Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay

và có những thay đổi đáng kể. Đặc biệt do công nghệ sẩn xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyện động diện không những đáp ứng được độ nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thước giá thành của hệ. Một trong các hệ đó là hệ truyền động của động cơ điện một chiều. Do ưu điểm của động cơ một chiều về điều chỉnh tốc độ nên hiện nay động cơ điện một chiều được sử dụng rộng rãi đặc biệt trong các lĩnh vực như giao thông vận tải, cơ khí luyện kim… vì vậy việc điều khiển động cơ điện một chiều là một trong những vấn đề quan trọng trong lĩnh vực truyền động điện. Để điều khiển động cơ điện thì có rất nhiều hệ như MF- ĐC, Hệ XA- ĐC, CL-ĐC. Đối với mỗi hệ lại có những ưu nhược điểm riêng. Khí chế tạo các thiết bị điện tử công suất đòi hỏi có những kiến thức không chỉ mạch động lực mà còn những kiến thức về mạch điều khiển và tính chọn các thiết bị thế nào cho hợp lý cũng rất cần thiết. Vì thế việc tìm hiều một cách tỷ mỷ về lĩnh vực điện tử công suất là việc cần thiết, nên trong đề tài của em “Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay” được trình bày gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ. Chương 2: Lựa chọn thiết kế mạch động lực. Chương 3: Lựa chọn thiết kế mạch điều khiển. Chương 4: Thiết kế vòng kín theo nguyên lý tối ưu hóa module. Do hạn chế về nhiều mặt nên để tài không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự góp ý, nhận xét của các thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo: Nguyễn Vũ Thanh, các thầy cô trong bộ môn TBĐ - ĐT, khoa SPKT và các bạn cùng khóa đã nhiệt tình, quan tâm, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án này. Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2009. Sinh viên Ngô Thị Nguyệt Anh. Mục lục Danh sách hình vẽ H.1.1: Sơ đồ nối dây của động cơ điện kích từ độc lập 8 H.1.2: Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 10 H.1.3: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 10 H.1.4: Các đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi thay đổi Rf mạch điện phần ứng 12 H.1.5: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông 14 H.1. 6. Các đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập 15 H.2.1 Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi van 20 H.2-2 Đặc tính cơ của động cơ trong hệ CL- Đ 22 H.2.3. Chỉnh lưu tia ba pha 25 H.2.4. Đường cong điện áp tải khi góc mở a = 600 26 H.2.5. Chỉnh lưu tia sáu pha. 27 H.2.6 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng 29 H.2.7 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng 31 H.2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực 33 H.2.9 Các bậc thang ghép thành trụ 41 H.2.10 Kết cấu mạch từ cuộn kháng 52 H.2.11 .Mạch động lực có các thiết bị bảo vệ . 56 H.2.12 .Mạch R_C bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch . 59 H.2.13 .Mạch RC bảo vệ quá điện áp từ lưới . 59 H.2.14 Mạch cầu ba pha dùng điôt tải RC bảo vệ do cắt MBA non tải. 59 H.3.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos 63 H.3.2 Nguyên lý điều khiển chỉnh lưu 64 H.3.3 Sơ đồ mạch điều khiển 65 H.3.4: Hình dạng xung điều khiển Thyristor. 65 H.3.5 Sơ đồ đấu dây biến áp đồng pha 67 H.3.6 Khâu đồng pha dùng KĐTT 68 H.3.7 Sơ đồ các khâu so sánh thường gặp 70 H.3.8 Một số sơ đồ chùm xung 72 H.3.9 Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm 73 H.3.10 Sơ đố các khâu khuếch đại 78 H.3.11 Sơ đồ mạch điều khiển 81 H.3.12 .Sơ đồ nguyên lí tạo nguồn nuôi 81 H.3.13 .Kích thước mạch từ biến áp 83 Mở đầu Tên đề tài. Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay. Lý do chọn đề tài . Trong những năm gần đây kỹ thuật điện tử và bán dẫn công suất lớn phát triển mạnh mẽ, các thiết bị điện tử công suất có nhiều ưu điểm: có khả năng điều khiển rộng, có chỉ tiêu kinh tế cao, kích thước và trọng lượng thấp, độ tin cậy và độ chính xác cao… ứng dụng của chúng vào việc biến đổi năng lượng là điều khiển điện áp và dòng điện xoay chiều thành một chiều và ngược lại ngày càng sâu, rộng. Khi chế tạo các thiết bị điện tử công suất đòi hỏi có những kiến thức không chỉ mạch động lực mà cả kiến thức về mạch điều khiển và tính chọn các thiết bị thế nào cho hợp lý cũng rất cần thiết Hiện nay động cơ một chiều được sử dụng rộng rãI trong các lĩnh vực như giao thông vận tải, cơ khí, ….do có ưu điểm về ổn định tốc độ. Vì vậy việc điều khiển động cơ một chiều là một trong những vấn đề quan trọng trong truyền động điện. Vì vậy trong đồ án này tôi đi nghiên cứu về “ Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập” để làm rõ hơn về động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Hy vọng đề tài này sẽ giúp ích cho các bạn đang và muốn nghiên cứu về động cơ một chiều. Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay. Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay. Nhiệm vụ nghiên cứu Thiết kế mạch động lực cho động cơ điện một chiều Thiết kế mạch điều khiển cho động cơ điện một chiều Thiết kế mạch vòng kín theo nguyên lý tối ưu module ổn định tốc độ Phạm vi nghiên cứu Đề tài “ Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay” dành cho sinh viên chuyên ngành điện các trường trung học chuyên nghiệp và cao đẳng, đại học và các trung tâm đào tạo nghề điện. Phương pháp nghiên cứu Tổng hợp và phân tích lý thuyết làm cơ sở thiết kế mạch động lực và mạch điều khiển phù hợp với thông số yêu cầu, qua đó thiết kế mạch vòng kín theo nguyên lý tối ưu module điểu khiển để ổn định động cơ. Dự kiến kết cấu nội dung. Dự kiến kết cấu nội dung của đề tài gồm 4 chương: Chương 1 Tổng quan về các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ Chương này trình bày về động cơ một chiều và các phương pháp điều chỉnh tốc độ của chúng. Chương 2 Lựa chọn thiết kế mạch động lực Chương này trình bày về các sơ đồ mạch động lực từ đó lựa chọn mạch động lực phù hợp, qua đó đi tính toán sơ đồ mạch. Chương 3 Thiết kế mạch điều khiển Chương này trình bày về nhiệm vụ, yêu cầu và nguyên tắc hoạt động của mạch điều khiển qua đó lựa chọn mạch điều khiển đưa ra các thông số để tính toán mạch phù hợp với yêu cầu của đề bài. Chương 4: Thiết kế mạch vòng kín theo nguyên lý tối ưu module Chương này sẽ trả lời cho câu hỏi: Thế nào là nguyên lý tối ưu module? Mục đích làm gì? Xây dựng các hàm truyền thế nào? Kết quả mô phỏng matlap ra sao? Dự kiến kết quả nghiên cứu Thiết kế mạch động lực, mạch điều khiển phù hợp với yêu cầu đặt ra. Thiết kế mạch vòng theo nguyên lý tối ưu module để ổn định động cơ. Lĩnh vực ứng dụng Là tài liệu học tập cho sình viên ngành điện tìm được lời giải cần thiết khi nhận một bài toán thiết kế các bộ nguồi điện tử công suất. Là tài liệu tham khảo cho các kỹ sư và các cán bộ nghiên cứu khi thiết kế, lắp đặt, sửa chữa, vận hành các thiết bị điện tử công suất Chương 1Tổng quan về các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ 1.1. Động cơ một chiều và các phương trình đặc tính cơ 1.1.1. Động cơ một chiều Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn dùng rất phổ biến ở các hệ thống truyền động chất lượng cao, trong công nghiệp, giao thông vận tải và nói chung ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một phạm vi rộng (máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện ...) Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm có các dây quấn phần cảm và phần ứng. Các dây quấn phần cảm có dòng điện một chiều tạo nên từ trường và từ thông cực từ f qua phần ứng. Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp. Kết cấu của cổ góp gồm có nhiều phiến đồng có đuôi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mi ca và hợp thành một trụ tròn . Chức năng của vành góp và các chổi điện là để làm khép mạch dòng điện trong các thanh dẫn phần ứng, dưới một cực nào đó, theo một chiều đã cho, không phụ thuộc vào tốc độ đã cho . Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực , mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc rộng . 1.1.2. Phương trình đặc tính U KT Rf Ikt U =Eư + (Rư + Rf)Iư (1-1) Trong đó : Uư : điện áp phần ứng (v) Eư : sức điện động phần ứng (v) Rư : điện trở của mạch phần ứng (V) Rf : điện trở phụ trong mạch phần ứng, (V) Iư : dòng điện mạch phần ứng Với Rư = rư + rcf + rb + rct rư : điện trở cuộn dây phần ứng rcf : điện trở cuộn cực từ phụ rb : điện trở cuộn bù rct : điện trở tiếp xúc của chổi điện Sức điện động Eư của phần ứng của động cơ được xác định theo biểu thức: (1-2) 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 dây quấn phần ứng F : từ thông kích từ dưới một cực từ (wb) w : tốc độ góc,(rad/s) là hệ số cấu tạo của động cơ Từ (1 - 1) và (1 - 2) ta có : (1 -3) Biểu thức (1 -3) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ Mặt khác mô men điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi : Mđt= KFIư (1 - 4) Suy ra: Thay giá trị Iư vào (1 - 3) ta được: (1 - 5) Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất sắt thì mô men cơ trên trục động cơ bằng mô men điện từ, ta kí hiệu là M. Nghĩa là Mđt = Mcơ = M Đây là phưong trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. (1 - 6) Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thông f = const, thì các phương trình đặc tính cơ điện (1 - 3) và đặc tính cơ (1 - 6) là tuyến tính . Đồ thị của chúng được biểu diễn trên H. 1-2 và H. 1-3 là những đường thẳng. wđm w0 w Iđm I 0 Inm wđm w0 w Mđm M 0 Mnm Hình 1-2. Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ kích độc lập Hình 1-3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ kích độc lập Theo các đồ thị trên, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có : Theo các đồ thị trên, khi hoặc M=0 ta có: = (1 - 7) wo - được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ, còn khi w = 0 ta có : M=KFInm (1 - 8) (1 - 9) Inm , Mnm : là dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch . Mặt khác phương trình đặc tính (1- 3) và (1 - 6) cũng có thể được viết ở dạng: (1-10) Trong đó: R = Rư + Rf , wo = Uư / K.f (1 -11) Dw : là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị tương đối với điều kiện từ thông là định mức (f = fđm). Trong đó: w* = w/wo , I* = I / Iđm , M* = M / Mđm, R* = R / Rcb , (Rcb = Uđm / Iđm- được gọi là điện trở cơ bản) Từ (1 - 3) và (1 - 6) ta viết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vị tương đối: w*=1-R*.I* (1 - 12) w* = 1 - R*. M* (1 - 13) 1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều Từ phương trình đặc tính cơ (1 - 6) ta thấy rằng việc điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều có thể thực hiện được bằng cách thay đổi một trong ba đại lượng sau: Điện trở phụ trên mạch phần ứng Thay đổi từ thông Thay đổi điện áp phần ứng 1.2.1. Thay đổi điện trở phụ Giả thiết rằng Uư = Uđm = const và f = fđm = const . Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng . Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng: (1 – 14) Độ cứng của đặc tính cơ : (1 - 15) w0 w TN M 0 Mnm Rf1 Rf2 Rf3 Khi Rf càng lớn , b càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc, ứng với Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên . Hình .1 - 4. Các đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi thay đổi Rf mạch phần ứng (1 - 16) bTN có giá trị lớn nhất nên đặc cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ . Như vậy khi thay đổi điện trở phụ Rf ta được một họ đặc tính biến trở có dạng như H.1 - 4. Ưng với một phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện ngắn mạch khi khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản. Giao điểm của các đường đặc tính trên với đường Mc = f(v) cho biết trị số tốc độ xác lập khi điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở phụ Rf . 1.2.2. Thay đổi từ thông Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm = const. Điện trở phần ứng Rư = const. Muốn thay đổi từ thông f ta thay đổi dòng điện kích từ Ikt động cơ Trong trường hợp này : Tốc độ không tải : vox = Uđm / K fx = var Độ cứng đặc tính cơ : b = - (K fx)2 / Rư = var Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Vì vậy khi từ thông giảm thì vox tăng, còn b sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cơ với vox tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông như H.1 -5 w0 w02 w 0 Mnm2 w01 F2 Fđm F1 Mc M Mnm1 Mnm F2 < F1 < Fđm Hình1 - 5. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông . Mnm = K. fx. Inm = var Và Inm = Uđm / Rư = const Với dạng mômen phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên . Do điều kiện đổi chiều, lực ly tâm, các động cơ thông dụng hiện nay có thể điều chỉnh tốc độ quay bằng phương pháp này trong giới hạn 1: 2. Cũng có thể sản xuất ra những động cơ giới hạn điều chỉnh 1 : 5 thậm chí 1 : 8 nhưng phải dùng những phương pháp khống chế đặc biệt. Do đó cấu tạo và công nghệ phức tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên. 1.2.3. Thay đổi điện áp phần ứng. Phương pháp này thường chỉ áp dụng được đối với động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp hoặc động cơ điện kích từ song song làm việc ở chế độ kích từ độc lập. Bởi vì đối với động cơ kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp thì khi thay đổi điện. M(Iư) w0 w01 w02 w03 TN Uđm U1 U2 U3 Mc 0 áp phần ứng đặt vào động cơ thì điện áp kích từ cũng thay đổi dẫn đến từ thông f thay đổi.Uđm > U1 > U2 > U3 Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên Như H.1 - 6. Hình 1 . 6. Các đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập Chú ý: khi giảm áp đặt vào phần ứng động cơ :Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mô men ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Nói chung vì không cho phép vượt quá điện áp định mức nên việc điều chỉnh tốc độ trên tốc độ định mức không được áp dụng hoặc chỉ được thực hiện trong một phạm vi rất hẹp. Phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện ngắn mạch khi khởi động . 1.2.4. Nhận xét chung về các phương pháp Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông f được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi được tốc độ liên tục và kinh tế. Trong quá trình điều chỉnh, hiệu suất h = const vì sự điều chỉnh dựa trên sự tác dụng lên mạch kích thích có công suất rất nhỏ so với công suất của động cơ. Cần chú ý rằng, bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức với điện áp định mức và kích thích tối đa (f = fmax) nên chỉ có thể điều chỉnh theo chiều hướng giảm f, tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức. Hơn nữa việc điều chỉnh từ thông không hạn chế được dòng điện ngắn mạch khi khởi động (Iư =U \ Rư ). Chính vì điều đó mà giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đổi chiều dòng điện của máy điện . Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng Rư, chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độ quay định mức và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện, vì vậy phương pháp này chỉ được áp dụng ở những động cơ điện có công suất lớn và trung bình, cụ thể trên thực tế thường dùng đối với động cơ điện trong cần trục. Phương pháp điều chỉnh tốc độ quay bằng cách thay đổi điện áp phần ứng cũng chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay dưới tốc độ định mức vì không thể nâng cao điện áp lớn hơn điện áp định mức của động cơ điện. Ưu điểm của phương pháp này là không gây thêm tổn hao trong động cơ điện, có thể thay đổi tốc độ được vô cấp. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi phải có nguồn riêng có điện áp điều chỉnh được. Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, việc tạo ra các loại nguồn điện một chiều có thể điều khiển được không còn là một vấn đề phức tạp. Các nguồn điện một chiều như chỉnh lưu, băm áp … ngày càng trở nên thông dụng. Việc ứng dụng các bộ nguồn này vào lĩnh vực điều khiển động cơ điện một chiều là rất hợp lý và thuận tiện. Ưu điểm của các bộ nguồn này là có độ tác động nhanh, kích thước gọn nhẹ, công suất lắp đặt nhỏ, giá thành hợp lý. Do những ưu điểm nổi bật trên và sự phù hợp với yêu cầu đầu bài đã cho nên phương pháp điều chỉnh tốc độ được dùng ở đây là phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng đặt vào động cơ. CHƯƠNG 2lựa chọn thiết kế mạch động lực 2.1. Chọn sơ đồ mạch động lực 2.1.1. Điều chỉnh tốc độ truyền động điện Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản xuất. Điều chỉnh tốc độ truyền động điện là dùng các phương pháp thuần tuý điện, tác động lên bản thân hệ thống truyền động điện (nguồn và động cơ điện ) để thay đổi tốc độ quay của trục động cơ điện. Tốc độ làm việc của truyền động điện do công nghệ yêu cầu và được gọi là tốc độ đặt, hay tốc độ mong muốn. Trong quá trình làm việc, tốc độ của động cơ thường bị thay đổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do đó gây ra sai lệch tốc độ thực so với tốc độ đặt. Trong các hệ truyền động điện tự động thường dùng các phương pháp khác nhau để ổn định tốc độ động cơ. Để đánh giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cơ bản, các chỉ tiêu này cũng được tính đến khi thiết kế hoặc chỉnh định các hệ thống truyền động điện . Sai số tốc độ Sai số tĩnh tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt và thường được tính theo phần trăm. trong đó : wđ- là tốc độ đặt w - là tốc độ làm việc thực Độ trơn của điều chỉnh tốc độ Độ trơn của điều chỉnh tốc độ được định nghĩa : Trong đó: wi : giá trị tốc độ ổn định đạt được ở cấp i wi+1: giá trị tốc độ ổn định đạt được ở cấp kế tiếp (i + 1) Từ chỉ tiêu độ trơn của điều chỉnh tốc độ ta có thể phân loại : Hệ điều chỉnh vô cấp nếu g = wi+1 / wiđ1, tức là hệ truyền động có thể làm việc ổn định ở mọi giá trị trong suốt dải điều chỉnh. Hệ điều chỉnh có cấp nếu nó chỉ có thể làm việc ổn định ở một số giá trị của tốc độ trong dải điều chỉnh. Dải điều chỉnh tốc độ Dải điều chỉnh hay phạm vi điều chỉnh là tỷ số giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với mô men tải đã cho : Gía trị tốc độ cực đại wmax bị hạn chế bởi độ bền cơ học của động cơ và với động cơ điện một chiều nó còn bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của vành góp. Tốc độ nhỏ nhất wmin bị chặn dưới bởi yêu cầu về mô men khởi động, về khả năng quá tải và về sai số tốc độ làm việc cho phép. Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và điều chỉnh tải Với các động cơ điện một chiều và xoay chiều thì chế độ làm việc tối ưu thường là chế độ định mức của động cơ. Để sử dụng tốt động cơ khi điều chỉnh tốc độ cần lưu ý đến các chỉ tiêu như: dòng điện động cơ không vượt quá dòng điện định mức, đảm bảo khả năng quá tải về mômen (trong khoảng thời gian ngắn), đảm bảo yêu cầu về ổn định tĩnh khi có nhiễu…trong toàn dải điều chỉnh. Vì vậy khi thiết kế hệ truyền động có điều chỉnh tốc độ, người ta thường chọn hệ truyền động cũng như phương pháp điều chỉnh sao cho đặc tính điều chỉnh của hệ bám sát yêu cầu đặc tính của tải. Nếu đảm bảo được điều kiện này, thì tổn thất trong quá trình điều chỉnh sẽ là nhỏ nhất. Chỉ tiêu kinh tế và các chỉ tiêu khác Chỉ tiêu kinh tế có ý nghĩa quan trọng, nhiều khi là chỉ tiêu quyết định cho việc chọn các phương án điều chỉnh. Chỉ tiêu kinh tế thể hiện ở vốn đầu tư, chi phí vận hành hệ thống và ở hiệu quả do áp dụng phương pháp điều chỉnh đem lại. Trong chi phí vận hành thì tổn thất năng lượng khi biến đổi và khi điều chỉnh đóng vai trò quan trọng, ngoài ra hệ số công suất cosj của hệ thống cũng góp phần ảnh hưởng không nhỏ đến chi phí vận hành. Ngoài các chỉ tiêu chung đã nêu ở trên, trong từng trường hợp cụ thể còn dùng các chỉ tiêu khác nữa để đánh giá hệ truyền động điện, ví dụ độ trơn điều chỉnh, khả năng tự động hoá hệ thống. Việc đánh giá chung hệ truyền động điện là bài toán tối ưu đa mục tiêu, tuỳ từng trường hợp có thể chọn ra các chỉ tiêu ưu tiên để quyết định chọn lựa các phương án điêù chỉnh 2.1.2. Khảo sát hệ truyền động chỉnh lưu _ động cơ Sơ đồ nguyên lý và phương pháp điều chỉnh Bộ biến đổi van điều khiển là một bộ nguồn điện áp một chiều. Khi nối vào mạch phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập ta sẽ được một hệ thống van_động cơ theo sơ đồ sau: H.2.1 Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi van Bộ biến đổi van -động cơ trực tiếp biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều có thể điều chỉnh được để cung cấp cho mạch phần ứng động cơ. Một bộ biến đổi van có thể bao gồm: máy biến áp lực, tổ van, kháng lọc, thiết bị bảo vệ và hệ thống diều khiển. Trong đó máy biến áp điện lực dùng để biến đổi điện áp lưới cho phù hợp với cấp điện áp của động cơ. Ngoài ra còn biến đổi số pha, tạo điểm trung tính khi cần thiết, hạn chế biên độ của dòng ngắn mạch giảm tốc độ, tăng dòng trong van và cải thiện dạng sóng dòng điện nhận từ lưới. Kháng lọc có tác dụng lọc thành phần dòng điện xoay chiều, hạn chế vùng dòng điện gián đoạn và hạn chế vùng dòng điện cân bằng với nhữnh hệ chỉnh lưu có đảo chiều. Hệ thống điều khiển có tác dụng tạo ra các xung điều khiển với góc mở a điều khiển được. Tổ van thường là bộ chỉnh lưu tiristo có điều khiển, có suất điện động Eb phụ thuộc vào giá trị của pha xung điều khiển với thời điểm đặt xung áp điều khiển đã chọn ta ( Wta = a) lên các van. Tuỳ theo yêu cầu mà ta có thể dùng nguồn chỉnh lưu thích hợp như: chỉnh lưu một pha, sáu pha, chỉnh lưu cầu, chỉnh lưu tia. Với hệ biến đổi van đông cơ có một số đặc điểm: về ưu điểm của chỉnh lưu động cơ là: độ tác động nhanh, cao, không gây ồn và dễ tự động. Do các van có hệ số khuếch đại cao nên có thể thiết lập hệ tự động vòng kín để mở rộng dải điều chỉnh và cải thiện các đặc tính làm việc của hệ. Bên cạnh đó hệ CL- Đ còn có những nhược điểm là: do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lưu có biên độ đập mạch cao làm gây tổn thất phụ trong máy điện và ở các truyền động có công suất lớn còn làm xấu dạng điện áp lưới xoay chiều. Ngoài ra khả năng linh hoạt chuyển đổi trạng thái làm việc không cao, hệ đảo chiều phức tạp, hệ số quá tải về dòng và áp của các van kém, hệ số cosj nói chung là thấp tuy nhiên do những ưu điểm nói trên hệ CL- Đ hiện nay trên thực tế dùng rất rộng rãi. Các chế độ dòng điện Chế độ dòng liên tục ở chế độ dòng điện liên tục dựa vào sơ đồ thay thế Hình 2-8 để viết phương trình đặc tính cơ : Đói với van bán dẫn nên có thể bỏ qua. Từ (2-2) ta thấy khi thay đổi góc mở a từ 0 đến 1800 suất điện động của bộ biến đổi sẽ biến thiên từ +Ebm đến -Ebm và ta sẽ được một họ đường thẳng song song có độ cứng b và tốc độ không tải w0, M BLT w 03 w 02 w 0 max w w 0 w max - 0 max w - BLT I 0 Hình 2-2 Đặc tính cơ của động cơ trong hệ CL- Đ Nhận thấy đặc tính cơ của hệ CL- Đ mềm hơn đặc tính cơ tự nhiên và đặc mềm hơn tính cơ của hệ F- Đ bởi thành phần đẳng trị do hiện tượng chuyển mạch các van khá lớn Chế độ dòng gián đoạn Phương trình đặc tính cơ ở chế độ dòng gián đoạn Giới hạn giữa vùng dòng điện gián đoạn và liên tục là đường elíp như trên Hình 2-8 Toạ độ của điểm biên giữa dòng liên tục và dòng gián đoạn B(Iblt ,w blt ) được xác định : Khi thay đổi góc điều khiển a ta sẽ xác định được đường biên giữa dòng điện gián đoạn và dòng liên tục. Nhận thấy khi tăng các thông số p, L của mạch phần ứng sẽ thu hẹp vùng dòng điện gián đoạn. Tốc độ không tải lý tưởng thực tế của động cơ ở giá trị lớn hơn giá trị xác định ở biểu thức do dòng phần ứng Iư = 0 thì đặc tính cơ của hệ chuyển từ liên tục sang vùng gián đoạn. Giá trị của w0 được xác định. 2.1.3. Chọn sơ đồ chỉnh lưu nguồn một chiều 2.1.3.1. Chọn phương án chỉnh lưu Để cung cấp nguồn 1 chiều cho động cơ một chiều, ta phải sử dụng một mạch chỉnh lưu biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện 1 chiều. Thực tế có rất nhiều phương án có thể sử dụng được, tuy nhiên để có một mạch chỉnh lưu phù hợp với yêu cầu thiết kế ta cần xét một cách tổng quan về các sơ đồ chỉnh lưu. Các bộ chỉnh lưu điốt không thể làm thay đổi điện áp ra nên ta chỉ xét các mạch chỉnh lưu có điều khiển. Vì ta thiêt kế nguồn cung cấp cho cho động cơ một chiều, tải có yều cầu về việc hoàn trả về lưới nên đòi hỏi chất lượng khá cao về điện áp, hơn nữa ở đây nguồn cấp cho bộ chỉnh lưu được lấy trực tiếp từ nguồn (3 pha). Do vậy dưới đây ta sẽ bỏ qua các phương án chỉnh lưu 1 pha và 2 pha, chỉ xét các phương án chỉnh lưu từ 3 pha trở lên. 2.1.3.2 Chỉnh lưu tia ba pha Khi biến áp có ba pha đấu sao ( U ) trên mỗi pha A,B,C ta nối một van như hình 2.9a, ba catod đấu chung cho ta điện áp dương của tải, còn trung tính biến áp sẽ là điện áp âm. Ba pha điện áp A,B,C dịch pha nhau một góc là 1200 theo các đường cong điện áp pha, chúng ta có điện áp của một pha dương hơn điện áp của hai pha kia trong khoảng thời gian 1/3 chu kỳ ( 1200 ). Từ đó thấy rằng, tại mỗi thời điểm chỉ có điện áp của một pha dương hơn hai pha kia. Nguyên tắc mở thông và điều khiển các van ở đây là khi anod của van nào dương hơn van đó mới được kích mở. Thời điểm hai điện áp của hai pha giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của các van bán dẫn. Các Tiristior chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm góc thông tự nhiên (như vậy trong chỉnh lưu ba pha, góc mở nhỏ nhất a = 00 sẽ dịch pha so với điện áp pha một góc là 300). a. Hình 2.3. Chỉnh lưu tia ba pha Sơ đồ động lực; b- Giản đồ đường các cong khi góc mở a = 300 tải thuần trở; c- Giản đồ các đường cong khi a = 600 các đường cong gián đoạn. Theo hình 2.3 b,c tại mỗi thời điểm nào đó chỉ có một van dẫn, như vậy mỗi van dẫn thông trong 1/3 chu kỳ nếu điện áp tải liên tục( đường cong I1,I1,I3 trên hình 2.3b), còn nếu điện áp tải gián đoạn thì thời gian dẫn thông của các van nhỏ hơn. Tuy nhiên trong cả hai trường hợp dòng điện trung bình của các van đều bằng 1/3.Id. Trong khoảng thời gian van dẫn dòng điện của van bằng dòng điện tải, trong khoảng van khoá dòng điện van bằng 0. Điện áp của van phải chịu bằng điện dây giữa pha có van khoá với pha có van đang dẫn. Ví dụ trong khoảng t2 á t3 van T1 khoá còn T2 dẫn do đó van T1 phải chịu một điện áp dây UAB, đến khoảng t3 á t4 các van T1, T2 khoá, còn T3 dẫn lúc này T1 chịu điện áp dây UAC. Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ thuộc góc mở của các Tiristo. Nếu góc mở Tiristo nhỏ hơn a Ê 300, các đường cong Ud, Id liên tục, khi góc mở lớn hơn a > 300 điện áp và dòng điện tải gián đoạn (đường cong Ud, Id trên hình 2.3c). Hình 2.4. Đường cong điện áp tải khi góc mở a = 600 với a.- tải thuần trở, b.- tải điện cảm. Khi tải điện cảm (nhất là điện cảm lớn) dòng điện, điện áp tải là các đường cong liên tục, nhờ năng lượng dự trữ trong cuộn dây đủ lớn để duy trì dòng điện khi điện áp đổi dấu, như đường cong nét đậm trên hình 2.4b (tương tự như vậy là đường cong Ud trên hình 2.4b). Trên hình 2.4 mô tả một ví dụ so sánh các đường cong điện áp tải khi góc mở a = 600 tải thuần trở hình 2.10a và tải điện cảm hình 2.4b. Trị số điện áp trung bình của tải sẽ được tính như công thức (2-7) nếu điện áp tải liên tục, khi điện áp tải gián đoạn (điển hình khi tải thuần trở và góc mở lớn) điện áp tải được tính. Trong đó: Udo = 1,17.U2f. điện áp chỉnh lưu tia ba pha khi van là điôt. U2f - điện áp pha thứ cấp biến áp. 2.1.3.3. Chỉnh lưu tia sáu pha Hình 2.5. Chỉnh lưu tia sáu pha. a.- Sơ đồ động lực; b.- đường cong điện áp tải. Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha ở trên có chất lượng điện áp tải chưa thật tốt lắm. Khi cần chất lượng điện áp tốt hơn chúng ta sử dụng sơ đồ nhiều pha hơn. Một trong những sơ đồ đó là chỉnh lưu tia sáu pha. Sơ đồ động lực mô tả trên hình 2.5a. Sơ đồ chỉnh lưu tia sáu pha được cấu tạo bởi sáu van bán dẫn nối tới biến áp ba pha với sáu cuộn dây thứ cấp, trên mỗi trụ biến áp có hai cuộn giống nhau và ngược pha. Điện áp các pha dịch nhau một góc là 600 như mô tả trên hình 2.5b. Dạng sóng điện áp tải ở đây là phần dương hơn của các điện áp pha với đập mạch bậc sáu. Với dạng sóng điện áp như trên, ta thấy chất lượng điện áp một chiều được coi là tốt nhất. Theo dạng sóng điện áp ra (phần nét đậm trên giản đồ hình 2.5b) chúng ta thấy rằng mỗi van bán dẫn dẫn thông trong khoảng 1/6 chu kỳ. So với các sơ đồ khác, thì ở chỉnh lưu tia sáu pha dòng điện chạy qua van bán dẫn bé nhất. Do đó sơ đồ chỉnh lưu tia sáu pha rất có ý nghĩa khi dòng tải lớn. Trong trường hợp đó chúng ta chỉ cần có van nhỏ có thể chế tạo bộ nguồn với dòng tải lớn. 2.1.3.4. Chỉnh lưu cầu ba pha Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng hình 2.6a có thể coi như hai sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha mắc ngược chiều nhau, ba Tiristo T1,T3,T5 tạo thành một chỉnh lưu tia ba pha cho điện áp (+) tạo thành nhóm anod, còn T2,T4,T6 là một chỉnh lưu tia cho ta điện áp âm tạo thành nhóm catod, hai chỉnh lưu này ghép lại thành cầu ba pha. Theo hoạt động của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng, dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm cần mở Tiristo chúng ta cần cấp hai xung điều khiển đồng thời (một xung ở nhóm anod (+), một xung ở nhóm catod (-)). Ví dụ tại thời điểm t1 trên hình 2.6b cần mở Tiristo T1 của pha A phía anod, chúng ta cấp xung X1, đồng thời tại đó chúng ta cấp thêm xung X4 cho Tiristo T4 của pha B phía catod Khi chúng ta cấp đúng các xung._.