thiết kế hệ thống cánh tản nhiệt là cần thiết để làm mát và bảo vệ van bán dẫn khỏi tình trạng quá nhiệt.
Tổn thất công suất trên một Thyristor:
Diện tích bề mặt tỏa nhiệt:
Trong đó: : Tổn hao công suất trên van (W)
Hệ số tỏa nhiệt của thiết bị bao gồm cả đối lưu và bức xạ, cần xác định độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường Nhiệt độ môi trường và nhiệt độ làm việc cho phép của Thyristor cũng cần được lựa chọn cẩn thận Cuối cùng, nhiệt độ trên cánh tản nhiệt sẽ được xác định để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh là:
(Chọn theo tài liệu [2])Vậy tổng diện tích cánh tải nhiệt là:
Hình 3.4: Kích thước của cánh tản nhiệt cho một van bán dẫn
3.6.2 Bảo vệ dòng điện cho van
Aptomat là thiết bị quan trọng trong việc đóng cắt mạch động lực, tự động ngắt mạch khi xảy ra tình trạng quá tải hoặc ngắn mạch Nó có khả năng bảo vệ cho các mạch như ngắn mạch đầu ra của bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp của máy biến áp, và ngắn mạch trong chế độ nghịch lưu.
Chọn aptomat có các thông số sau:
Aptomat có ba tiếp điểm chính,có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện.
Chỉnh định dòng điện ngắn mạch:
Chỉnh định dòng điện quá tải:
Chọn cầu dao có dòng định mức như sau:
Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sửa chữa hệ thống truyền động.
Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Thyristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu và ngắn mạch ở mạch điều khiển mở máy.
Dòng điện định mức dây chảy nhóm 1CC:
Dòng điện định mức dây chảy nhóm 2CC:
Dòng điện định mức dây chảy nhóm 3CC:
Dòng điện định mức dây chảy nhóm 4CC:
Vậy ta chọn cầu chảy các nhóm như sau:
Ta dùng một công tắc tơ để mở máy cho động cơ, có các thông số sau:
Dòng điện định mức của công tắc tơ:
Điện áp định mức của công tắc tơ:
3.6.3 Bảo vệ quá điện áp cho van
Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Thyristor được thực hiện bằng cách mắc
R-C song song với Thyristor Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa Anot và Katot của Thyristor Khi có mạch R-C mắc song song với Thyristor tạo nên một mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Thyristor không bị quá điện áp.
Hình 3.5: Mạch bảo vệ Thyristor không bị quá điện áp
Theo kinh nghiệm thường chọn:
Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, ta mắc mạch R-C như hình vẽ:
Hình 3.6: Mạch bảo vệ xung điện áp từ lưới điện
Thiết kế cuộn kháng lọc
Đối với bộ nguồn một chiều, độ nhấp nhô của điện áp là tiêu chí quan trọng nhất để đánh giá chất lượng Trong bộ nguồn một chiều sử dụng chỉnh lưu có điều khiển, điện áp ra có tính chu kỳ và có thể phân tích thành tổng các điện áp không đổi cùng các điện áp điều hòa tần số cao Sự xuất hiện của thành phần xoay chiều trong mạch có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến thiết bị điện một chiều Để giảm thiểu tác động của các thành phần xoay chiều, cần thiết phải sử dụng các bộ lọc, thường là cuộn điện kháng, để loại bỏ chúng Dưới đây là các bước tính toán thiết kế cuộn kháng lọc.
3.5.1 Xác định góc mở cực tiểu và góc mở cực đại
Chọn góc mở cực tiểu Với góc mở là góc mở dự trữ có thể bù được sự suy giảm điện áp lưới.
Khi góc mở nhỏ nhất thì điện áp trên tải là lớn nhất:
Và tương ứng với tốc độ động cơ là lớn nhất:
Khi góc mở lớn nhất thì điện áp trên tải là nhỏ nhất:
Và tương ứng với tốc độ động cơ nhỏ nhất:
Tốc độ góc định mức:
Tốc độ góc nhỏ nhất:
Giả sử cho động cơ làm việc với momen cản lớn nhất bằng hai lần momen định mức Ta chọn hệ số quá tải KM=2.
Độ cứng đặc tính cơ của động cơ:
Vậy tốc độ góc nhỏ nhất của động cơ là:
Dải điều chỉnh của động cơ là:
Mà theo trên ta có:
Góc mở nhỏ nhất là:
Góc mở lớn nhất là:
3.5.2 Xác định các thành phần sóng hài
Theo lý thuyết chuỗi Fourier, điện áp chu kỳ có thể được phân tích thành tổng của điện áp một chiều và các thành phần điện áp điều hòa với tần số khác nhau Công thức khai triển này cho phép hiểu rõ hơn về cấu trúc của điện áp trong các hệ thống điện.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về điện áp của thành phần một chiều a0 và biên độ điện áp của sóng điều hòa bậc n ak, bk Để đơn giản hóa việc khai triển chuỗi Fourier, chúng ta sẽ chuyển đổi tọa độ sang điểm thích hợp.
(tại góc thông tự nhiên), khi đó điện áp tức thời trên tải khi Thyristor T1 và T4 dẫn:
; với Điện áp tức thời trên tải Ud là không sin và tuần hoàn với chu kì:
Trong đó: p=3 là số xung đập mạch trong một chu kì điện áp lưới của chỉnh lưu hình tia ba pha.
Suy ra biên độ của điện áp điều hòa là:
Biên độ của các thành phần sóng điều hòa thay đổi theo góc điều khiển α; khi góc điều khiển tăng, sóng hài cũng sẽ tăng theo.
3.5.3 Xác định điện cảm của cuộn kháng lọc
Ta có phương trình cân bằng điện áp:
Cân bằng hai vế của phương trình ta được:
Vì nên ta có thể bỏ qua
Trong các thành phần xoay chiều thì thành phần sóng bậc k=1 có mức độ lớn nhất, gần đúng ta có:
Từ biểu thức (2.10) ta có:
Ta chọn Điện cảm của cuộn kháng lọc:
3.5.4 Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc
Các thông số ban đầu:
Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc:
Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng:
Biên độ dòng điện xoay chiều bậc 1:
1 Xác định tổng trở của cuộn kháng
Do cuộn kháng lọc có điện cảm lớn và điện trở nhỏ, tổng trở của cuộn kháng có thể được xem như xấp xỉ bằng điện kháng.
2 Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc
3 Công suất của cuộn kháng lọc
Hình 3.3: Kết cấu mạch từ cuộn kháng lọc
4 Tiết diện cực từ chính của cuộn kháng
Trong đó: là hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát bằng không khí tự nhiên.
Với tiết diện trụ ,ta chọn loại thép 27JGH100, lá thép dày 0,35 (mm).
6 Chọn mật độ từ cảm trong trụ
7 Số vòng dây của điện kháng
Khi có thành phần xoay chiều chạy qua cuộn kháng thì trong cuộn kháng xuất hiện một sức điện động EK:
Gần đúng, ta có thể coi:
8 Dòng điện chạy qua cuộn kháng
Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng là:
9 Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng
10 Tiết diện dây quấn cuộn kháng
Chọn dây theo tiêu chuẩn, ta chọn dây dẫn hình chữ nhật, cấp cách điện B, ta chọn
Tính lại mật độ dòng điện:
11 Chọn hệ số lấp đầy
13 Tính kích thước mạch từ
Vậy chiều rộng của cửa sổ từ là:
16 Chọn khoảng cách từ gông đến cuộn dây
17 Tính số vòng dây trên một lớp
18 Tính số lớp dây quấn
19 Chọn khoảng cách cách điện giữa dây quấn với trụ
Chọn khoảng cách cách điện giữa các lớp dây:
21 Tổng bề dày cuộn dây
22 Chiều dài của vòng dây trong cùng
23 Chiều dài vòng dây ngoài cùng
24 Chiều dài trung bình của mỗi vòng dây
25 Điện trở của dây quấn ở 75 0 C
Điện trở suất của đồng ở 75°C cho thấy giá trị điện trở của dây quấn cuộn kháng rất nhỏ, do đó giả thiết ban đầu về việc bỏ qua giá trị điện trở của cuộn kháng là hợp lý.
Trong đó: là khối lượng riêng của sắt.
Trong đó: là khối lượng riêng của đồng.
Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực
3.6.1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn
Khi dòng điện chạy qua van, sẽ xảy ra sụt áp trên van, dẫn đến tổn hao công suất và sinh ra nhiệt, làm nóng van bán dẫn Van bán dẫn chỉ có thể hoạt động trong nhiệt độ cho phép Tcp; nếu vượt quá mức này, van sẽ bị hỏng Để đảm bảo van bán dẫn hoạt động an toàn và tránh hư hỏng do nhiệt, cần tính toán và thiết kế hệ thống cánh tản nhiệt hiệu quả.
Tổn thất công suất trên một Thyristor:
Diện tích bề mặt tỏa nhiệt:
Trong đó: : Tổn hao công suất trên van (W)
Hệ số tỏa nhiệt của Thyristor được xác định dựa trên đối lưu và bức xạ, đồng thời cần chọn độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường Nhiệt độ môi trường và nhiệt độ làm việc cho phép của Thyristor cũng phải được xác định chính xác Cuối cùng, nhiệt độ trên cánh tản nhiệt cần được lựa chọn để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh là:
(Chọn theo tài liệu [2])Vậy tổng diện tích cánh tải nhiệt là:
Hình 3.4: Kích thước của cánh tản nhiệt cho một van bán dẫn
3.6.2 Bảo vệ dòng điện cho van
Aptomat là thiết bị dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động ngắt mạch khi xảy ra quá tải hoặc ngắn mạch Nó có khả năng bảo vệ các mạch như Thyristor, ngắn mạch đầu ra của bộ biến đổi, và ngắn mạch thứ cấp của máy biến áp, đồng thời cũng bảo vệ trong chế độ nghịch lưu.
Chọn aptomat có các thông số sau:
Aptomat có ba tiếp điểm chính,có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện.
Chỉnh định dòng điện ngắn mạch:
Chỉnh định dòng điện quá tải:
Chọn cầu dao có dòng định mức như sau:
Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sửa chữa hệ thống truyền động.
Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Thyristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu và ngắn mạch ở mạch điều khiển mở máy.
Dòng điện định mức dây chảy nhóm 1CC:
Dòng điện định mức dây chảy nhóm 2CC:
Dòng điện định mức dây chảy nhóm 3CC:
Dòng điện định mức dây chảy nhóm 4CC:
Vậy ta chọn cầu chảy các nhóm như sau:
Ta dùng một công tắc tơ để mở máy cho động cơ, có các thông số sau:
Dòng điện định mức của công tắc tơ:
Điện áp định mức của công tắc tơ:
3.6.3 Bảo vệ quá điện áp cho van
Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Thyristor được thực hiện bằng cách mắc
R-C song song với Thyristor Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa Anot và Katot của Thyristor Khi có mạch R-C mắc song song với Thyristor tạo nên một mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Thyristor không bị quá điện áp.
Hình 3.5: Mạch bảo vệ Thyristor không bị quá điện áp
Theo kinh nghiệm thường chọn:
Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, ta mắc mạch R-C như hình vẽ:
Hình 3.6: Mạch bảo vệ xung điện áp từ lưới điện
Cơ sở lí thuyết
Thyristor chỉ cho phép dòng điện chảy qua khi có điện áp dương trên anot và xung điều khiển Sau khi được kích hoạt, xung điều khiển không còn tác dụng, và dòng điện qua Thyristor phụ thuộc vào thông số của mạch lực Do đó, có hai nguyên tắc điều khiển Thyristor trong thực tế.
Nguyên tắc 1: Điều khiển thẳng đứng
Nguyên tắc 2 liên quan đến việc điều khiển dịch chuyển theo phương nằm ngang, sử dụng phương pháp điều khiển thứ nhất để thiết kế mạch điều khiển Nguyên tắc này hiện đang được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng:
Trong vùng điện áp dương anot của Thyristor, ta tạo một điện áp tựa biến thiên tuyến tính theo dạng răng cưa
Dùng một điện áp một chiều gọi là để so sánh với điện áp tựa nói trên Tại
Góc mở α của Thyristor thay đổi tuyến tính theo giá trị từ 0 đến đỉnh điện áp, dẫn đến sự thay đổi tương ứng của giao điểm giữa hai đường.
Hình 4.1: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng
Tổng đại số được đưa đến đầu vào của một khâu so sánh khi thì ta nhận được một xung đầu ra của khâu so sánh.
Bằng cách biến đổi, người ta có thể điều khiển thời điểm xuất hiện xung ra, từ đó kiểm soát góc mở với độ rộng xung và biên độ.
Chức năng của mạch điều khiển
Một mạch điều khiển Thyristor có các chức năng sau:
Điều chỉnh được vị trí điều khiển trong phạm vi nửa chu kì dương đặt lên Anot-
Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở được Thyristor.
Thiết kế mạch điều khiển sử dụng IC TCA785
4.2.1Giới thiệu về vi mạch TCA785
Hình 4.2: Hình ảnh IC TCA785
Sơ đồ điều khiển chỉnh lưu không chỉ sử dụng mạch tương tự mà còn có thể được điều khiển bằng các mạch số Bài viết này sẽ giới thiệu sơ đồ điều khiển chỉnh lưu bằng vi mạch sử dụng IC TCA785.
Vi mạch TCA785 do Siemens sản xuất, được thiết kế để điều khiển thiết bị chỉnh lưu và thiết bị điều khiển dòng xoay chiều TCA785 tích hợp đầy đủ 4 chức năng của mạch điều khiển, bao gồm tạo điều khiển đồng bộ, tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và phát sinh xung ra.
Dễ phát hiện việc chuyển qua điểm không.
Phạm vi ứng dụng rộng rãi.
Có thể làm chuyển mạch điểm không.
Có thể hoạt động 3 pha (3IC).
IC TCA785 có khả năng điều khiển Thyristor, Triac và Transistor, cho phép mở xung kích ở nhiều góc khác nhau Thiết bị này thường được ứng dụng trong các mạch chuyển đổi và bộ điều khiển, mang lại hiệu suất cao trong việc điều chỉnh điện năng.
AC và các bộ điều khiển 3 pha IC TCA785 thay thế cho các IC trước đây như: IC
4.2.1.2 Kí hiệu và chức năng các chân IC TCA 785
Hình 4.3: Sơ đồ chân IC TCA785
IC TCA785 có hai ngõ ra Q1 và Q2 độc lập, mỗi ngõ ra có khả năng tải lên đến 250 mA, cho phép điều khiển hai bán cầu dương và âm Vi mạch này có khả năng kích xung hẹp (chỉnh lưu) và rộng (điều khiển điện áp xoay chiều), đồng thời cung cấp nguồn chuẩn 3,1V và ngõ vào để kết nối với các mạch điều khiển khác Ngoài ra, ngõ ra bộ so sánh Z cũng được thiết kế để tiện lợi cho việc sử dụng.
4.2.1.3 Sơ đồ khối IC TCA785
Sơ đồ khối bao gồm:
Mạch khám phá zero sử dụng tín hiệu đồng bộ từ lưới để điều khiển thanh ghi đồng bộ khi điện áp nguồn qua zero Nguồn điện được ổn áp tạo ra áp chuẩn và dòng I (điều khiển bởi R9) để nạp tụ điện Tụ điện sẽ được xả ở mỗi đầu nửa chu kỳ thông qua T68, tạo ra áp đồng bộ răng cưa (Ramp voltage) Áp này được so sánh với áp điều khiển để xác định pha kích hoạt các Thyristor.
Khối logic bao gồm các mạch tạo bề rộng xung (từ ), tín hiệu điều khiển cấm
(Inhibit) và chọn xung rộng hẹp (Long Pulse Commutation) để tạo ra các xung ngõ ra theo các dạng ở hình…
Tín hiệu đồng bộ được tạo ra từ trở kháng cao của điện áp dây (V5) Bộ phát hiện điện áp không sẽ xác định các điện áp không và chuyển chúng đến thanh ghi đồng bộ.
Hình 4.4: Sơ đồ khối của IC TCA785
Thanh ghi đồng bộ điều khiển bộ tạo dốc nạp tụ bằng dòng cố định xác định bởi R9 Khi điện áp dốc vượt qua điện áp điều khiển, góc mở điện chuyển thành dạng logic phụ thuộc vào độ lớn của điện áp điều khiển.
Với mỗi phần sóng một xung dương cứ 30 giây lại xuất hiện các đầu ra Q1, Q2.
Giữ sự tồn tại xung có thể đạt 180 0 qua tụ C12 Nếu chân 12 nối đất thì các xung trong khoảng góc sẽ được phát hiện.
Các đầu ra , cung cấp tín hiệu ngược với Q1, Q2 Tín hiệu tại góc có thể được dùng để điều khiển một bộ logic ngoài gắn tại chân 3.
Một tín hiệu tương tự với liên kết NOR của Q1, Q2 có sẵn tại chân QZ (chân 7).
Cổng vào hạn chế có thể được dùng để loại bỏ hoạt động của các cổng ra Q1, Q2,
Chân 13 có thể dùng để mở rộng các đầu ra , nhằm lắp đầy bộ rộng xung
4.2.1.4 Các dạng sóng và thông số của TCA785
Bảng 4.1: Các thông số của TCA785
Thông số Ký hiệu Giá trị giới hạn Đơn vị min max Điện áp cung cấp -0,5 15 V
Dòng điện ra tại chân 14, 15 -10 400 mA Điện áp giới hạn -0,5 V Điện áp điều khiển -0,5 V Điện áp ngắn xung -0,5 V
Dòng điện vào đồng bộ -200 V Điện áp ra tại chân 14, 15 V
Dòng điện ra tại chân 2, 3, 4, 7 10 mA Điện áp ra tại chân 2, 3, 4, 7 V
Trở nhiệt hệ thống – môi trường 18 K/W
Các thông số chủ yếu của TCA785:
Điện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa:
Hình 4.5 Các dạng sóng của IC TCA785 4.2.1.5 Nguyên lí làm việc của IC TCA785
Nguồn nuôi được cấp thông qua chân 16.
Tín hiệu đồng bộ được lấy qua chân số 5 và chân số 1.
Tín hiệu điều khiển được đưa vào chân số 11.
Một bộ phận nhận biết, kiểm tra điện áp vào và sẽ chuyển tín hiệu này đến bộ phận đồng bộ.
Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của IC TCA785
Bộ phận này sẽ điều khiển tụ , tụ được nạp đến điện áp không đổi (quyết định bởi ).
Khi điện áp được nạp đến điện áp thì một tín hiệu sẽ đưa đến khâu logic.
Tùy thuộc vào điện áp điều khiển mà góc mở α thay đổi từ 0 0 đến 180 0
Với mỗi nữa chu kỳ trong một xung dương xuất hiện ở Q1, Q2, độ rộng xung trong khoảng từ
Độ rộng xung có thể kéo dài đến 180 0 thông qua tụ nếu chân 12 nối đất thì sẽ có xung lớn nhất.
4.2.1.6 Chọn sơ đồ mạch điều khiển
Sau khi phân tích đánh giá về mạch điều khiển dùng điện tử tương tự và mạch dùng
IC TCA785 mang lại nhiều ưu điểm cho mạch điều khiển động cơ điện một chiều có công suất vừa phải, đảm bảo an toàn và chính xác trong quá trình điều khiển Đồng thời, mạch điều khiển này cũng cần phải cạnh tranh về mặt kinh tế, do đó việc sử dụng IC TCA785 là một lựa chọn hợp lý.
Mạch điều khiển sử dụng IC TCA785 là lựa chọn tối ưu nhờ tính kỹ thuật vượt trội, khi tích hợp bốn chức năng chính giúp giảm thiểu kích thước mạch và đơn giản hóa quy trình kiểm tra, thay thế Ngoài ra, giải pháp này còn mang lại lợi thế kinh tế, làm cho mạch điều khiển TCA785 trở thành sự lựa chọn hàng đầu cho người vận hành.
4.2.2 Tính toán mạch điều khiển
Mạch điều khiển được thiết kế dựa trên yêu cầu về xung mở của Thyristor Do đó, quá trình tính toán mạch điều khiển cần bắt đầu từ máy biến áp xung và tiến ngược lại về phía trước.
Với loại Thyristor đã chọn ở mạch động lực ta có:
Điện áp điều khiển Thyristor:
Dòng điện điều khiển Thyristor:
Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển:
Độ rộng xung: chọn phát xung chùm
Mức sụt biên độ xung:
4.2.2.1 Tính máy biến áp xung
Điện áp thứ cấp máy biến áp xung:
Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung:
Tỉ số máy biến áp xung: ta chọn
Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung:
Điện áp sơ cấp máy biến áp xung:
Chọn vật liệu làm máy biến áp xung là sắt Ferit HM với lõi hình xuyến không có khe hở không khí, giúp tối ưu hóa hiệu suất Lõi này hoạt động dựa trên một phần đặc tính từ hóa với các thông số kỹ thuật chính xác, đảm bảo hiệu quả và độ bền cao cho thiết bị.
Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt:
Trong đó: là độ từ thẩm của không khí.
Thể tích của lõi thép cần có:
Q: Tiết diện lõi Ferit; l: Chiều dài trung bình của đường sức từ;
: Độ rộng của xung điều khiển;
Ta chọn loại thép hình xuyến tròn Loại OA-23/30-5, có các kích thước như sau:
Số vòng dây thứ cấp máy biến áp xung:
Theo định luật cảm ứng điện từ ta có:
Số vòng dây thứ cấp máy biến áp xung:
Tiết diện dây quấn sơ cấp:
Trong đó: Ta chọn mật độ dòng điện
Đường kính dây quấn sơ cấp:
Ta chọn đường kính dây theo tiêu chuẩn, chọn:
Tiết diện dây quấn thứ cấp:
Trong đó: Ta chọn mật độ dòng điện
Đường kính dây quấn thứ cấp:
Chọn đường kính dây theo tiêu chuẩn, ta chọn:
Chọn dây có đường kính
Kiểm tra hệ số lấp đầy:
Vậy với K ld 0, 0053 thì cửa sổ đã đủ diện tích cần thiết để đặt dây quấn vào.
4.2.2.2 Tính toán bộ nguồn cho mạch điều khiển
Hình 4.7: Sơ đồ bộ nguồn cho mạch điều khiển
Để cung cấp nguồn điện áp cho máy biến áp xung, nuôi IC và điều chỉnh dòng điện, ta cần tạo ra một nguồn điện áp chất lượng Sử dụng mạch chỉnh lưu cầu ba pha với diode giúp cải thiện chất lượng điện áp Để tiện lợi trong việc chế tạo, máy biến áp đồng pha được sử dụng để cung cấp tín hiệu cho khâu đồng pha, đồng thời lấy điện áp thứ cấp của nó để làm nguồn nuôi Do đó, việc chế tạo máy biến áp ba pha cho nguồn nuôi và đồng pha là cần thiết.
Ta chọn , lúc này ta có:
Để ổn định điện áp theo yêu cầu, chúng ta cần sử dụng vi mạch ổn áp với nguồn nuôi có giá trị điện áp phù hợp Hai vi mạch ổn áp được sử dụng là 7815 và 7915, với các thông số kỹ thuật tương ứng.
IC 7815 có các thông số:
IC 7905 có các thông số:
Tụ điện C4, C5, C6, C7 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao, với các thông số:
Điện áp của tụ là:
Chọn bộ nguồn để lấy ra điện áp điều khiển
Hình 4.8: Sơ đồ bộ nguồn để lấy điện áp điều khiển
Ta dùng hai vi mạch ổn áp là 7824 và 7924 có các thông số sau:
IC 7824 có các thông số:
Điện áp đầu vào cực đại: ;
IC 7924 có các thông số:
Điện áp đầu vào cực đại: ;
Tụ điện C4, C5, C6, C7 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao, với các thông số:
Điện áp của tụ là:
Tính chọn diode cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi
Dòng điện hiệu dụng qua Diode:
Điện áp ngược lớn nhất mà Diode phải chịu:
Chọn Diode có dòng điện định mức:
Chọn Diode có điện áp ngược lớn nhất:
Chọn Diode loại có các thông số:
Điện áp ngược cực đại của Diode:
SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC CÓ THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT VÀ BẢO VỆ
Hình 4.9: Sơ đồ mạch động lực có thiết bị đóng cắt và bảo vệ
Mô hình hóa động cơ điện một chiều
Hình 5.1: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều
CKĐ: Dây quấn kích từ độc lập
CKN: Dây quấn kích từ nối tiếp
CF: Dây quấn cực từ phụ
UK: Điện áp kích thích
, M, MC: Là tốc độ góc, momen điện từ và momen cản động cơ.
Hệ thống phương trình mô tả động cơ một chiều thường phi tuyến, với tín hiệu đầu vào bao gồm điện áp phần ứng Uư và điện áp kích từ Uk Tín hiệu đầu ra thường là tốc độ góc của động cơ , momen quay M, dòng điện phần ứng I ư, hoặc trong một số trường hợp là vị trí của roto φ Momen tải Mc, do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, là nhiễu loạn quan trọng nhất trong truyền động điện.
Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau:
Uk, Ik: Điện áp và dòng điện kích từ.
Uư, Iư: Điện áp và dòng điện phần ứng
Rư, Lư: Điện trở và điện cảm phần ứng
M: Momen của động cơ điện một chiều.
Mc: Momen tải (momen cản) p: Số đôi cực của động cơ.
N: Số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ. a: Số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng. k: hệ số kết cấu của máy.
Rư: Điện trở mạch phần ứng của động cơ
Dạng phương trình cân bằng điện áp khi chuyển sang toán tử Laplace:
Phương trình momen điện từ:
Với M : Momen cản trên trục động cơ
J : Momen quán tính của động cơ
Phương trình động học khi chuyển sang toán tử Laplace:
Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập được thiết lập khi dòng điện kích từ không đổi, trong đó động cơ được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu.
Hình 5.2: Sơ đồ cấu trúc chung của động cơ điện một chiều kích từ đôc lập
Tính toán các thông số cơ bản
5.2.1 Đặc tính cơ của động cơ
Vì đặc tính cơ là đường thẳng nên muốn vẽ đặc tính cơ ta chỉ cần xác định 2 điểm:
Điểm A: Với thì ta có (vòng/phút) = 235,62 (rad/s).
Điểm B: Khi thì ta có tốc độ không tải lí tưởng:
Hình 5.3: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ 5.2.2 Tính các thông số cơ bản
Hằng số thời gian cơ học:
Hằng số thời gian điện từ:
Xét hệ thống hở CL – ĐC đơn giản:
Hệ thống này bao gồm biến áp lực, bộ chỉnh lưu Thyristor và kháng lọc, trong đó điện trở của mạch phần ứng được xác định từ điện cảm của mạch phần ứng đã được tính toán trong phần kháng lọc.
Hằng số thời gian của hệ thống:
Hằng số thời gian điện từ của hệ thống:
Hằng số thời gian trễ của bộ chỉnh lưu:
Tính toán thiết kế mạch vòng dòng điện
5.3.1Mô tả mạch vòng phản hồi dòng điện
Từ hệ thống điều khiển động cơ một chiều hai mạch vòng ta có sơ đồ hai mạch vòng dòng điện như sau:
Hình 5.4: Sơ đồ hai mạch vòng dòng điện
Hệ có thể biến đổi thành:
Hình 5.5: Sơ đồ biến đổi
Vậy hàm truyền của đối tượng là:
Theo lý thuyết điều khiển tối đa module thì hàm truyền hệ hở mong muốn:
Chú ý rằng ở đối tượng trên ta cần bù hằng số thời gian còn hằng số thời gian trễ rất bé ta không cần bù nên
Vậy hàm truyền của Regulator (khâu hiệu chỉnh) này là:
Hằng số thời gian khâu tích phân để biến đổi hệ thành phi tĩnh là:
Theo lý thuyết tối ưu nếu chọn ta sẽ được quá trình quá độ nhanh nhất với lượng quá điều chỉnh tốt nhất Do vậy
Hàm truyền của Regulator dòng điện được viết như sau:
Do đó: Đây là khâu tích phân tỉ lệ.
Hình 5.6: Khâu tích phân tỉ lệ
Hàm truyền của hệ hở bây giờ là:
Hàm truyền của vòng kín phản hồi dòng điện:
Do đặc tính quá độ của mạch dao động rất nhỏ, chúng ta có thể bỏ qua thành phần bậc 2 trong mẫu số Vì vậy, có thể coi mạch này như một khâu quán tính một cách gần đúng.
Hàm truyền của toàn mạch vòng dòng điện (khâu AB):
Với là điện thế bão hòa.
Từ phương trình hàm truyền và sơ đồ mạch điện hiệu chỉnh dòng điện ta có:
Người ta thường lấy: , ta chọn
Lúc đó điện áp phản hồi dong điện được tính tại điểm M trên sơ đồ mạch
Vậy các thông số của linh kiện trong khâu hiệu chỉnh dòng điện tính chon như sau:
Chú ý rằng các thông số của linh kiện không tồn tại trong thực tế, vì vậy cần ghép chúng lại theo các phương pháp như song song, nối tiếp hoặc hỗn hợp để đạt được giá trị mong muốn.
Để đảm bảo an toàn cho mạch điều chỉnh, cần phải cách ly giữa mạch điều chỉnh và mạch động lực Tín hiệu phản hồi dòng điện được lấy từ ba biến dòng đặt ở vị trí trước bộ chính lưu.
Dòng điện thứ cấp của biến áp lực:
Dùng biến dòng có tỉ số biến dòng 100/5 và điện trở tải của biến dòng
Dòng điện hiệu dụng chạy trong biến dòng:
Như vậy điện áp trên tải :
Sau khi chỉnh lưu cầu 6 Diot thì điện áp trên R:
Sử dụng R với một chiết áp điều chỉnh, đầu ra sẽ được đưa qua bộ khuyếch đại có đảo để khuếch đại điện áp phản hồi.
Do vậy hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại là:
Tính toán, thiết kế bộ khuyếch đại có đảo:
Dùng khuyếch đại thuật toán mắc theo sơ đồ sau:
Hình 5.9: Sơ đồ khuyếch đại thuật toán
Tính toán thiết kế mạch vòng tốc độ
5.4.1 Mô tả mạch vòng điều chỉnh tốc độ
Hàm truyền của cả mạch điều chỉnh dòng điện:
Do vậy cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ có dạng:
Hình 5.10: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ
Sơ đồ trên tương đương sơ đồ dưới đây:
Hình 5.11: Sơ đồ tương đương
Hàm truyền của đối tượng điều chỉnh tốc độ cần bù hằng số thời gian cơ học của hệ thống Nếu hằng số này rất bé, việc bù là không cần thiết Do đó, hàm truyền của khâu hiệu chỉnh sẽ được xác định dựa trên các yếu tố này.
Khâu khuyếch đại trong mạch vòng tốc độ đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định hóa tốc độ yêu cầu, giúp hệ thống tránh nhiễu loạn ảnh hưởng tiêu cực Để đảm bảo sai số gần bằng không khi có nhiễu phụ tải, chúng ta cần sử dụng khâu hiệu chỉnh tốc độ với hàm truyền thích hợp.
Hằng số tích phân của mạch vòng tốc độ ngoài đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ giao động của mạch vòng điều chỉnh tốc độ Các hệ số trong mạch vòng này tương tự như trong mạch vòng dòng điện.
Theo điều kiện tối ưu thì:
Để giảm thiểu hiện tượng quá điều chỉnh trong hệ thống điều chỉnh tốc độ, ta cần thêm một khâu lọc từ thông bậc nhất có hàm truyền nằm bên ngoài vòng điều chỉnh tốc độ, như được minh họa trong hình trên.
Hàm truyền hệ hở của mạch vòng tốc độ:
Hàm truyền của cả hệ thống (tính cả khâu lọc từ thông bặc nhất):
5.4.2 Tính toán và thiết kế
Từ phương trình hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ, bao gồm Regulator và khâu lọc thông từ bậc nhất, ta có thể xác định rằng đây là một khâu tích phân tỉ lệ trong sơ đồ hệ thống.
Hàm truyền của khâu lọc thông bậc nhất:
Sơ đồ khâu hiệu chỉnh tốc độ như sau
Hình 5.12: Sơ đồ khâu hiệu chỉnh tốc độ
Chọn máy phát tốc 100V- 4000 vòng/phút.
Với tốc độ định mức thì điện áp của máy phát tương ứng:
UF RFT bao gồm một điện trở và một biến trở được kết nối theo dạng mắc nối tiếp Để đạt được điện áp đầu ra tương ứng với tốc độ 2250 vòng/phút, cần điều chỉnh biến trở cho phù hợp.
Hệ số truyền của máy phát tốc: vì n = 2250 vòng/phút = 235,62 (rad/s).
Chọn điện áp đặt của đầu vào của bộ hiệu chỉnh ứng với tốc độ định mức:
Hệ số phản hồi tốc độ:
5.4.2.2 Thông số của tính chọn linh kiện
Trên sơ đồ ta có:
Từ phương trình hàm truyền và sơ đồ mạch ta có:
Tính chọn Điot ổn áp:
Trong hệ dung hiệu chỉnh nối tiếp, việc hạn chế dòng điện được thực hiện bằng cách kiểm soát tín hiệu đầu vào của bộ hiệu chỉnh dòng Để đạt được điều này, tín hiệu đầu ra của bộ hiệu chỉnh tốc độ cũng cần được hạn chế Chức năng này được thực hiện thông qua việc sử dụng hai điot ổn áp, được mắc song song với bộ hiệu chỉnh tốc độ, đóng vai trò như một khâu phi tuyến.
Lúc đó đặc tính đầu ra của bộ hiệu chỉnh tốc độ sẽ là:
Ở những tốc độ nhỏ, khi điện áp đầu ra của bộ hiệu chỉnh tốc độ vượt quá giá trị Udknguong (điện áp ngưỡng của điôt ổn áp), điện áp đầu ra sẽ duy trì ở mức cực đại không đổi, dẫn đến việc mạch vòng tốc độ bị cắt khỏi hệ thống Tín hiệu này được chuyển tiếp vào khâu hiệu chỉnh dòng điện để tạo ra điện áp cần thiết cho quá trình tăng tốc Nhờ vào việc duy trì điện áp cực đại trong khoảng tốc độ nhỏ, hệ thống được cưỡng bức tối đa, giúp quá trình tăng tốc diễn ra nhanh chóng Dòng điện trong khoảng này gần như không đổi và có những đặc tính nhất định.
Hình 5.14: Đặc tính làm việc
Khi dòng điện thì điện áp ra tương đương ứng Regulator tốc độ:
Tra cứu ta chọn điod ổn ỏp của Liờn Xụ loại: 2à 111A-1 cú điện ỏp ngưỡng 15V
Hình 5.15:Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều
Xét tính ổn định của hệ thống
Ổn định là tiêu chí cơ bản đầu tiên của hệ thống chỉnh lưu tự động, và hệ thống này cần phải ổn định trước khi sử dụng Một hệ thống điều chỉnh tự động được coi là ổn định nếu nó có khả năng tự động điều chỉnh trở lại trạng thái cân bằng sau khi bị tác động bởi nhiễu Để đánh giá tính ổn định của hệ thống điều chỉnh, ta dựa vào tiêu chuẩn ổn định đại số của Hurwitz.
6.1.1 Tiêu chuẩn ổn định của Hurwitz
Tiêu chuẩn ổn định của Hurwitz phát triển như sau:
Hệ thống điều chỉnh tự động có phương trình đặc tính với các hệ số dương ổn định nếu giá trị tất cả các định thức Hurwitz dương.
Cách thành lập định thức Hurwwitz:
Giả sử nếu phương trình đặc tính của hệ thống có dạng bậc ba như sau:
Ta có định thức Hurwitz: Điều kiện để hệ thống ổn định là:
6.1.2 Xét tính ổn định của hệ thống đã thiết kế
Như chương trước đã trình bày hệ thống điều chỉnh hai mạch vòng có hàm truyền:
Có phương trình đặc tính:
Ta có các hệ số:
Sau khi kiểm tra theo tiêu chuẩn Hurwitz thì hệ thống trên ổn định.
Xét quá trình quá độ của hệ thống
6.2.1 Xét mạch vòng dòng điện
Mạch vòng dòng điện có hàm truyền:
Chuyển sang dạng hàm hàm gốc của nó sẽ là:
Dùng phần mềm MATLAP-SIMULINK mô phỏng theo cấu trúc chương 4 ta được đồ thị i(t) như sau:
Hàm truyền của toàn hệ thống:
Nên một cách gần đúng ta bỏ qua thành phần bậc 3:
Ta tìm được hàm gốc:
Dùng phần mềm MATLAB-SIMULINK mô phỏng theo cấu trúc của chương 4, ta được đồ thị (t) như sau:Ꞷ