Động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều nổi bật với khả năng điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng và đáp ứng các yêu cầu về đặc tính cơ đặc biệt Nhờ vào những ưu điểm này, động cơ điện một chiều trở thành lựa chọn phổ biến trong nhiều lĩnh vực, bao gồm công nghiệp và giao thông vận tải Cấu tạo của động cơ điện một chiều bao gồm các thành phần chính như rotor, stator và bộ điều khiển, giúp tối ưu hóa hiệu suất và tính năng hoạt động.
Stato, hay còn gọi là phần cảm, là lõi thép được đúc từ thép, đóng vai trò vừa là mạch từ vừa là vỏ máy Bên trong, stato được trang bị các cực từ chính và cực từ phụ Dây quấn của cực từ chính được bố trí trên các cực từ chính và nối tiếp nhau, trong khi dây quấn của cực từ phụ nằm giữa các cực từ chính, thường được nối tiếp với dây quấn rôto để nâng cao 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 được thiết kế với lỗ thông gió và rãnh để lắp đặt dây quấn rôto, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Dây quấn rôto, hay còn gọi là dây quấn phần ứng, thường được làm bằng dây đồng và có cách điện với nhau cũng như với lõi thép Dây quấn này được bố trí trong các rãnh của lõi thép rôto thành hai lớp: lớp trên và lớp dưới Mỗi phần tử dây quấn bao gồm nhiều vòng dây, với hai đầu nối vào hai phiến góp Các cạnh tác dụng của phần tử dây quấn nằm trong hai rãnh dưới hai cực từ khác nhau, tạo thành các mạch nhánh với nhiều cạnh tác dụng ghép lại Dây quấn phần ứng có 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 dây quấn xếp đơn giản và sóng phức tạp) Hình ảnh minh họa cho thấy các phần tử dây quấn xếp hai lớp và các phần tử nối thành vòng kín, tạo nên mạch nhánh song song.
Hình 1.2 Các dạng dây quấn a b Hình 1.3 Hình dạng phần tử dây quấn sóng và cách nối hai phần tử
+ Cổ góp và chổi điện.
Cổ góp là một bộ phận quan trọng trong động cơ, bao gồm các phiến góp bằng đồng được cách điện và có hình dạng trụ, gắn ở đầu trục Hình 1.4-a minh họa cắt cổ góp để thể hiện rõ hình dạng của các phiến góp, trong khi hình 1.4-c mô tả một phiến góp cụ thể 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 so và giá chổi điện được gắn trên nắp máy.
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 sẽ đi qua vành góp, cực từ, lõi sắt và dây cuốn, sau đó thoát ra ngoài, giúp duy trì nhiệt độ ổn định cho động cơ.
Trục động cơ là bộ phận quan trọng, nơi lắp đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi, thường được chế tạo từ thép cacbon chất lượng cao Động cơ điện một chiều được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau.
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập là loại động cơ có cuộn kích từ được cung cấp điện từ một nguồn ngoài, tách biệt với nguồn điện 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 được cấu tạo từ hai dây quấn kích từ, bao gồm dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp Nguyên lý làm việc của động cơ này dựa trên sự kết hợp của hai loại kích từ, giúp tối ưu hóa hiệu suất và khả năng điều chỉnh tốc độ.
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 chạy qua dây quấn kích thích và dây quấn phần ứng, sẽ tạo ra từ trường tại phần tĩnh Từ trường này tác động lên dòng điện trong dây quấn phần ứng, sinh ra mômen làm roto quay Nhờ vào vành đổi chiều, dòng điện xoay chiều được chỉnh lưu thành dòng một chiều cung cấp cho dây quấn phần ứng, đảm bảo lực từ tác động lên thanh dẫn không bị đổi chiều, giúp động cơ quay theo một hướng.
- 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= Kφ U − Kφ R I
- Phương trình đặc tính cơ: ω= Kφ U − R
Sơ đồ nguyên lý , đồ thị đặc tính cơ và đặc tính cơ điện cho như hình vẽ :
Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý , 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 e Phương trình đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều
Khi sử dụng nguồn điện một chiều với công suất lớn và điện áp ổn định, mạch kích từ thường được kết nối song song với mạch phần ứng, tạo thành 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 như hai nguồn một chiều độc lập Trong trường hợp 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 rất giống nhau, vì vậy chúng ta sẽ xem xét chung 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, ta có thể xác định phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng trong chế độ xác lập.
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);
2 π a : Hệ số kết cấu của động cơ.
- Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:
Trong đó: Kc: Hệ số sức điện động của động cơ.
Từ các phương trình trên ta có: ω= U u , ¿
(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:
K φ , thay Iư vào (1-4) ta có ω =
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích từ của động cơ
- Giả thiết điện áp phần ứng: Uư = Udm = const;
- Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát: ω U u ,
M ; → ω = ω0 - ∆ω ; + Trong trường hợp này tốc độ không tải: ω0x U u ,
+ Độ cứng đặc tính cơ: β = –
Khi thay đổi từ thông Φ, cả tần số tự nhiên ω0 và độ biến thiên tần số ∆ω đều bị ảnh hưởng, dẫn đến sự thay đổi của ω Điều này tạo ra các đường đặc tính điều chỉnh dốc hơn do độ cứng đặc tính cơ β giảm, và cao hơn so với đặc tính cơ tự nhiên khi Φ giảm Với cùng một tải, tốc độ sẽ tăng lên khi từ thông Φ giảm.
Khi Φdm > Φ1 > Φ2 > …, thì ωdm < ω1 < ω2 < …; tuy nhiên, nếu giảm Φ xuống quá thấp, tốc độ động cơ có thể vượt quá giới hạn cho phép, gây ra tình trạng chuyển mạch kém do dòng phần ứng tăng cao Để đảm bảo chuyển mạch bình thường, cần giảm dòng phần ứng, điều này sẽ làm giảm momen cho phép trên trục động cơ nhanh chóng, dẫn đến tình trạng quá tải cho động cơ.
Mc Mn1 Mn2 M ω ω02 ω01 ω0dmm ω2 ω1 ωdm Φ1 Φ2 Φdm
Hình 2.3: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐM đl bằng cánh thay đổi từ thông Φ.
Hình 2.4: Đăc tính điều chỉnh tốc độ ĐM dl bằng cách thay đổi từ thông Φ.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của động cơ
- Giả thiết từ thông Φ = Φdm = const, khi ta thay đổi điện áp phần ứng theo hướng giảm so với Uđm.
- Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát: ω U u ,
K φ dm ; Độ cứng đặc tính cơ: β = ( K φ dm ) 2
Hình 2.5 : Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi U ư
Khi thay đổi điện áp Uư, tần số ω0 cũng sẽ thay đổi trong khi độ biến thiên ∆ω giữ nguyên, dẫn đến việc các đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau Để thay đổi Uư, cần sử dụng bộ nguồn một chiều có khả năng điều chỉnh điện áp đầu ra, thường là thông qua các bộ biến đổi.
Các bộ biến đổi có thể là:
+ Bộ biến đổi máy điện: Dùng máy phát điện một chiều (F), máy điện khếch đại (MĐKĐ).
+ Bộ biến đổi từ: Khếch đại từ (KĐT) một pha, ba pha.
+ Bộ biến đổi điện từ - bán dẫn: Các bộ chỉnh lưu (CL), các bộ băm điện áp (BĐA), dùng transistor và thyistor.
Ta thấy rằng, khi thay đổi điện áp phần ứng (Giảm áp) thì mômen ngắn mạch
Mnm và dòng điện ngắn mạch Inm của động cơ giảm khi tốc độ giảm theo một phụ tải nhất định Phương pháp này được áp dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện trong quá trình khởi động.
Hình 2.6: Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐM dl bằng cách thay đổi U ư
Nhận xét về ưu nhược điểm từng phương pháp
Phương pháp thay đổi tốc đồ bằng cách thay đổi điện trở phụ.
Phương pháp thay đổi điện trở phụ lắp vào phần ứng động cơ mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm tính đơn giản, chi phí thấp và khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ dễ dàng Phương pháp này thường được áp dụng để điều chỉnh tốc độ cho các phụ tải có đặc tính thế năng.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ này có nhược điểm là không triệt để, với sai số tĩnh gia tăng khi điều chỉnh sâu Phạm vi điều chỉnh hẹp và dòng phần ứng lớn dẫn đến công suất điều chỉnh cao, gây tổn hao lớn trong quá trình điều khiển Phương pháp này thường được áp dụng cho các máy nâng và vận chuyển có yêu cầu điều chỉnh tốc độ không cao.
Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi từ thông kích từ.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ này mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng điều chỉnh vô cấp và đạt được tốc độ vượt trội hơn so với tốc độ cơ bản Bên cạnh đó, phương pháp này còn giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng, tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Nhược điểm của việc điều chỉnh từ thông phi tuyến là khó khăn trong việc tính toán chính xác dòng điện điều khiển và momen tải, dẫn đến việc phương pháp này ít được sử dụng.
Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng động cơ
Phương pháp điều chỉnh triệt để vô cấp mang lại lợi ích vượt trội, cho phép điều chỉnh tốc độ một cách linh hoạt trong mọi vùng tải, bao gồm cả khi không tải lý tưởng.
- Nhược điểm: Phải cần có bộ nguồn có điện áp thay đổi được nên vốn đầu tư cơ bản và chi phí vận hành cao.
Trong đồ án này, tôi áp dụng phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng cách thay đổi điện áp mạch phần ứng sử dụng hệ T-D Phương pháp này có nhiều ưu điểm như độ tác động nhanh, dễ tự động hóa và van có hệ số khuếch đại công suất lớn, từ đó nâng cao chất lượng đặc tính tĩnh và động của hệ thống.
Phân tích các sơ đồ mạch lực
Hiện nay các sơ đồ chỉnh lưu điện áp xoay chiều thường dùng là :
+Sơ đồ cầu 1 pha có hai loại :
-Sơ đồ cầu 1 pha bán điều khiển -Sơ đồ cầu 1 pha Điều khiển toàn phần +Sơ đồ tia hai pha
+Sơ đồ tia 3 pha có hai loại :
-Sơ đồ tia 3 pha có Do
-Sơ đồ tia 3pha không có Do
+Sơ đồ cầu 3 pha có hai loại
-Sơ đồ cầu 3 pha điều khiển toàn phần -Sơ đồ cầu 3 pha bán điều khiển.
Do giới hạn của đồ án môn học, tôi không thể phân tích nguyên lý hoạt động của sơ đồ cầu 1 pha và sơ đồ tia hai pha Tuy nhiên, cả hai sơ đồ này đều có nhược điểm lớn nhất là chỉ chỉnh lưu được nửa chu kỳ, dẫn đến dạng sóng điện áp một chiều có độ đập mạnh, gây ảnh hưởng đến chất lượng điện năng.
3.1.1 sơ đồ tia 3 pha không có D o
1.Sơ đồ nguyên lý (hình 3.1) a.Giới thiệu sơ đồ
BA : Máy biến áp điện lực dùng biến đổi điện áp cao thành điện áp phù hợp với các tiristor.
T1,T2 ,T3 các tiristor có điều khiển ĐC:động cơ 1 chiều kích từ độc lập.
L :cuộn kháng lọc dùng để lọc thành phần xoay chiều. b.Nguyên lý làm việc và giản đồ điện áp ,dòng điện (hình 3.2)
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý tia 3 pha không có D o i T 3 i T 2 i T 1 u d v 4 v 3 v 2 v 1
Hỡnh 3.2: Giản đồ điện ỏp ,dũng điện tia 3 pha không có Do
Giả sử góc mở α các tiristor là như nhau hay cùng 1 Uđk
Trong khoảng thời gian 0 < ωt < υ1 thì Ua > 0 ,Ub0 và có xu hướng âm T3 đang dẫn dòng với giá trị dòng iT3 =id ,UT3 =0 còn iT1
=iT2 =0 ,UT1 =Ua -Uc,UT2 =Ub –Uc và dòng điện sơ cấp máy biến áp
Tại thời điểm υ1, khi xung điều khiển được gửi đến T1, tiristor mở và khóa điện áp ngược, dẫn đến việc các tiristor T2 và T3 cũng bị khóa Hiện tượng này xảy ra trong khoảng thời gian υ1 < ωt < υ2.
+Trên T1 có iT1 =id ,UT1 =0
+Trên T2 có iT2 =0 ,UT2 =U b-Ua (điện áp ngược )
+Trên T3 có it3 =0,UT3 =Uc -Ua(điện áp ngược)
+Điện aps trên tải U=Udo.cosα
+Dòng sơ cấp máy biến áp i A =
3 kba -Tại thời điểm υ2 cho xung tới T2 thì T2 dẫn đồng thời đặt điện áp ngược nên các tiristor T1và T3 và bị khoá cho đến thời điểm υ3
+Trên T1 có iT1 =0,uT1 =ua -ub(điện áp ngược )
+Trên T2 có iT2 =id ,uT2 =0
+Trên T3 có it3 =0,uT3 =uc-ub(điện áp ngược)
+Điện aps trên tải U=Udo.cosα
+Dòng sơ cấp máy biến áp i B =
3 kba -Tại thời điểm υ3 cho xung vào T3 thì T3 dẫn trở về trạng thái đầu
Các quá trình diễn ra lặp lại có chu kỳ bằng chu kỳ điện áp nguồn.
2.Các biểu thức tính toán cơ bản
Ud =Udo.cosα với U do = 3 √ 6
Công suất tính toán máy biến áp : S ttBA = π
Sơ đồ tia 3 pha đơn giản cho thấy các thiết bị làm việc tin cậy với tiristor có khả năng chịu điện áp ngược Ungmax = Uthmax = √6.U2, trong đó U2 là điện áp pha thứ cấp của máy biến áp Khi sử dụng bộ biến đổi, điện áp ra có phần âm do động cơ có tính chất cảm, giả thiết rằng L = ∞.
-Dòng điện sơ cấp của máy biến áp là dòng điện xoay chiều không sin và có giá trị phụ thuộc vào cách đấu dây máy biến áp.
-Mỗi tiristor chỉ dẫn dòng trong
3 T do đó tăng giảm được sự phát nhiệt quá mức.
3.1.2 Sơ đồ hình tia 3 pha có D o
1.sơ đồ nguyên lý (hình 3.3) a.giới thiệu sơ đồ
BA : Máy biến áp điện lực dùng biến đổi điện áp cao thành điện áp phù hợp với các tiristor.
T1,T2 ,T3 các tiristor có điều khiển ĐC:động cơ 1 chiều kích từ độc lập.
L :cuộn kháng lọc dùng để lọc thành phần xoay chiều. b.Nguyên lý làm việc và giản đồ điện áp ,dòng điện
Hình 3.3 Sơ đồ hình tia 3 pha có D o i D 0 i T 3 i T 2 i T 1 v 4 v 3 v 2 v 1
Hình 3.4: Giản đồ điện áp ,dòng điện tia 3 pha c Ó Do
Giả thiết rằng sơ đồ có Ld=¥ và đã được thiết lập trước khi bắt đầu xét Với sơ đồ này, tùy thuộc vào giá trị góc điều khiển a, có thể xảy ra hai trường hợp khác nhau.
Khi 30 ≤ a ≤ 0, van D0 không hoạt động, do đó sơ đồ hoạt động giống như khi không có D0, và các biểu thức tính toán sẽ tương tự như khi không có D0.
* khi 150 0 ³ a >30 0 lúc này D0 sẽ làm việc, sự làm việc của sơ đồ được tóm tắt như sau:
- từ wt=0áwt=p/3 van T3 dẫn dũng, ta cú:
+Trên T1 có iT1=0 ;uT1=uac
+Trên T2 có iT2=0 ;uT2=ubc
+Trên T3 có iT3=id ;uT3=0
+Trên Do có iDo=0; ud=uc
-cỏc khoảng :từ wt=p/3áwt =n1=p/6+a , từ wt=páwt =n2 , từ wt=5p/3áwt =n3, từ wt=7p/3áwt =n4 van D0 dẫn dũng:
+Trên T1 có iT1=0 ;uT1=ua
+Trên T2 có iT2=0 ;uT2=ub
+Trên T3 có iT3=id ;uT3=uc
+Trên Do có iDo=id; ud=0
-từ wt=n1=p/6+a áwt =p van T1 dẫn dũng:
+Trên T1 có iT1=id ;uT1=0
+Trên T2 có iT2=0 ;uT2=uba
+Trên T3 có iT3=0 ;uT3=uca
+Trên Do có iDo=0; ud=ua
-từ wt=n2áwt =5p/3 van T2 dộn dũng:
+Trên T1 có iT1=0 ;uT1=Uab
+Trên Do có iDo=0; ud=ub
- từ wt=n3áwt =7p/3 van T3 dẫn dũng và quỏ trỡnh lặp lại theo chu kỳ c.Các công thức cơ bản
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý làm việc tia 3 pha có D o t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6
Qua phân tích nguyên lý hoạt động của sơ đồ tia 3 pha, ta nhận thấy rằng dạng sóng điện áp đầu ra đã được cải thiện rõ rệt với 3 lần đập mạch trong mỗi chu kỳ điện áp nguồn, dẫn đến việc tăng điện áp ra trung bình để phù hợp với điện áp định mức của động cơ Đặc biệt, khi sử dụng thêm Do, các tirisror sẽ chịu điện áp nhỏ hơn so với khi không có Do, từ đó giúp tăng tuổi thọ cho các thiết bị.
1.Sơ đồ nguyên lý a.Gới thiệu sơ đồ (hình 3.6)
BA:biến áp điện lực
R,C tạo thành mạch bảo vệ quá gia tốc dòng và áp trên mỗi ti ristor.
T1÷T6 các tiristor có điều khiển mắc kiểu cầu ĐC:động cơ một chiều kích từ độc lập
RH ,H : điện trở và tiếp điểm khống chế mạch hảm. b.Nguyên lý làm việc và giản đồ điện áp ,dòng điện.
-Để mạch cầu làm việc cần có bộ phát xung làm việc
Theo quy luật gửi xung sau:(hình 3.7)
Hình 3.7 Quy luật gửi xung cầu 3 pha u T1 u ab u ac ? t
Trong hình 3.8, giản đồ điện áp của cầu 3 pha không có điện cảm phụ tải được xem xét với giả thiết điện cảm phụ tải vô cùng lớn (Ld=¥) Khi dòng điện liên tục, hai nhóm van trong sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha hoạt động tương tự như hai sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha tương ứng Dòng điện qua các van và điện áp trên các van hoàn toàn giống như ở các sơ đồ tia 3 pha tương ứng.
- Từ wt=0 á wt=n0 và từ wt=n5 á wt=n6 hai van T4 và T5 cựng dẫn dũng:
+Dòng điện tải và dòng điện trên các van iT1= 0 ; iT2= 0 ; iT3= 0 ; iT4=id=Id ; iT5= id=Id ; iT6 = 0 ;
+Điện áp trên tải và trên các van Tiristor ud = uc- ua= uca ; uT1= uac ; uT2= uac ; uT3= ubc ; uT4= 0 ; uT5= 0 ; uT6 = uab;
-Từ wt=n0 á wt=n1 và từ wt=n6 á wt=n7 hai van T5 và T6 cựng dẫn dũng:
+Dòng điện trên các van và trên tải iT1= 0 ; iT2= 0 ; iT3= 0 ; iT4= 0 ; iT5= id=Id ; iT6 = id=Id ;
+ Điện áp trên tải và trên các van ud = uc- ub= ucb ; uT1= uac ; uT2= ubc ; uT3= ubc ; uT4= uba ; uT5= 0 ; uT6= 0 ;
-Từ wt=n1 á wt=n2 và sau wt=n7 hai van T1 và T6 cựng dẫn dũng:
+Dòng điện trên các van và trên tải iT1= id=Id ; iT2= 0 ; iT3= 0 ; iT4= 0 ; iT5= 0 ; iT6 = id=Id ;
+Điện áp trên tải và trên các van ud = ua- ub= uab ; uT1= 0 ; uT2= ubc ; uT3= uba ; uT4= uba ; uT5= uca ; uT6 = 0 ;
-Từ wt=n2 á wt=n3hai van T1 và T2 cựng dẫn dũng:
+Dòng điện trên các van và trên tải iT1= id=Id ; iT2= id=Id ; iT3= 0 ; iT4= 0 ; iT5= 0 ; iT6 = 0 ;
+Điện áp trên tải và trên các van ud = ua- uc= uac ; uT1= 0 ; uT2= 0 ; uT3= uba ; uT4= uca ; uT5= uca ; uT6 = ucb ;
-Từ wt=n3 á wt=n4 hai van T2 và T3 cựng dẫn dũng:
+Dòng điện trên các van và trên iT1= 0 ; iT2= id=Id ; iT3= id=Id ; iT4= 0 ; iT5= 0 ; iT6 = 0 ;
+Điện áp trên tải và trên các van ud = ub- uc= ubc ; uT1= uab ; uT2= 0 ; uT3= 0 ; uT4= uca ; uT5= ucb ; uT6 = ucb ;
- Từ wt=n4 á wt=n5 hai van T3 và T4 cựng dẫn dũng:
Dòng điện trên các van được xác định với iT1=0, iT2=0, iT3=id=Id, iT4=id=Id, iT5=0, và iT6=0 Hiệu điện thế ud được tính bằng ub-ua=uba Các điện áp trên các đầu vào lần lượt là uT1=uab, uT2=uac, uT3=0, uT4=0, uT5=ucb, và uT6=uab.
Và từ wt=n7 thì sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc giống như từ wt=n1
2.Một số biểu thức tính toán
Ud =Udo.cosα với U do = 3 √ 6
Công suất tính toán máy biến áp : S ttBA =1 ,05 U d I d
Sơ đồ cầu 3 pha sử dụng 6 tiristor hoạt động như hai bộ tia 3 pha với anốt chung và nhóm katốt chung Điện áp ra của sơ đồ này mượt mà hơn so với tia 3 pha, do đó nó thường được ứng dụng trong các hệ truyền động có công suất trung bình và lớn.
Hình 2.7 Giản đồ điện áp ,dòng điện mạch cầu 3 pha
3.1.4.Sơ đồ cầu 3 pha bán điều khiển (3tiristor ,3Điốt)
1.Sơ Đồ nguyên lý (hình 3.9) a.giới thiệu sơ đồ
BA: Máy biến áp điện lực
R,C tạo thành mạch bảo vệ quá gia tốc dòng và áp trên mỗi ti ristor.
T1÷T3 các tiristor có điều khiển. ĐC :Động cơ một chiều kích từ độc lập
RH ,H : điện trở và tiếp điểm khống chế mạch khiển b.Nguyên lý làm việc và giản đồ điện áp ,dòng điện
Trong sơ đồ này người ta chỉ sử dụng một nửa sốvan là van có điều khiển, còn lại là các van không điều khiển.
Hình 3.9.Sơ đồ cầu 3 pha bán điều khiển
Trong nghiên cứu sơ đồ này, cách tiếp cận hiệu quả nhất là coi nó như sự kết nối nối tiếp của hai sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha Một trong những sơ đồ này có tích hợp điều khiển với các van.
Sơ đồ T1, T2, T3 nối katôt chung với ba điôt D1, D2, D3 mắc anôt chung tạo ra dòng tải liên tục và ổn định Trong trường hợp này, sơ đồ cầu 3 pha bán điều khiển có thể được phân tích thành hai sơ đồ hình tia 3 pha hoạt động độc lập Điện áp chỉnh lưu đầu ra của sơ đồ cầu được tính bằng tổng điện áp chỉnh lưu của hai sơ đồ tia, trong đó một sơ đồ có điều khiển và một sơ đồ không điều khiển Lưu ý rằng điện áp chỉnh lưu trung bình khi a=0 của sơ đồ cầu 3 pha gấp đôi so với sơ đồ tia.
Hình 3.10 Chu kỳ hoạt động
Ud = Ud0/2 + (Ud0/2).cosa = Ud0.(1+cosa)/2
Khi so sánh biểu thức tính điện áp chỉnh lưu Ud với biểu thức của tải thuần trở, ta nhận thấy chúng hoàn toàn tương đồng Điều này cho thấy rằng trong sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển, điện áp chỉnh lưu trung bình cho tải điện trở và dòng tải liên tục có cùng giá trị khi sử dụng một góc điều khiển nhất định.
Nhận xét: Việc sử dụng các van không điều khiển trong sơ đồ chỉnh lưu dẫn đến việc dòng điện lưới không chỉ phát sinh các sóng hài bậc lẻ mà còn bao gồm cả các sóng hài bậc chẵn.
2.Một số công thức cơ bản
U th max =U ng max = √ 6U 2 ,U Dngmax = √ 6 U 2
Công suất tính toán máy biến áp : S ttBA =1 ,05 U d I d
Để đáp ứng yêu cầu công nghệ chuyển đổi điện áp xoay chiều 3 pha thành điện áp một chiều có thể điều chỉnh cho phần ứng động cơ, các sơ đồ đã được trình bày đều khả thi Tuy nhiên, khi so sánh với yêu cầu thiết kế không đảo chiều quay động cơ và công suất không lớn, sơ đồ tia 3 pha tỏ ra là sự lựa chọn tối ưu nhất Điều này nhờ vào tính đơn giản trong sơ đồ và kênh điều khiển, cùng với chi phí đầu tư thấp hơn so với sơ đồ cầu.
Phân tích trạng thái hãm động cơ làm việc
Hãm là trạng thái mà động cơ tạo ra mômen quay ngược lại với tốc độ quay của nó Đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập, có ba phương pháp hãm chính: hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng Việc lựa chọn phương pháp hãm phù hợp với công nghệ là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất hoạt động của động cơ.
Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ vượt quá tốc độ không tải, khiến động cơ hoạt động như một máy phát điện song song với lưới điện Trong chế độ này, dòng điện và momen hãm sẽ đổi chiều, được xác định theo các biểu thức liên quan.
Trị số hãm Mh tăng dần cho đến khi đạt cân bằng với mômen phụ tải của cơ cấu, dẫn đến hệ thống hoạt động ổn định với điều kiện wođ lớn hơn wo.
Phương trình đặc tính cơ ở đoạn hãm tái sinh là:
Trong trạng thái hãm tái sinh, dòng điện hãm sẽ đổi chiều và công suất được trả về lưới với giá trị P=(E-U)I Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ tạo ra điện năng hữu ích Tuy nhiên, do bộ biến đổi không cho phép dẫn dòng ngược, hệ truyền động của chúng ta không thể thực hiện hãm tái sinh.
Hình 3.11.Đặc tính khi hãm tái sinh
Khi phần ứng của động cơ chịu tác động từ động năng tích lũy trong các bộ phận chuyển động hoặc do mômen thế năng quay ngược chiều với động cơ, mômen sinh ra sẽ chống lại chuyển động của cơ cấu sản.
+ Đưa điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng động cơ:
Phương trình đặc tính cơ: h f f h h
Hình 3.12.Đặc tính hãm ngược khi đưa điện trở phụ
*Nhận xét: Khi hãm ngược ta vẫn sử dụng điện lưới do đó sẽ không thực hiện được khi sự cố mất điện.
Khi hãm ngược đạt tốc độ v = 0, cần thiết phải có thiết bị cắt phần ứng khỏi điện áp nguồn tại điểm C Nếu không thực hiện điều này, động cơ sẽ chuyển sang làm việc ổn định với chiều quay ngược lại.
Hình 3.13 minh họa đặc tính hãm ngược khi đảo chiều điện áp phần ứng, trong đó việc đưa Rf vào nhằm hạn chế dòng điện hãm Tuy nhiên, trạng thái hãm ngược thường gây ra tổn thất lớn, làm giảm đáng kể tuổi thọ của động cơ và không thể khắc phục các sự cố như mất điện Nếu cắt điện không đúng thời điểm, quá trình hãm cũng sẽ không được thực hiện.
Do vậy trạng thái hãm này không phù hợp với yêu cầu đề tài
Hãm động năng là quá trình mà động cơ hoạt động như một máy phát, chuyển đổi năng lượng cơ học đã tích lũy trong quá trình làm việc thành điện năng Năng lượng này sau đó được tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt.
*) Hãm động năng kích từ độc lập
Ta cắt phần ứng động cơ khỏi lưới điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm, còn mạch kích từ vẫn được nối như cũ.
Tại thời điểm hãm ban đầu, tốc độ hãm ban đầu là hđ nên sức điện động ban đầu, dòng hãm ban đầu và mômen hãm ban đầu:
Và dồng điện ban đầu: h h h h h
Mô men hãm ban đầu:
Hình 3.14 Đặc tính hãm động năng kích từ độc lập
Khi f= const thì độ cứng của đặc tính cơ hãm phụ thuộc Rh Khi Rh càng nhỏ, đặc tính cơ càng cứng, mô men càng lớn, hãm càng nhanh.
Tuy nhiên cần phải chọn Rh sao cho dòng hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phộp: Ih (2á 2,5)Iđm.
Khi hãm động năng, kích từ độc lập chủ yếu sử dụng năng lượng từ động năng tích lũy của động cơ, do đó, công suất tiêu thụ chỉ tập trung trên mạch kích từ.
Phương trình cân bằng công suất khi hãn động năng:
Eư.Ih = (Rư + Rh).Ih.Ih
Phương pháp hãm tái sinh được xác định là phương pháp hãm tốt nhất qua các bước phân tích Tuy nhiên, với yêu cầu của đề tài về hệ truyền động không đảo chiều, chúng ta đã lựa chọn hãm động năng làm trạng thái hãm cho động cơ chấp hành trong hệ thống.
II.3.Chọn thiết bị bảo Sơ đồ mạch động lực
1- AB: Aptomat dùng để bảo vệ và đóng cắt mạch điện
2- MBA: Máy biến áp chỉnh lưu cung cấp điện áp phù hợp cho bộ chỉnh lưu, cách li về mặt điện giữa nguồn xoay chiều với mạch động lực bộ chỉnh lưu. 3- R,C: Các điện trở và điện dung dùng để bảo vệ quá gia tốc điện áp qua các van.
4- CK: Cuộn kháng san bằng được mắc nối tiếp với mạch động lực để san bằng dòng điện qua phụ tải.
5- RH: Điện trở dùng để hãm động năng, làm giảm thời gian hãm và dòng điện hãm cho động cơ.
Phân tích nguyên nhân gây ra hỏng và phương pháp bảo vệ tiristor
Khi các van chỉnh lưu hoạt động, sẽ xảy ra sụt điện áp trên van dẫn đến tổn thất công suất, biến thành nhiệt và làm nóng cấu trúc bán dẫn của van Để tránh việc van quá nhiệt, cần áp dụng các biện pháp tản nhiệt hoặc làm mát, giúp truyền nhiệt sinh ra trong van ra môi trường xung quanh.
- Dùng cánh tản nhiệt bằng nhôm hoặc bằng đồng (thường dùng nhôm vì rẻ và nhẹ) đối với các trường hợp dòng nhỏ.
- Dùng cánh tản nhiệt bằng nhôm hoặc đồng kết hợp quạt gió làm mát cho các trường hợp dòng nhỏ và trung bình.
Sử dụng cánh tản nhiệt bằng nhôm hoặc đồng kết hợp với bơm chất lỏng làm mát là giải pháp hiệu quả cho các hệ thống có dòng trung bình và lớn Chất lỏng làm mát có thể là nước cất cho điện áp thấp hoặc dầu cách điện cho điện áp cao Để bảo vệ bộ chỉnh lưu khỏi quá tải, cần sử dụng rơ le nhiệt hoặc aptomat có cơ cấu cắt theo nhiệt, tương tự như các thiết bị điện khác.
Để bảo vệ bộ chỉnh lưu khỏi tình trạng ngắn mạch, chúng ta cần sử dụng cầu chì tác động nhanh hoặc áp-tô-mát có cơ cấu cắt nhanh bằng điện từ.
+Bảo vệ quá tốc độ tăng của dòng qua van diT/dt
Khi xảy ra hiện tượng quá diT/dt đối với van, cần nối tiếp các van với các điện cảm có giá trị nhỏ Thực tế, các điện cảm này thường được mắc nối tiếp trong mạch nguồn xoay chiều Đối với sơ đồ chỉnh lưu sử dụng biến áp cung cấp, chỉ cần chọn máy biến áp có điện áp ngắn mạch phần trăm lớn (từ 7% đến 10%) để bảo vệ các van khỏi hiện tượng quá diT/dt.
+Bảo vệ quá điện áp cho các van bộ biến đổi
*Các nguyên nhân gây nên quá áp cho các van
TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ
Khi so sánh biểu thức tính điện áp chỉnh lưu trung bình Ud với tải thuần trở, ta nhận thấy chúng hoàn toàn tương đồng Điều này cho thấy trong sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển, điện áp chỉnh lưu trung bình khi tải điện trở và khi dòng tải liên tục đều giống nhau, miễn là giá trị góc điều khiển được giữ nguyên.
Khi sơ đồ chỉnh lưu hoạt động, việc sử dụng các van không điều khiển dẫn đến dòng điện lưới không chỉ chứa sóng hài bậc lẻ mà còn có cả sóng hài bậc chẵn.
2.Một số công thức cơ bản
U th max =U ng max = √ 6U 2 ,U Dngmax = √ 6 U 2
Công suất tính toán máy biến áp : S ttBA =1 ,05 U d I d
Để biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha thành điện áp một chiều có thể điều chỉnh cho phần ứng động cơ, các sơ đồ đều đáp ứng yêu cầu Tuy nhiên, khi so sánh với yêu cầu thiết kế không đảo chiều quay động cơ và công suất không lớn, sơ đồ tia 3 pha là lựa chọn tối ưu nhất Sơ đồ này có thiết kế và kênh điều khiển đơn giản hơn so với sơ đồ cầu, đồng thời có chi phí đầu tư thấp nhất.
3.2.Phân tích trạng thái hãm động cơ làm việc
Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược lại với tốc độ quay của nó Đối với động cơ điện một chiều có kích từ độc lập, có ba phương pháp hãm chính: hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng Việc lựa chọn phương pháp hãm phù hợp với công nghệ là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và an toàn cho hệ thống.
Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ vượt quá tốc độ không tải, khiến động cơ hoạt động như một máy phát điện song song với lưới điện Trong chế độ này, dòng điện và mô-men hãm sẽ đảo chiều, được xác định theo một biểu thức cụ thể.
Trong hệ thống, trị số hãm Mh tăng dần cho đến khi đạt đến mức cân bằng với mômen phụ tải của cơ cấu Khi điều này xảy ra, hệ thống sẽ hoạt động ổn định với điều kiện wođ lớn hơn wo.
Phương trình đặc tính cơ ở đoạn hãm tái sinh là:
Trong trạng thái hãm tái sinh, dòng điện hãm sẽ đổi chiều và công suất được trả về lưới với công thức P=(E-U)I Phương pháp này được coi là hãm kinh tế nhất vì động cơ có khả năng sinh ra điện năng hữu ích Tuy nhiên, do bộ biến đổi không cho phép dẫn dòng ngược, hệ truyền động của chúng ta không thể thực hiện hãm tái sinh.
Hình 3.11.Đặc tính khi hãm tái sinh
Xảy ra hiện tượng khi phần ứng của động cơ chịu tác động từ động năng tích lũy trong các bộ phận chuyển động hoặc do mômen thế năng quay ngược chiều với động cơ Lúc này, mômen của động cơ tạo ra sẽ chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản.
+ Đưa điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng động cơ:
Phương trình đặc tính cơ: h f f h h
Hình 3.12.Đặc tính hãm ngược khi đưa điện trở phụ
*Nhận xét: Khi hãm ngược ta vẫn sử dụng điện lưới do đó sẽ không thực hiện được khi sự cố mất điện.
Khi hãm ngược đạt tốc độ v = 0, cần thiết phải cắt phần ứng khỏi điện áp nguồn tại điểm C Nếu không, động cơ sẽ chuyển sang hoạt động ổn định với chiều quay ngược lại.
Hình 3.13 minh họa đặc tính hãm ngược khi đảo chiều điện áp phần ứng Việc đưa Rf vào nhằm hạn chế dòng điện hãm, nhưng trạng thái hãm ngược thường gây tổn thất lớn, làm giảm tuổi thọ động cơ Ngoài ra, nó không thể khắc phục sự cố như mất điện, và nếu cắt điện không đúng thời điểm, sẽ không thực hiện được.
Do vậy trạng thái hãm này không phù hợp với yêu cầu đề tài
Hãm động năng là quá trình mà động cơ hoạt động như một máy phát, chuyển đổi năng lượng cơ học đã tích lũy trong quá trình vận hành thành điện năng Năng lượng này sau đó được tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt.
*) Hãm động năng kích từ độc lập
Ta cắt phần ứng động cơ khỏi lưới điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm, còn mạch kích từ vẫn được nối như cũ.
Tại thời điểm hãm ban đầu, tốc độ hãm ban đầu là hđ nên sức điện động ban đầu, dòng hãm ban đầu và mômen hãm ban đầu:
Và dồng điện ban đầu: h h h h h
Mô men hãm ban đầu:
Hình 3.14 Đặc tính hãm động năng kích từ độc lập
Khi f= const thì độ cứng của đặc tính cơ hãm phụ thuộc Rh Khi Rh càng nhỏ, đặc tính cơ càng cứng, mô men càng lớn, hãm càng nhanh.
Tuy nhiên cần phải chọn Rh sao cho dòng hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phộp: Ih (2á 2,5)Iđm.
Khi hãm động năng trong hệ thống kích từ độc lập, năng lượng chủ yếu được tạo ra từ động năng tích lũy của động cơ Do đó, công suất tiêu thụ chỉ tập trung trên mạch kích từ.
Phương trình cân bằng công suất khi hãn động năng:
Eư.Ih = (Rư + Rh).Ih.Ih
Phương pháp hãm tái sinh được xác định là phương pháp hãm tốt nhất qua các bước phân tích Tuy nhiên, do yêu cầu của đề tài là hệ truyền động không đảo chiều, chúng ta quyết định chọn hãm động năng làm phương pháp hãm cho động cơ chấp hành trong hệ thống.
II.3.Chọn thiết bị bảo Sơ đồ mạch động lực
1- AB: Aptomat dùng để bảo vệ và đóng cắt mạch điện
2- MBA: Máy biến áp chỉnh lưu cung cấp điện áp phù hợp cho bộ chỉnh lưu, cách li về mặt điện giữa nguồn xoay chiều với mạch động lực bộ chỉnh lưu. 3- R,C: Các điện trở và điện dung dùng để bảo vệ quá gia tốc điện áp qua các van.
4- CK: Cuộn kháng san bằng được mắc nối tiếp với mạch động lực để san bằng dòng điện qua phụ tải.
5- RH: Điện trở dùng để hãm động năng, làm giảm thời gian hãm và dòng điện hãm cho động cơ.
Phân tích nguyên nhân gây ra hỏng và phương pháp bảo vệ tiristor
Khi van chỉnh lưu hoạt động, sẽ xảy ra sụt điện áp, dẫn đến tổn thất công suất và tạo ra nhiệt, làm tăng nhiệt độ của cấu trúc bán dẫn Để ngăn chặn van quá nhiệt, cần áp dụng các biện pháp tản nhiệt, giúp truyền nhiệt ra môi trường xung quanh.
- Dùng cánh tản nhiệt bằng nhôm hoặc bằng đồng (thường dùng nhôm vì rẻ và nhẹ) đối với các trường hợp dòng nhỏ.
- Dùng cánh tản nhiệt bằng nhôm hoặc đồng kết hợp quạt gió làm mát cho các trường hợp dòng nhỏ và trung bình.
Tính chọn thiết bị mạch điều khiển
4.4.1.Tính chọn biến áp xung (BAX)
Yêu cầu đối với BAX là tạo ra xung theo tiêu chuẩn, cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực, đồng thời dễ dàng phân phối xung đến các cực điều khiển của Tiristor.
- Chọn tỷ số biến áp của BAX: Thông thường BAX được thiết kế có tỷ số biến ỏp là n =2á 3 vậy chọn n=2.
Khi tính toán với BAX với n=2, các thông số xung cần tạo ra bao gồm Ig=0,42 A, Ug (V) và độ rộng xung điều khiển là Tx = 600 ms (tương đương 6.10^-4 s) Mạch từ của BAX được chọn với vật liệu '330, loại chữ E, có 3 trụ hoạt động trên một phần của đặc tính từ hóa DB=0,7 T.
4.4.2.Tính chọn Tranzitor tầng khuếch đại cuối cùng
Tầng khuếch đại xung sử dụng các tranzitor được mắc theo cấu hình cầu Để chọn Dalingtor, cần dựa vào các thông số của biến áp xung, cụ thể là u1 (v) và dòng điện I1=I2=0,21 (A) Tranzitor Tr1 hoạt động ở chế độ xung, và loại được chọn là P605 với các thông số kỹ thuật phù hợp.
Ta chon b ị IB1=IC/b =0,21/20 =0,01(A) (mA).
Để giảm thiểu mất đối xứng của xung, nên sử dụng dòng IB nhỏ và thêm tầng khuếch đại trung gian Tr2 hoạt động ở chế độ khuếch đại Loại Mp25 có các thông số kỹ thuật đáng chú ý.
VCE@ (v), ICmax= 300(mA), b á 25, chọn Tr2 cú hệ số b
4.4.3 Tính chọn máy biến áp đồng pha
Máy biến áp đồng pha (BAĐ) được sử dụng là máy biến áp 1 pha điện áp đặt vào sơ cấp là 220 (v), phía thứ cấp có điện áp hiệu dụng u2 (v).
4.4.4 Chọn các Tranzitor ở mạch điều khiển ở mạch tạo xung chữ nhật đồng pha khóa khống chế mạch tích phân và Tranzitor mạch sửa xung chọn loại KT201A có các thông số kỹ thuật sau
V = 20 (v), V = 20 (v), I = 30 (mA), b = 20 á 60, cụng suất tiờu tỏn p 4.4.5 Các vi mach khuếch đại thuật toán trong mạch tích phân
Trong mạch so sánh, việc tạo điện áp răng cưa sử dụng vi mạch mA741 với các thông số kỹ thuật đặc trưng là rất quan trọng Tụ điện được sử dụng để tạo ra điện áp răng cưa trong mạch tích phân, giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác của hệ thống.
Các thông số kỹ thuật của vi mạch mA741
A0 100 Hệ số khuếch đại điện áp hở mạch
Zmin 1MW Trở nháy vào
Ib 200 mA Dòng điện phần cực vào
Vminv ± 13 v Điện áp vào cực đại
Vminr ± 14 v Điện áp ra cực đại
Vc0 2 mvi Điện áp lệch đầu vào
Ung ± 0,4 mv Ngưỡng điện áp bão hòa
USmax ± 18 v Điện áp nguồn cực đai f0 1MHZ tần số cắt