Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu - Động cơ điện một chiều

u việt như: có khả năng điều khiển rộng, có chỉ tiêu kinh tế cao, kích thước và trọng lượng thấp, độ tin cậy và 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. Vì vậy, mục đích của đề tài là xây dựng hệ thống chỉnh lưu không điều khiển đảo chiều và ổn định tốc độ động cơ một chiều một cách chính xác, dễ sử dụng và vận hành và có độ ổn định cao. Dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Hà Xuân Hoà, em đã có thể tổng hợp được tất cả các kiến thức đã có trong quá trình học đồng thời tích luỹ được thêm rất nhiều kiến thức khác khi thực hiện đề tài, điều đó sẽ rất hữu ích cho bản thân em sau này. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy, người đã nhiệt tình chỉ bảo giúp đỡ và định hướng cho em trong suốt thời gian qua. Xin cảm ơn cha mẹ và gia đình đã ủng hộ hết lòng cho con cả về vật chất lẫn tinh thần. Cảm ơn bạn bè đã ở bên động viên cổ vũ cho tôi. Với kiến thức còn nhiều hạn chế, em cảm thấy đồ án còn cần thêm nhiều điều bổ xung để nó có thể ứng dụng được trong môi trường sản xuất. Em rất mong được sự góp ý chân thành và tích cực từ các thầy và các bạn. Xin chân thành cảm ơn! Tháng 11 năm 2008 Lê Minh Tú Ch−ơng 1 Các ph−ơng pháp điều khiển động cơ một chiều 1.1 Khái niệm chung. Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng và cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Thực tế có 2 phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều - Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ - Điều chỉnh điện áp cấp chóc mạch kích từ động cơ. Cờu trúc phần của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phản ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng bốn loại biến đổi chính: - Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại (KĐM) - Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu tiristo (CLT) - Bộ biến đổi xung áp một chiều: hoặc tranzito (BBĐXA) Theo cấu trúc mạch điều khiển các h truyền động, điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có loại điều khiển mạch hở (h truyền động điều khiển “hở”). H điều chỉnh tự động truyền động điện có cấu trúc phức tạp, nhưng có chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ truyền động “hở”. Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều còn được phân loại theo chiều động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay. Đồng thời tuỳ thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư. Trong phạm vi chương này, chúng ta nghiên cứu các tính chất tổng quát, cũng như tính chất riêng của từng h truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều. 1.2 Động cơ điện một chiều. 1.2.1 Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều. Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi lμ một loại máy quan trọng mặc dù ngμy nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng. Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt, khả năng mở máy lớn vμ đặc biệt lμ khả năng quá tải. Chính vì vậy mμ động cơ một chiều được dùng nhiều trong các nghμnh công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải... mμ điều quan trọng lμ các nghμnh công nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn điện. Bên cạnh đó, động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất định của nó như so với máy điện xoay chiều thì giá thμnh đắt hơn chế tạo vμ bảo quản cổ góp điện phức tạp hơn (dễ phát sinh tia lửa điện)... nhưng do những ưu điểm của nó nên động cơ điện một chiều vẫn còn có một tầm quan trọng nhất định trong sản suất. Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều hiện nay vμo khoảng 10000 KW, điện áp vμo khoảng vμi trăm cho đến 1000 V. Hướng phát triển hiện nay lμ cải tiến tính năng của vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ vμ chế tạo những động cơ có công suất lớn hơn... 1.2.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều. Hình 1.1 :Cấu tạo động cơ một chiều. Động cơ điện một chiều có thể phân thμnh hai phần chính: phần tĩnh vμ phần động. 1.2.2.1 Phần tĩnh hay stato. Đây lμ phần đứng yên của máy, bao gồm các bộ phận chính sau: Cực từ chính: Lμ bộ phận sinh ra từ trờng gồm có lõi sắt cực từ vμ dây quấn kích từ lồng ngoμi lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ lμm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dμy 0,5 đến 1 mm ép lại vμ tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vμo vỏ máy nhờ các bulông. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện vμ mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thμnh một khối tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ nμy được nối tiếp với nhau. Hình 1.2 : Cực từ chính. Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính vμ dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép của cực từ phụ thường lμm bằng thép khối vμ trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mμ cấu rạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vμo vỏ máy nhờ những bulông. Gông từ: Gông từ dùng lμm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời lμm vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ vμ vừa thường dùng thép dμy uốn vμ hμn lại. Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang lμm vỏ máy. Các bộ phận khác: Bao gồm: - Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoμi rơi vμo lμm hỏng dây quấn vμ an toμn cho người khỏi chạm vμo điện. Trong máy điện nhỏ vμ vừa nắp máy còn có tác dụng lμm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp nμy nắp máy thường lμm bằng gang. - Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoμi. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chạy lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than vμ cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại. 1.2.2.2 Phần quay hay rôto. Bao gồm những bộ phận chính sau: Lõi sắt phần ứng : Dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dμy 0,5 mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vμo. Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lạ thμnh lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thμnh những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi lμ khe hở thông gió. Khi máy lμm việc gió thổi qua các khe hở lμm nguội dây quấn vμ lõi sắt. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vμo trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục vμ lõi sắt có đặt giá rôto.Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện vμ giảm nhẹ trọng lượng rôto. Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng lμ phần phát sinh ra suất điện động vμ có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường lμm bằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vμi kW thường dùng dây có tiết diện tròn.Trong máy điện vừa vμ lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có lμm bằng tre,gỗ hay bakelit. Cổ góp: Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thμnh một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dμy từ 0,4 đến 1,2mm vμ hợp thμnh một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vμnh ốp vμ trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vμnh góp có cao lên một ít để hμn các đầu dây của các phần tử dây quấn vμ các phiến góp được dễ dμng. Hình 1.3 : Lá thép roto. Hình1.4 : Phiến đổi chiều và cổ góp. Các bộ phận khác: - Cánh quạt: Dùng để quạt gió lμm nguội máy. Máy điện một chiều thường chế tạo theo kiểu bảo vệ, ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục máy, khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoμi vμo động cơ. Gió đi qua vμnh góp, cực từ lõi sắt vμ dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoμi lμm nguội máy. - Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt vμ ổ bi. Trục máy thường lμm bằng thép cacbon tốt. 1.2.3 Nguyên lý lμm việc động cơ điện một chiều. Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B thì khi đó trong dây quấn phần ứng có dòng điện. Các thanh dẫn ab và cd mang dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng tương hỗ lên nhau tạo ra mômen quay tác dụng lên roto làm roto quay chiều của lực tác dụng xác định theo quy tắc bàn tay trái (hình1.5a). Khi roto quay được nửa vòng vị trí thanh dẫn ab, cd đổi chỗ cho nhau nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện biến đổi dòng điện đổi chiều đưa vào phần ứng giữ cho chiều của lực tác dụng không đổi do đó lực tác dụng lên roto vẫn theo một chiều không đổi, đảm bảo chiều quay của động cơ không đổi (hình1.5b). Hình1.5 : Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều. 1.3 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều. 1.3.1 Sơ đồ nối dây và đặc tính cơ động cơ một chiều kích từ độc lập. 1.3.1.1 Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập. ã - ã + ã + ã ã - CKT RKT Iử U ẹ UKT Hình 1.6 :Sơ đồ nối dây động cơ một chiều kích từ độc lập. 1.3.1.2 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Phương trình cân bằng điện áp phần ứng và mạch kích từ: Uư= e + Rut.iu+Lut. ———> Uu= Eu + Rut.(1+Tu.p).Iu (1-1) Ukt= Rkt.ikt+Lkt. ———> Ukt= Rkt.(1+Tkt.p).Ikt (1-2) Trong đó : Rut= Ru + Rfu ; Lut= Lu+Lfu ; Tu= ; Tkt= (1-3) Uư - điện áp phần ứng (v). Eư - sức điện động phần ứng (v). Rư - điện trở của mạch phần ứng (Ω). Rfu- điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω). Iư – dòng điện mạch phần ứng (A). Với : Rư= ru+rcf+rb+rct Trong đó : ru - 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 Eu của động cơ được xác định theo công thức: Eu= =K (1-4) Trong đó: p – số đôi cực từ chính. N- số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng. a - số đôi cự mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng. từ thông kích từ dưới một cực từ (wb) - tốc độ góc(rad/s) K= - hệ số cấu tạo của động cơ. Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì: Eu=K (1-5) Và Vì vậy Eu= Trong đó hệ số sức điện động của động cơ là : Ke= Ke= Từ (1-1) và (1-2) ta có: (1-6) Biểu thức trên là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác momen điện từ Mdt của động cơ được xác định bởi: Mdt= (1-7) Suy ra Thay giá trị Iu và (1-6) ta được : (1-8) Hình 1.7 : Đường đặc tính cơ và đặc tính cơ điện động cơ 1 chiều kích từ độc lập. 1.3.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ. 1.3.2.1 Điều khiển bằng thay đổi điện trở phụ phần ứng. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng có thể được dùng cho tất cả động cơ điện một chiều. Trong phương pháp này điện trở phụ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ theo sơ đồ nguyên lý như sau: ã - ã - + ã + ã ã ã IU Rf CKT RKT UU E UKT Hình 1.8 : Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng. Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: ; Khi thay đổi giá trị điện trở phụ Rf ta nhận thấy tốc độ không tải lý tưởng và độ cứng của đường đặc tính cơ: ; sẽ thay đổi khi giá trị Rf thay đổi. Khi Rf càng lớn, b càng nhỏ nghĩa là đường đặc tính cơ càng dốc,ứng với giá trị Rf = 0 ta có độ cứng của đường đặc tính cơ tự nhiên được tính theo công thức sau: Ta nhận thấy bTN có giá trị lớn nhất nên đường đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có đóng điện trở phụ trên mạch phần ứng. Vậy khi thay đổi giá trị Rf ta được họ đặc tính cơ như sau: Hình 1.9 : Đặc tính cơ động cơ 1 chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phụ phần ứng. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng được giải thích như sau: giả sử động cơ đang làm việc xác lập với tốc độ 1 ta đóng thêm Rf vào mạch phần ứng. Khi đó dòng điện phần ứng Iư đột ngột giảm xuống, còn tốc độ động cơ do quán tính nên chưa kịp biến đổi. Dòng Iư giảm làm cho momen động cơ giảm theo và tốc độ giảm xuống, sau đó làm việc xác lập tại tốc độ 2 với 2 > 1. Phương pháp điều chỉnh tốc độ này chỉ có thể điều chỉnh tốc độ < dm. Trên thực tế không thể dùng biến trở để điều chỉnh nên phương pháp này sẽ cho những tốc độ nhảy cấp tức độ bằng phẳng g xa 1 tức 1 cách xa 2. Khi giá trị min càng tiến gần đến 0 thì phạm vi điều chỉnh: D = ằ Ơ Trong thực tế, Rf càng lớn thì tổn thất năng lượng phụ tăng. Khi động cơ làm việc ở tốc độ = thì tổn thất này chiếm từ 40% đến 50%. Cho nên, để đảm bảo tính kinh tế cho hệ thống ta chỉ điều chỉnh sao cho phạm vi điều chỉnh: D = Khi giá trị Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm. Đồng thời dòng điện ngắn mạch In và moment ngắn mạch Mnm cũng giảm. Do đó, phương pháp này được dùng để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản. Và tuyệt đối không được dùng cho các động cơ của máy cắt kim loại. Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng chỉ cho những tốc độ nhảy cấp và < dm. * Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cho cần trục, thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép. * Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng vào càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi phụ tải thay đổi càng kém. Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổn hao phụ càng tăng. 1.3.2.2 Điều khiển bằng phương pháp thay đổi từ thông. Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh momen điện từ M=K.Iu và sức điện động quay Eư= K. của động cơ. Thông thường, khi thay đổi từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên giá trị định mức. Đối với các máy điện nhỏ và đôi khi cả các máy điện công suất trung bình, người ta thường sử dụng các biến trở đặt trong mạch kích từ để thay đổi từ thông do tổn hao công suất nhỏ. Đối với các máy điện công suất lớn thì dùng các bộ biến đổi đặc biệt như: máy phát, khuếch đại máy điện, khuếch đại từ, bộ biến đổi van… Thực chất của phương pháp này là giảm từ thông. Nếu tăng từ thông thì dòng điện kích từ Ikt sẽ tăng dần đến khi hỏng cuộn dây kích từ. Do đó, để điều chỉnh tốc độ chỉ có thể giảm dòng kích từ tức là giảm nhỏ từ thông so với định mức < nên các đặc tính cơ điện nhân tạo đều có vị trí cao hơn đặc tính tự nhiên, tương tự trong vùng phụ tải MC cho phép tốc độ trên các đặc tính cơ nhân tạo lớn hơn tốc độ trên đặc tính cơ tự nhiên. Ta thấy lúc này tốc độ tăng lên khi từ thông giảm: Momen ngắn mạch Mnm= K.Inm nên khigiảm sẽ làm cho Mnm giảm theo. Dòng điện ngắn mạch : Inm==Inm.tn= const Độ cứng của đường đặc tính cơ: β= Khi giảm < Hình 1.10 : Đặc tính cơ động cơ 1 chiều kích từ độc lập khi thay đổi từ thông. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh được tốc độ vô cấp và cho ra những tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản. Theo lý thuyết thì từ thông có thể giảm gần bằng 0, nghĩa là tốc độ tăng đến vô cùng. Nhưng trên thực tế động cơ chỉ làm việc với tốc độ lớn nhất: max = 3dm tức phạm vi điều chỉnh: D = 3/1. Bởi vì ứng với mỗi động cơ ta có một tốc độ lớn nhất cho phép. Khi điều chỉnh tốc độ tùy thuộc vào điều kiện cơ khí, điều kiện cổ góp động cơ không thể đổi chiều dòng điện và chịu được hồ quang điện. Do đó, động cơ không được làm việc quá tốc độ cho phép. Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp và cho những tốc độ lớn hơn . Phương pháp này được dùng để điều chỉnh tốc độ cho các máy mài vạn năng hoặc là máy bào giường. Do quá trình điều chỉnh tốc độ được thực hiện trên mạch kích từ nên tổn thất năng lượng ít, mang tính kinh tế. Thiết bị đơn giản. 1.3.2.3 Điều khiển bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng. Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện áp trên mạch phần ứng thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi. Để tránh những biến động lớn về gia tốc và lực động trong hệ điều chỉnh nên phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng thường được áp dụng cho động cơ một chiều kích từ độc lập. - + BBĐ (a) KT - + KL Iư Uđk ~ var U Eb (b) Iư Rư Rb Hình 1.11 :Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế khi điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng. Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồn điều áp như: máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ… Các bộ biến đổi trên dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng một chiều và điều chỉnh giá trị sức điện động của nó cho phù hợp theo yêu cầu. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Tốc độ không tải: Độ sụt tốc độ của Mc hay Ic : =const Độ cứng đặc tính cơ: β= Dòng điện ngắn mạch : Iu= Momen ngắn mạch Mnm= Kdm.Inm= Kdm. ~Uu Khi giảm Uu<Udm…. Hình 1.12 : Đặc tính cơ động cơ 1 chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện áp phần ứng. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng thực chất là giảm áp và cho ra những tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức . Đồng thời điều chỉnh nhảy cấp hay liên tục tùy thuộc vào bộ nguồn có điện áp thay đổi một cách liên tục và ngược lại. Theo lý thuyết thì phạm vi điều chỉnh D = ∞. Nhưng trong thực tế động cơ điện một chiều kích từ độc lập nếu không có biện pháp đặc biệt chỉ làm việc ở phạm vi cho phép: Umincp = Uđm/10, nghĩa là phạm vi điều chỉnh: D = =. Nếu điện áp phần ứng U < Umincp thì do phản ứng phần ứng sẽ làm cho tốc độ động cơ không ổn định. Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ sẽ giữ nguyên độ cứng của đường đặc tính cơ nên được dùng nhiều trong máy cắt kim loại và cho những tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức < * Ưu điểm: Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để, vô cấp có nghĩa là có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi ở 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. 1.4 Các hệ thống điều khiển tốc độ động cơ một chiều bằng điện áp phần ứng. 1.4.1 Hệ thống điều khiển máy phát - động cơ (F-Đ). Hệ hoạt động trên nguyên tắc: khi thay đổi Uđk thì UKF = Ud sẽ thay đổi theo. Do Ud thay đổi nên dẫn đến dòng điện IKF thay đổi vμ từ thông F cũng biến đổi, từ đó Ef biến đổi vμ lμm cho điện áp phần ứng Uu động cơ thay đổi. Nh− vậy Uu của động cơ thay đổi ta có thể thay đổ tốc độ động cơ. Hình 1.13 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống máy phát - động cơ. Hệ cho phép hạn chế dòng diện vμ mômen động cơ nhờ có khâu phản hồi âm dòng điện vμ tốc độ (qua máy phát tốc), dòng điện vμ mô men đ−ợc hạn chế d−ới giá trị cho phép trong các tr−ờng hợp khởi động, hãm, đảo chiều, quá tải lớn vμ ngắn mạch. Ngoμi ra hệ còn c−ỡng bức quá trình khởi động. Thực hiện đảo chiều quay động cơ bằng cách đảo chiều điện áp kích từ UKF, dòng kích từ vμ theo đó từ thông sẽ đảo chiều. Động cơ đ−ợc đảo chiều quay. Hệ F - Đ cho phép động cơ lμm việc trên cả 4 góc phần t− của mặt phẳng toạ độ. Các chỉ tiêu chất l−ợng của hệ F- Đ về cơ bản t−ơng tự nh− chỉ tiêu của hệ điều áp dùng bộ biến đổi nói chung. *Ưu điểm : +Sự chuyển đổi trạng thái rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn. + Điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong phạm vi tốc độ. + Việc điều chỉnh thực hiện trên mạch kích từ nên tổn hao nhỏ, hệ điều chỉnh đơn giản. + Có thể thực hiện hãm điện. *Nh−ợc điểm : Dùng nhiều máy phát điện quay nên hiệu suất thấp không quá 75%, thiết bị cồng kềnh, tốn diện tích lắp đặt, gây ồn lớn, vốn đầu t− ban đầu cao. Ngoμi ra do máy phát một chiều có từ trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ. Do những nh−ợc điểm nói trên hiện nay hệ máy phát có xu h−ớng đ−ợc thay thế bằng hệ điều áp dùng bộ biến đổi van - động cơ. 1.4.2 Hệ thống điều khiển tốc độ bằng băm áp một chiều. Hình 1.14:Hệ thống điều khiển bằng băm áp. Nguyên lí hoạt động của hệ thống (hình 1.15): Khi ta đóng khoá K, điện áp phần ứng của động cơ đ−ợc cấp Uu=U. Dòng điện chạy từ nguồn vμo cuộn dây phần ứng tăng dần theo hμm mũ. Khi khoá K cắt, động cơ được cắt ra khỏi nguồn U vμ đóng kín mạch qua Điode V0 dòng điện đ−ợc duy trì nhờ năng l−ợng tích luỹ trong điện cảm ở mạch phần ứng vμ nó cũng giảm dần theo hμm mũ: Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lý và hoạt động của hệ thống băm áp một chiều. Nếu điện cảm đủ lớn, dòng điện sẽ đ−ợc duy trì đến nửa chu kỳ sau, ta đ−ợc dạng dòng điện dạng răng c−a liên tục (chế độ dòng liên tục). Vì dòng điện phần ứng biến thiên theo thời gian vμ cụ thể lμ chu kì chuyển mạch khoá K, nên mômen vμ tốc độ động cơ cũng biến thiên theo thời gian vμ hệ thống không có trạng thái xác lập tĩnh. Vì vậy trong truyền động điện với yêu cầu mômen cản trên trục động cơ không đổi thì ph−ơng pháp nμy cho ta chất l−ợng điều khiển không tốt. 1.4.3 Hệ thống điều khiển tốc độ bằng chỉnh lưu. Để tạo ra bộ nguồn một chiều có điện áp thay đổi được, ngoài các máy phát điện một chiều, người ta còn dùng các bộ chỉnh lưu có điều khiển. Vào những năm cuối của thập niên 70 thế kỷ trước, khi công nghệ chế tạo chất bán dẫn phát triển, đặc biệt là các tiristor chịu được dòng điện lớn và điện áp cao thì các bộ chỉnh lưu tiristor ra đời. Các bộ chỉnh lưu này ngày càng phát triển mạnh mẽ vì có những ưu điểm nổi bật so với dùng nguồn máy phát một chiều hoặc chỉnh lưu dùng đèn khí: - Có thể tạo ra những bộ nguồn công suất lớn hàng ngàn KW mà các máy phát điện hoặc đèn thủy ngân cơ khí không thể tạo ra được. - Tổn thất điện áp trên đèn rất bé, chỉ khoảng từ 0,5V đến 1,5V. - Độ nhạy của hệ thống cao vì có tính quán tính điện từ bé. - Làm việc được ở những nơi di chuyển, chấn động mà máy phát điện, đèn khí, thủy ngân khó thực hiện được. - Hiệu suất cao. Hệ thống chỉnh lưu được phân chia thành nhiều loại: chỉnh lưu một pha hay ba pha, đối xứng hay không đối xứng, có điều khiển hay không điều khiển… Nhưng trong phần này chỉ xin trình bày hệ thống chỉnh lưu – động cơ điện ba pha dùng linh kiện bán dẫn tiristor để điều khiển. Hệ thống này dùng để thay đổi điện áp và dòng điện ngõ ra bằng cách thay đổi thời điểm đặt xung kích lên cực điều khiển của tiristor, từ đó có thể điều chỉnh tốc độ của động cơ điện. Việc điều chỉnh này thực hiện vô cấp và không cần tiếp điểm. U1~, f1 ã ã ã I1 ã BA ã ã I2 n U2 Đ Uu T3 T2 T1 Iu CK + ã Ckt Rkt ã - ã ã Hình 1.16 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống chỉnh lưu tia 3 pha - động cơ. Trong đó: - BA: Máy biến áp chỉnh lưu có nhiệm vụ: + Biến đổi điện áp nguồn Ung thành điện áp phù hợp U2 đặt lên bộ chỉnh lưu. + Biến đổi số pha nguồn thành số pha phù hợp với bộ chỉnh lưu. + Đảm bảo cho nguồn và bộ chỉnh lưu chỉ quan hệ với nhau về từ mà không quan hệ trực tiếp về điện nên bảo vệ và điều chỉnh bộ chỉnh lưu được dễ dàng hơn. - T1, T2, T3: Các tiristor, biến điện áp xoay chiều U2 thành điện áp một chiều. - CK: Cuộn điện kháng cân bằng. - Đ: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Đây là thành phần chủ yếu, đối tượng cần điều chỉnh tốc độ. - C0 : lọc cho những thành phần xoay chiều còn sót lại đi qua tụ. Làm cho dòng đi qua động cơ ít nhấp nhô nên momen ít thay đổi,do đó tốc độ động cơ được ổn định. U1~, f1 ã ã ã BA ã ã u2c u2b u2a T4 T1 ã ã ã ã ã T6 T3 T2 ã ã ã ã ã T5 ã ã ã CK ĐCCC + ã ã - CKT RKT n Hình 1.17 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống chỉnh lưu cầu 3 pha - động cơ. Trong đó: - BA: Máy biến áp chỉnh lưu có nhiệm vụ: + Biến đổi điện áp nguồn Ung thành điện áp phù hợp U2 đặt lên bộ chỉnh lưu. + Biến đổi số pha nguồn thành số pha phù hợp với bộ chỉnh lưu. + Đảm bảo cho nguồn và bộ chỉnh lưu chỉ quan hệ với nhau về từ mà không quan hệ trực tiếp về điện nên bảo vệ và điều chỉnh bộ chỉnh lưu được dễ dàng hơn. - T1,T2,T3,T4,T5,T6: các tiristor, biến điện áp xoay chiều U2 thành điện áp một chiều. - CK: Cuộn điện kháng cân bằng. - Đ: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Đây là thành phần chủ yếu, đối tượng cần điều chỉnh tốc độ. - C0 : lọc cho những thành phần xoay chiều còn sót lại đi qua tụ. Làm cho dòng đi qua động cơ ít nhấp nhô nên momen ít thay đổi,do đó tốc độ động cơ được ổn định. Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và các tính chất của phụ tải. Trong truyền động điện, tải của chỉnh lưu thường là cuộn kích từ ( L, R ) và mạch phần ứng động cơ ( R, L và E ). Để tiến hành điều chỉnh tốc độ động cơ, người ta thay đổi góc mở α của tiristor sẽ thay đổi được điện áp chỉnh lưu, làm cho điện áp đặt lên phần ứng động cơ thay đổi, làm cho tốc độ động cơ thay đổi theo. - Ưu điểm nổi bật của hệ truyền động chỉnh l−u điều khiển - động cơ lμ độ tác động nhanh, không gây ồn vμ dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất cao, rất tiện cho việc thiết lập các hệ thống điều chỉnh tự động nhiều vòng để nâng cao chất l−ợng các đặc tính tĩnh vμ các đặc tính động của hệ thống. - Nh−ợc điểm chủ yếu của hệ truyền động chỉnh l−u điều khiển - động cơ lμ do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh l−u ra có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy điện, vμ ở các hệ truyền động có công suất lớn còn lμm xấu dạng điện áp của nguồn vμ l−ới xoay chiều. Hệ số công suất của hệ nói chung lμ thấp. Để lμm rõ hơn về −u điểm của các hệ chỉnh l−u điều khiển động cơ một chiều ta sẽ tìm hiểu các bộ nguồn chỉnh l−u có điều khiển d−ới đây. Từ đó có sự lựa chọn hê truyền động tối −u nhất cho việc điều khiển động cơ điện một chiều. CHƯƠNG 2 CáC Bộ NGUồN CHỉNH LƯU Có ĐIềU KHIểN Trong truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều sử dụng bộ chỉnh l−u - động cơ (CL – Đ) thì bộ biến đổi lμ mạch chỉnh l−u có điều khiển để điều chỉnh điện áp đặt vμo phần ứng của động cơ. Tuỳ theo yêu cầu cụ thể của truyền động điện mμ ta có thể sử dụng bộ chỉnh l−u thích hợp. Một số sơ đồ chỉnh l−u thông dụng lμ: - Sơ đồ chỉnh l−u cầu một pha có điều khiển. - Sơ đồ chỉnh l−u tia ba pha có điều khiển. - Sơ đồ chỉnh l−u cầu ba pha không đối xứng có điều khiển - Sơ đồ chỉnh l−u cầu ba pha đối xứng có điều khiển. 2.1 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển. Hình 2.1.Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng. Hoạt động của sơ đồ: + Từ 0áp điện áp UA> 0. Tại a1 cấp xung điều khiển T1 và T2 đồng thời nên T1, T2 cùng mở Ud= UAB + Tiristo sẽ mở từ a1áp nếu tải thuần trở, nếu tải có Lạ0 thì T1, T2 sẽ được mở cho đến khi dòng điện bằng 0. Nếu L=: thì T1, T2 sẽ được mở cho đến khi T3, T4 được mở. + Tại a2 cấp xung điều khiển cho T3, T4 đồng thời,UB > 0; UA < 0 do đó T3, T4 cùng mở Ud= UBA= -UAB . Tương tự như chu kì trước T3, T4 sẽ được mở cho đến khi dòng điện bằng không. Nếu L=: thì T3, T4 sẽ được mở cho đến khi T1, T2 được mở. - Giá trị điện áp trung bình trên tải + Khi tải thuần trở: + Khi tải có L=∞: Ud= 0,9U2.cosα + Khi tải có L≠0: Giá trị dòng tải: Id = Ud/Rd Giá trị dòng qua Tiristo: It = Id/ 2 Hình 2.2 : Đường cong dòng điện và điện áp của chỉnh lưu cầu 1 pha. Nhận xét : - Ưu điểm : Có thể điều khiển được điện áp trong dải rộng,làm việc ở cả hai chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu và có điện áp ngược thấp. - Nhược điểm : + Phải có hai xung điều khiển cùng một lúc nên khó điều khiển. + Tổn hao công suất lớn, phải dùng nhiều van. (a) (b) Hình 2.3 : Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển không đối xứng, sơ đồ cùng cực tính (a), sơ đồ không cùng cực tính (b). Hoạt động: Sơ đồ cùng cực tính: + Tại a1 cấp xung điều khiển cho T1, T1 mở. T1, D1 dẫn từ a1 á p. Tại p điện áp đổi dấu, năng lượng cuộn dây được tích luỹ. + Tại a2 cấp xung điều khiển cho T2, T2 mở. D2 phân cực T1 khoá, năng lượng cuộn dây xả qua D1 và T2. Sơ đồ không cùng cực tính: + Tại a1 cấp xung điều khiển cho T1 với điện áp UA(+) có dòng điện chạy từ A tới B. Từ a1 á p: T1, D1 dẫn, tại p điện áp đổi dấu T2 dẫn, T2 khoá, D2 dẫn. Năng lượng cuộn dây sẽ xả qua D1, D2 trong vùng từ p á a2 + Tại a2 cấp xung điều khiển cho T2, D2 phân cực thuận, T2 mở và T1 khoá. Hình 2.4: Đường cong điện áp và dòng điện của các sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển không đối xứng. Nhận xét : + Với sơ đồ chỉnh lưu nối cùng cực tính ta có khi điện cảm vô cùng lớn thì dòng điện của D và T bằng nhau. + Với sơ đồ không cùng cực tính D đóng vai trò xả năng lượng nên dòng điện của D lớn hơn dòng điện qua T. + Với chỉnh lưu cầu điều khiển không đối xứng kể cả tải thuần trở cũng như tải có điện cảm ta không có phần âm điện áp nên không có phần trả năng lượng về lưới. + Tại thời điểm mở T ta chỉ cần 1 xung mở tiristor. 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển. Hình 2.5 : Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển. Hoạt động: + α 1 á α 2: có xung X1, T1 thông Ud = Ua , Id = IT1 . + α 2 á α 3: có xung X2, T2 thông Ud = Ub , Id = IT2 . + α 3 á α 4: có xung X3, T3 thông Ud = Uc , Id = IT3 . Hình 2.6: Đường cong điện áp , dòng điện của chỉnh lưu tia 3 pha. - Điện áp trên tải: Ud = = = = - Dòng điện trên tải: - Dòng điện qua van: - Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu: - Điện áp ngược trên van: - Dòng điện phía thứ cấp: I2 = 0,58Id - Dòng điện phía sơ cấp: I1 = 0,47.Id.Kba - Công suất tải: Pd = Ud0.Id - Công suất máy biến áp: Sba = 1,35Pd Nhận xét: + Mạch chỉnh lưu có điều khiển cầu tia 3 fa có cấu tạo phức tạp, muốn mạch hoạt động được cần mắc biến áp để đưa điểm trung tính ra tải, mỗi van chỉ làm việc trong 1/3 chu kỳ vì vậy dòng điện trung bình chạy qua van nhỏ. Mạch dùng nguồn ba pha nên công suất tăng lên rất nhiều, dòng điện tải đến vài trăm ampe. + So với sơ đồ chỉnh l−u cầu một pha thì sơ đồ chỉnh l−u tia ba pha có chất l−ợng điện áp vμ dòng điện cao hơn tuy nhiên độ đập mạch của điện áp vμ dòng điện vẫn lớn. Vùng dòng điện gi._.án đoạn lớn khi điều chỉnh sâu. Sơ đồ chỉnh l−u nμy chỉ thích hợp với những động cơ không yêu cầu chất l−ợng điện áp cao, có dải điều chỉnh điện áp hẹp vì khi điều chỉnh sâu dòng điện sẽ bị gián đoạn. 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng. Hình 2.7 : Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng. Hình 2.8 : đường cong điện áp và dòng điện sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng khi a=30° . Hoạt động: + Tại a1 cấp xung điều khiển cho T1 với UA(+)>UBvà UC nên T1 dẫn vì UB âm hơn nên D2 dẫn VE=VA ; VF=VB nên UEF=UAB. Đến θ1 thì VB=VC sau θ1 đến α2 thì T1 và D3 dẫn: UEF=UAC. + Tại a2 cấp xung điều khiển cho T2 với UB(+)>UA và UC nên T2 dẫn T1 khóa, từ a2 đến θ2 thì T2, D3 dẫn UEF=UBC. Từ θ2 đến a3 có T2, D1 dẫn do VA âm hơn VB, VC nên UEF=UBA. Các chu kỳ sau lặp lại như trên. Nhận xét : So với hai sơ đồ chỉnh l−u trên thì sơ đồ chỉnh l−u cầu có chất l−ợng điện áp tốt hơn nh−ng với sơ đồ nμy chỉ sử dụng cho những động cơ không có nghịch l−u trả năng l−ợng về l−ới. Các thông số cơ bản : Giá trị trung bình của điện áp tải: . Dòng điện tải: . Dòng điện trung bình chạy qua tiristor và điôt: IT=ID= Điện áp ngược trên Tiristor và Diôt : 2.4 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng. Hình 2.9 : Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng. Hình 2.10 : Đường cong điện áp , dòng điện tải và điện áp ngược, dòng điện trên van khi a=30°. Điện áp trên tải chính là hiệu giữa điện áp của nhóm catôt chung (T1, T3, T5) và nhóm anôt chung (T2, T4, T6). Chính vì vậy việc phát xung mở cho các Tiristo cần tuân theo nguyên tắc: Đối với nhóm K chung thì chỉ phát xung cho Tiristo có điện áp đặt vào Anot là dương nhất. Đối với nhóm A chung thì ngược lại chỉ phát xung cho Tiristo có điện áp đặt vào Katot là âm nhất. Như vậy, với sơ đồ trên và dạng sóng điện áp như hình vẽ, trong khoảng từ , đối với nhóm K chung ta phát xung cho T1 (vì điện áp pha A là dương nhất) còn đối với nhóm A chung ta phát xung cho T4 (vì điện áp pha B là âm nhất). Các khoảng kế tiếp ta phát xung tương tự theo nguyên tắc trên. Để sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình cầu có thể làm việc được, các xung điều khiển cần có độ rộng lớn hơn 60° điện mới có thể đảm bảo cho việc mở đồng thời 2 tiristor ở hai nhóm. Hình 2.11 : Đường cong điện áp , dòng điện tải khi góc mở a=60°. Hình 2.12 : Đường cong điện áp , dòng điện tải khi góc mở a=90°. Khác với bộ chỉnh lưu cầu ba pha dùng toàn diot, bộ chỉnh lưu cầu dùng tiristor đặt ra vấn đề về việc khởi động. Ngoài việc phải tuân thủ theo nguyên tắc phát xung như trên ta cần phải phát thêm các xung đệm. Nếu ta chỉ đơn thuần dùng một xung mồi thì không có dòng điện chạy qua, vì rằng các tiristor khác trên đường dòng điện vẫn bị khóa. Trong khoảng từ , xung mồi chính được gửi đến T1 và đồng thời có một xung đệm cũng được gửi tới T4. Nếu chỉ có một xung mồi được gửi đến T1 thì khi đó do T4 không được mồi nên không có sự liên hệ về điện áp giữa pha A và pha B, do đó T1 sẽ không thể mở được. Như vậy để khởi động, mạch điều khiển phải tạo nên một xung khác sau xung đầu tiên một góc . Ngoài ra khi góc mở , khi bộ chỉnh lưu đã làm việc bình thường rồi thì xung thứ hai không có tác dụng gì vì theo như hình trên ta thấy khi ta phát xung cho Tiristo của nhóm này thì luôn luôn có một Tirito của nhóm còn lại đang dẫn. Tuy nhiên khi góc mở thì nếu thiếu xung thứ hai thì bộ chỉnh lưu không thể làm việc được. Chẳng hạn với góc mở : Hình 2.13: Sự cần thiết của xung đệm khi góc mở lớn. Điều này có thể được lý giải như sau: Giả thiết T5 và T4 đang dẫn nên VF = Vc, VG = Vb. Như vậy điện áp đặt lên T1 lúc này là Uac. Khi phát xung cho T1 thì T1 sẽ mở vì Uac > 0. Sự mở của T1 làm cho T5 bị khóa một cách tự nhiên vì VF = Va > Vc. Bây giờ dòng điện chảy qua T1 và T4, điện áp đặt lên tải là điện áp dây Uab. Ta thấy điện áp trên nhóm K chung bám theo điện áp của pha A từ điểm I đến điểm J như hình vẽ. Tại điểm J điện áp Uab = 0 và có xu hướng âm chính vì vậy T1 bị khóa. Tại điểm K phát xung X6-1 để mở T6 (Vc âm nhất), tuy nhiên lúc này do bên K chung không có tiristor nào dẫn cả nên nó giống như chưa được khởi động, bởi vậy T6 cũng không thể được mở. Chính vì vậy tại điểm K ngoài việc phát xung chính cho T6 ta cần cung cấp thêm một xung đệm X1-2 cho T1. Khi đó cả hai tiristor này đều mở (Vì Uac > 0) và điện áp trên nhóm K chung lại bám theo điện áp của pha A (đoạn KL). Với góc mở : Hình 2.14: Sự cần thiết của xung đệm khi góc mở nhỏ. Giả thiết T5 và T4 đang dẫn nên VF = Vc, VG = Vb. Như vậy điện áp đặt lên T1 lúc này là Uac. Khi phát xung cho T1 thì T1 sẽ mở vì Uac > 0. Sự mở của T1 làm cho T5 bị khóa một cách tự nhiên vì VF = Va > Vc. Bây giờ dòng điện chảy qua T1 và T4, điện áp đặt lên tải là điện áp dây Uab. Điện áp VK = VA. Đến điểm I khi điện áp Uab chưa bằng 0, tức T1 vẫn đang dẫn thì T6 đã được phát xung và mở (vì Vc âm nhất). Vì vậy điện áp đặt lên tải lúc này là Uac và T1 sẽ tiếp tục dẫn cho đến khi T3 được kích mở và điện áp VK sẽ bám theo điện áp pha A đến điểm J. Điều đó chứng tỏ xung đệm X1-2 không có vai trò quan trọng khi mà bộ chỉnh lưu đã được khởi động. Bộ chỉnh lưu cầu điều khiển đối xứng luôn được dùng cho những ứng dụng cần điều khiển điện áp, tức là có góc mở thay đổi. Chính vì vậy mạch điều khiển của bộ chỉnh lưu cầu điều khiển đối xứng luôn được thiết kế để phát hai xung mồi, mỗi xung cách nhau 600. Từ đây ta có thứ tự phát xung như sau: Thời điểm Xung chính Xung đệm Van bị khóa T1 T4 T5 T6 T1 T4 T3 T6 T1 T2 T3 T6 T5 T2 T3 T4 T5 T2 Theo dạng sóng điện áp ta thấy điện áp trên tải đập mạch bậc sáu và trị số đỉnh của nó bằng điện áp dây. Điện áp trung bình trên tải được tính theo công thức: Trong đó là điện áp dây cực đại. Khi góc mở α nhỏ, dạng sóng điện áp trên tải đập mạch bậc sáu; nhưng khi góc mở lớn điện áp trên tải sẽ có phần âm. Theo công thức tính điện áp trung bình trên tải ta thấy khi điện áp trung bình trên tải là âm tuy nhiên dòng điện vẫn chảy theo chiều cũ. Lúc này mạch không làm việc ở chế độ chỉnh lưu mà làm việc ở chế độ nghịch lưu. Nhận xét : + Độ bằng phẳng của dòng điện tốt. + Công suất biến áp nhỏ,trị số tức thời của điện áp tải là điện áp dây vì dòng điện chạy từ pha có điện cao về pha có điện thấp. + Dòng điện chạy qua mỗi van là 1/3 chu kì. + Khó điều khiển vì phải cấp hai xung đúng thứ tự pha. + Dùng van nhiều tổn hại lớn. Các thông số cơ bản: Giá trị trung bình của điện áp tải: Ud = = Dòng điện tải: . Dòng điện chạy qua Tiristor: Dòng điện chạy qua Diôt: -Giá trị hiệu dụng của dòng chảy qua cuộn thứ cấp của máy biến áp: Điện áp ngược trên Tiristor và Diôt: Kết luận: Qua phân tích ta chọn hệ chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng là tối ưu nhất. Bộ nguồn chỉnh lưu cho động cơ điện một chiều, đòi hỏi sau khi qua chỉnh lưu thì điện áp phải là dòng điện một chiều có chất lượng điện áp tốt. Với yêu cầu của đầu bài là động cơ có thông số điện áp Ud = 220V và dòng điện IU = 1,3A; dòng kích từ IKT = 0,3A nên có thể coi đây là tải có điện áp và công suất nhỏ. Sau khi đánh giá phân tích các tính năng của các loại chỉnh lưu về ưu và nhược điểm đây là loại tải cần làm việc ở chế độ nghịch lưu hoàn trả năng lượng về lưới và cần chất lượng điện áp tốt, yêu cầu chất lượng điều khiển cao ta chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng. Ta cần nguồn tải xoay chiều ba pha là có thể ghép mạch chỉnh lưu cho mạch được. Chương 3 tính toán mạch động lực cho hệ truyền động 3.1 Mạch động lực hệ truyền động Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý mạch động lực cầu ba pha đối xứng. Các thông số cơ bản của động cơ: Uu = 220 V; Pdm=15 000 W; Idm = 80A; ndm =1500 vòng/phút. Các thông số cơ bản còn lại của động cơ: Hiệu suất động cơ: Điện trở phần ứng của động cơ được tính gần đúng theo công thức: Điện cảm phần ứng động cơ: Trong đó: là lấy với động cơ có cuộn bù. 3.2 Tính chọn Tiristor. Tính chọn Tiristor dựa vào các thông số cơ bản dòng tải, điều kiện tỏa nhiệt, điện áp làm việc,các thông số của van được tính như sau: + Điện áp ngược lớn nhất mà tiristor phải chịu: Unvmax = Knv. U2 với U2 = =thay vào trên ta có Unmax = Knv. U2 =.=230,38 (V) Knv = ;Kn = Điện áp ngược của van cần chọn : Unv = Kdtu.Umax=1,8.230,38 = 415,44 ( V) Trong đó: Kdtu hệ số dự chữ điện áp, chọn Kdtu= 1,8 + Dòng điện làm việc của van được tính theo hiệu dụng: Ilv = Ihd= Khd.Ihd = Mà theo bảng 1.2 sách Tính toán thiết bị điện tử công suất(Trần Văn Thịnh) ta có thông số: Khd = Id= 80 A Ilv = + Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ điện tích toả nhiệt không có quạt đối lưu không khí, với điều kiện có dòng điện định mức của van cần chọn: Iđm = Ki . Ilv Với Ki hệ số dự trữ dòng điện làm việc trên Ilv=(10 ở đây ta chọn Ki = 2,5 Iđm = 2,5.46,18=115,47 (A) Từ các thông số Unv =415,44(V); Iđm =115,47(A) ta chọn 6 con tiristor theo bảng 5 sách Tính toán thiết bị điện tử công suất (Trần Văn Thịnh) 2N3422 với các thông số: + Điện áp ngược cực đại: Unv = 600(V) + Dòng làm việc cực đại: Iđmv = 125 (A) + Dòng điện đỉnh cực đại: Ipik = 3000 (A) + Dòng điện xung điều khiển: Ig = 300(A) + Điện áp xung điều khiển: Ug= 3 (V) + Dòng điện tự giữ: Ih = 100 (mA) + Dòng điện rò: Ir = 15 (A) + Sụt áp trên Tiristor ở trạng thái dẫn: + Đạo hàm điện áp: + Thời gian chuyển mạch: 25 + Nhiệt độ làm việc cực đại: T = 1250 C . 3.3 Tính toán máy biến áp chỉnh lưu. Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu dây,làm mát tự nhiên bằng không khí. Tính các thông số cơ bản: 1) Công suất biểu kiến của máy biến áp: S = Ks. = 1,05. = 18485,9(VA) Pd: Công suất cung cấp cho động cơ của mạch chỉnh lưu Pd =15000( W) 2) Điện áp sơ cấp máy biến áp: U1=380(V) 3) Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp: Udo: Điện áp hạ trên hai đầu tải lớn nhất mà mạch chỉnh lưu cấp. Udo .= Ud + Uv + Uba +Udo Uv : Sụt áp trên Tiristor Uv = 1,8(V) Ud = 220 V Uba: Sụt áp trên máy biến áp (sụt áp điện trở kháng) thường được chọn sơ bộ: Uba = 6% Ud = 0,06.220 = 13,2( V) Udn = 0 Sụt áp trên dây nối . Khi xác định điện áp Udo thì ta phải xét lúc lưới làm việc không bình thường với sự suy giảm điện áp lưới. Khi chọn và thiết kế máy biến áp cho sơ đồ chỉnh lưu thì ta phải chọn điện áp Udo theo điều kiện đó để tránh sự cố của mạch động lực khi gặp điện áp suy giảm từ lưới tức là phải thông qua một hệ số cosmin hệ số suy giảm điện áp lưới. Thường là cosmin = cos10o góc dự trữ khi có sự suy giảm điện áp lưới. Từ phương trình cân bằng điện áp ta có: = 240,45 (V) Điện áp pha thứ cấp máy biến áp: U2f = Kn= 2,34 theo bảng 1.1 sách Tính toán thiết bị điện tử công suất (Trần Văn Thịnh) 4) Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp: I2 = K2 .Id = 0,82.80 =65,6 (A) với K2 = 0,82 theo bảng 1.2 sách Tính toán thiết bị điện tử công suất(Trần Văn Thịnh) 5) Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp: I1= kba.I2 = Tính toán sơ bộ mạch từ (Xác định kích thước mạch từ). 6) Tiết diện sơ bộ trụ: kQ : hệ số phụ thuộc phương thức làm mát kQ=6 m : số pha của máy biến áp m=3 f : tần số của dòng điện xoay chiều f = 50 Hz 7) Kích thước trụ dây dẫn hình vuông: Chuẩn hóa kích thước trụ chữ nhật có kích thước a=8,5(cm) & b=8,5(cm) 8) Chọn loại thép: vì máy biến áp chỉnh lưu cần tính toán có công suất cực đại Sba= 18485,9(VA) và U2=102,85(V) là loại máy có công suất nhỏ với loại máy có công suất nhỏ ta chọn kiểu máy mạch từ hình chữ nhật. Mạch từ là những lá thép được chọn có độ dầy 0,5 mm. Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ BT = 1 (T) Tiết diện trụ chữ nhật QFe = a.b=8,5.8,5=72,25() Chọn chiều cao trụ h=2,5.a=2,5.8,5=21,25(cm) chọn chiều cao trụ h=22cm. Tính toán dây quấn: 10) Số vòng dây cuộn sơ cấp máy biến áp: Lấy số vòng là W1=237 vòng 11) Số vòng pha thứ cấp máy biến áp: Lấy số vòng là W2=64 vòng 12) Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp với dây dẫn bằng đồng máy biến áp khô ta có J1 = J2 = 2,5 A/mm2 với J thường chọn (2 ữ 2,75)A/mm2 13) Tiết diện dây dẫn sơ cấp: Chọn dây đồng tròn cấp cách điện B theo bảng 3 sách Tính toán thiết bị điện tử công suất (Trần Văn Thịnh) ta có: S1đm = 7,306 mm2 mcu = 650 g/m d1 = 3,05 mm d1n =3,38 mm 14) Tiết diện dây cuốn thứ cấp máy biến áp: Chọn dây đồng tròn cấp cách điện B theo bảng 3 sách Tính toán thiết bị điện tử công suất(Trần Văn Thịnh) ta có: S2đm =27,90 mm2 a=3,05(mm) b=9,30(mm) 15) Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp: 16) Tính lại mật độ dòng điện cuộn thứ cấp: 2,35( A/mm2) Kết cấu dây quấn: do dây quấn thứ cấp là dây quấn hạ áp nên sẽ quấn phía trong gần trụ còn dây quấn sơ cấp quấn ở bên ngoài. Kết cấu dây quấn thứ cấp (Hạ áp): Thực hiện kiểu dây cuốn đồng tâm bố trí dọc trục. 17) Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp dây cuốn: (vòng) Lấy W12=19 vòng kc = 0,95 hệ số ép chặt h = 22 (cm) chiều cao trụ hg - khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp chọn hg=0,5(cm) d2n = 0,93+0,1=1,03 (cm) đường kính kể cả cách điện 18) Tính sơ bộ số lớp dây cuộn thứ cấp: (lớp) 19) Chọn số lớp n12= 4 như vậy 64 vòng chia thành 4 lớp. Chọn mỗi lớp có W12=16 vòng. 20) Chiều cao thực tế của cuộn dây thứ cấp: 21) Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày S02= 0,1 cm. 22) Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây thứ cấp chọn cd02=0,5 cm. 23) Kích thước trong của ống cách điện hình vuông: a2=a+2cd02-2S02= 8,5 + 2.0,5 - 2.0,1 = 9,3 (cm) 24) Kích thước trong của cuộn thứ cấp: at2= a2 + 2.S02 = 9,3 + 2.0,1 = 9,5 (cm) 25) Chọn bề dày giữa 2 lớp cuộn dây thứ cấp: cd22= 0,01cm = 0,1mm. 26) Bề dầy của cuộn dây thứ cấp cần tính: Bd2 = d2n.n12 + cd22.n12=(3,05+1).4+0,1.3= 16,5(mm) 27) Kích thước ngoài của cuộn thứ cấp: an2=at2+2.Bd2=9,5+2.1,65=12,8 (cm) 28) Chiều dài vòng dây trong cùng cuộn thứ cấp: l21 = 4.at2= 4.9,5 = 38(cm) 29) Chiều dài vòng dây ngoài cùng cuộn thứ cấp: l22=4.an2= 4.12,8=51,2(cm) → 30) Chiều dài cuộn thứ cấp: L2=W2. ltb2=64.44,6.10-2 = 2854,4 (cm) = 28,544( m). 31) Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp : cd12= 1,0 cm Kết cấu dây cuốn sơ cấp (Cao áp): 32) Chiều cao sơ bộ sơ cấp: h1= h2= 22 (cm) 33) Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp dây quấn sơ cấp: Lấy W11 =61 vòng 34) Tính sơ bộ số lớp dây cuốn thứ cấp: 35) Chọn số lớp dây sơ cấp n11 = 4 lớp; chọn 3 lớp đầu có số vòng là W11=60 vòng,lớp 4 có 57 vòng. 36) Chiều cao thực tế cuộn sơ cấp: h1 = 37) Kích thước trong của cuộn sơ cấp: at1= an2 + 2.cd12 = 12,8+2.1= 14,8(cm) 38) Chọn bề dày cách điện giữa các lớp ở cuộn sơ cấp: cd01=0,1mm 39) Bề dầy của cuộn thứ cấp: Bd1 = d1n.n11+ cd01.n11=3,38.4+0,1.3=13,82(mm) 40) Kích thước ngoài của cuộn sơ cấp: an1=at1+2.Bd1=14,8+2.1,382=17,564 (cm) 41) Chiều dài của vòng dây trong cùng cuộn sơ cấp : l11=4.at1=4.14,8=59,2(cm) 42) Chiều dài của vòng dây ngoài cùng cuộn dây sơ cấp: l12=4.an1= 4.17,564=70,256 (cm) → 43) Chiều dài dây quấn cuộn sơ cấp: L1=W1. ltb1= 237.64,728.10-2= 15340,536 (cm) ằ 153,41(m) 44) Chọn khoảng cách giữa 2 cuộn sơ cấp: cd11=2cm. W2 W2 W1 W1 Bd2 Bd1 Cd12 Cd02 hg Cd11 Hình 3.2:Bố trí cuộn dây biến áp. Tính kích thước mạch từ. Chọn sơ bộ kích thước cơ bản của mạch từ, vì đây là loại máy có công suất nhỏ ta chọn trụ hình vuông với : QFe = a.a Ta có QFe=8,5cm2 tiêu chuẩn hóa → QFe=8,5.8,5 cm2 Trong đó : a - kích thước của trụ Để đơn giản trong việc chế tạo gông từ ta chọn gông có tiết diện hình vuông và có kích thước giống như như trụ. 45) Diện tích cần có của cửa sổ: Qcs = Qcs1 + Qcs2 Trong đó: Qcs1 = k1d . W1. Scu1 ; Qcs2 = k1d . W2.Scu2 ; kld : hệ số lấp đầy của dây cuốn chọn kld= 3 Qcs = kld (W1.SCu1+W2SCu2) =3.(237.7,306 + 64.27,9) =10551,366( mm2) 46) Ta có a = 8,5cm và h=22cm c > 2.(Bd1+Bd2+cd02+cd12)+cd11=2.(1,382+1,65+0,5+1)+2=11,064 (cm) Trong đó: cd11 - là cách điện giữa 2 cuộn sơ cấp. → chọn c = 12 cm → Qcs = c.h = 12.22 = 264 (cm2) 47) Chiều cao mạch từ: H = h+2a = 22+2.8,5 = 39 (cm) (z = 2 vì là máy biến áp 3 pha) 48) Chiều rộng mạch từ: C =2c +xa = 2.12 +3.8,5 =49,5(cm) (x=3 vì máy biến áp 3 pha có 3 trụ) 49) Tiết diện gông: Qbg = a.a = 8,5.8,5 = 72,25 (cm2) Hình 3.3:Sơ đồ kết cấu lõi thép biến áp b h H c C a c 50) Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ: 51) Mật độ từ cảm trong gông: Bg = BT. Khối lượng của sắt và đồng: 52) Thể tích sắt: VFe=m.QFe.h+2.QFe.C=3.72,25.22+2.72,25.49,5=119221,25(cm3)=11,921(dm3) 53) Khối lượng của sắt: MFe=VFe.mFe= 11,921.7,85=93,58(kg) 54) Thể tích của đồng: Vcu=3.(SCu1l1+SCu2l2)= 3.(10,83.1534,1 + 7,963.285,44)= 5,6383(dm3) 55) Khối lượng đồng: Mcu=Vcu.mcu = 5,6383.8,9 = 50,17(kg) Tính các thông số của máy biến áp chỉnh lưu: 56) Điện trở trong các cuộn dây sơ cấp máy biến áp ở 75oC: R1= 57) Điện trở cuộn thứ cấp máy biến áp 750C: 58) Điện trở biến áp quy đổi về thứ cấp: Rba ==0,056() 59) Sụt áp trên điện trở máy biến áp: 60) Điện kháng máy biến áp quy đổi về thứ cấp: 61) Điện cảm máy biến áp quy đổi về thứ cấp: Lba= 62) Sụt áp trên điện kháng máy biến áp: 63) Sụt áp trên máy biến áp: 64) Điện áp trên động cơ khi có góc mở : 65) Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp: 66) Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp: 67) Tổn hao có tải có kể đến 15% tổn hao phụ: P0= 1,3.1,15.(m.QFe.h.10-3.7,85.0,992+2.QFe.C.10-3.7,85.0,992) P0= 1,3.1,15.(93,58.1,00192) = 140,4 (W) 68) Điện áp ngắn mạch tác dụng: Unr= 69) Điện áp ngắn mạch phản kháng: Unx = 70) Điện áp ngắn mạch phần trăm: 71) Dòng điện ngắn mạch xác lập: I2nm = 72) Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu: 3.4 Thiết kế cuộn kháng lọc. 3.4.1 Xác định góc mở cực tiểu và cực đại. Chọn gúc mở cực tiểu . Với gúc mở là dự trữ để cú thể bự được sự giảm điện ỏp lưới. + Khi gúc mở nhỏ nhất thỡ điện ỏp trờn tải là lớn nhất : và tương ứng tốc độ động cơ sẽ lớn nhất: + Khi gúc mở lớn nhất thỡ điện ỏp trờn tải là nhỏ nhất: và tương ứng tốc độ động cơ sẽ là nhỏ nhất: Ta có: Với được xác định như sau: Từ ; Với Giả thiết dải điều chỉnh tốc độ động cơ D=30 thay số vào ta có: Thay số vào ta được: 3.4.2 Xác định các thành phần sóng hài. Để thuận tiện cho việc khai triển chuỗi Furier ta chuyển gốc toạ độ sang điểm (thời điểm mở tiristor), khi đó điện áp tức thời trên tải khi tiristor và dẫn là: ; Với Điện áp tức thời trên tải Ud không sin và tuần hoàn với chu kì: Trong đó số xung đập mạch trong một chu kì điện áp lưới. Khải triển chuỗi Furier của điện áp ta được: Trong đó: Ta có Vậy ta có biên độ của điện áp: 3.4.3 Xác định điện cảm cuộn kháng lọc. Từ sự phân tích điện áp chỉnh lưu ta thấy khi mà góc mở càng tăng, biên độ thành phần sóng hài bậc cao càng lớn nghĩa là đập mạch của điện áp, dòng điện càng tăng lên. Sự đập mạch này làm xấu chế độ chuyển mạch của vành góp của chổi điện, đồng thời gây tổn hao phụ dưới dạng nhiệt trong động cơ (tổn hao này do sóng hài bậc cao gây ra). Để hạn chế sự đập mạch này ta phải mắc cuộn kháng nối tiếp với phần ứng của động cơ. Cuộn kháng lọc này phải đủ lớn để Trong đó là dòng điện đẳng trị của các sóng hài bậc cao: Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao, cuộn kháng lọc còn có tác dụng hạn chế vùng dòng điện gián đoạn. Điện kháng lọc được tính khi góc mở: Ta có phương trình cân bằng điện áp: Cân bằng hai vế ta được: ; Vì nên: Trong các thành phần xoay chiều bậc cao thì thành phần sóng bậc 6k = 6 có mức độ lớn nhất gần đúng ta có: , nên: Vậy Trong đó: Thay vào ta được: Điện cảm mạch phần ứng đã có: Lưc=Lư+2LBA= 0,0021+2.0,00014=0,00238 (H) Điện cảm cuộn kháng lọc: LK= L – Lưc =0,0052-0,00238=0,00282 (H) 3.4.4 Thiết kế cuộn kháng lọc. Các thông số ban đầu: Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc: Lk= 0,00282 H Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng: Im=80 A Biên độ dòng xoay chiều bậc 1: I1m=10%Iđm= 8A Các bước tính toán: Điện kháng của cuộn kháng: 2)điện áp xoay chiều đặt lên cuộn kháng Lk là : 3)Công suất của cuộn kháng lọc : 4)Tiết diện cực từ chính cuộn kháng lọc: KQ là hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát,khi làm mát bằng không khí tự nhiên KQ=5. Chọn tiết diện trụ theo kích thước có sẵn Q=4cm2 Hình 3.4 : Kết cấu mạch từ cuộn kháng. 5)Với tiết diện trụ Q = 4 cm2 chọn loại thép tấm thép dày 0,35mm. Kích thước: a=20 mm ; b=20 mm 6) Chọn mật độ từ cảm trong trụ: BT = 0,8 T 7) Khi có thành phần dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm thì trong cuộn cảm sẽ xuất hiện một sức điện động Ek: Gần đúng có thể coi Ek= Uk=30(V) Lấy W=270 vòng 8) Ta có dòng điện chạy qua cuộn kháng: Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng: 9) Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng : Chọn dây dẫn tiết diện tròn cách điện cấp B, chọn Sk= 30 mm2 với kích thước dây: Sk=30,00(mm2) ; a=3,05(mm) ; b=10(mm) Tính lại mật độ dòng điện: 10) Chọn tỷ số lấp đầy: 11) Diện tích cửa sổ cần có: 12) Tính kích thước cửa sổ: Qcs= c.h Chọn suy ra h= 3.a = 3.20 = 60 mm Chọn c=50(mm) = 5 (cm) suy ra Qcs=c.h=5.6=30 (mm2) 13) Chiều cao mạch từ: H=h+a=60+20=80(mm) 14) Chiều dài mạch từ: C=2.c+2.a=2.50+2.20=140(mm) 15) Chọn khoảng cách từ gông tới cuộn dây: hg=1 mm 16) Tính số vòng dây trên một lớp: Chọn W1=5(Vòng) 17) Tính số lớp dây quấn: 18) Chọn khoảng cách điện giữa dây quấn với trụ: cd01= 3 mm Cách điện giữa cách lớp cd1= 0,1 mm 19) Bề dày cuộn dây: Bd=(d1k+cd1).n1=(3,05+0,1).14=44,1(mm) 20) Tổng bề dày cuộn dây: 21) Chiều dài vòng dây trong cùng: l1=4.a+2.4.cd01=4.20+2.4.3=104 (mm) 22) Chiều dài vòng dây ngoài cùng: l2=4.a+2.4.(cd01+Bd)=4.20+2.4.(3+44,1)=456,8(mm) 23) Chiều dài trung bình một vòng dây: ltb= (l1+l2)/2 = (104+456,8)/2 = 280,4(mm) Chiều dài dây quấn cuộn kháng: L= W.ltb =70.280,4 = 19628(mm) = 19,628(m) 24) Điện trở dây quấn ở 75ºC: 25) Thể tích sắt: VFe= 2.a2.h + 2.a2/2.C = 2.22.6+2.22/2.14= 104(cm3) = 0,104(dm3) 26) Khối lượng sắt: MFe=VFe.mfe= 0,104.7,85 = 0,8164(kg) Trong đó mFe=7,85 kg/dm3 là khối lượng riêng của sắt. 27) Khối lượng đồng: MCu= VCu.mCu = Sk.L.mCu = 30.10-6.196,28.8,9. = 0,524(kg) Trong đó mCu= 8,9 kg/dm3 là khối lượng riêng của đồng. 3.5 Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực. 3.5.1 Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ. Hình 3.5 : Mạch động lực có các thiết bị bảo vệ. 3.5.2 Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn. Khi làm việc với dòng điện chạy qua, trên van có sụt áp, do đó có tổn thất công suất , tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác van bán dẫn chỉ được làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó. Nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt thì ta phải chọn và thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý. Tính toán cánh tản nhiệt: - Tổn thất công suất trên một Tiristo: DP = DU.Ilv = 1,8.46,18 = 83,124(W) - Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: Trong đó: - là tổn hao công suất W - là độ chênh nhiệt độ so với môi trường. km - hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt (trong điều kiện làm mát tự nhiên không quạt cưỡng bức, thường chọn ktn =(6 á 10).10-4 [W/cm2 oC]. Với Tcp = 1250C. Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt là Tlv = 800C t = Tlv - Tmt = 80 – 40 = 400C ( chọn Tmt = 400C ) Chọn km = 8 (W/m2.0C) Vậy STN= =2597(cm2) Chọn cánh tản nhiệt có 14 cánh, kích thước mỗi cánh là: a.b = 10.10(cm.cm) Tổng diện tích toả nhiệt của cánh : Stn = 14.2.10.10 = 2800(cm2) 3.5.3 Bảo vệ quá dòng điện cho van. Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch Tiristo, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu. Chọn aptomat: Dòng làm việc chạy qua aptomat: Ilv = Dòng aptomat cần chọn: Iđm 1,1.Ilv = 1,1.28,12 = 30(A) và Uđm = 380 V Có ba tiếp điểm chính có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện. Chỉnh định dòng ngắn mạch: Inm = 2,5.Ilv = 2,5.28,12=70,3(A) Dòng quá tải: Iqt = 1,5.Ilv = 1,5.28,12= 42,18(A) Chọn cầu dao có dòng định mức: Iqt=1,1.Ilv=1,1.28,12= 30(A) Dùng cầu dao để tạo khe hở an toàn khi sửa chữa hệ thống truyền động và dùng để đóng cắt bộ nguồn chỉnh lưu. Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Tiristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu: Nhóm 1cc: dòng định mức dây chảy nhóm 1cc I1cc = 1,1.I2 = 1,1.65,6 = 72,16(A).Chọn loại 80(A) Nhóm 2cc: dòng định mức dây chảy nhóm 2cc I2cc = 1,1.Ihd = = 50(A).Chọn loại 50(A) Nhóm 3cc: dòng định mức dây chảy nhóm 3cc I3cc = 1,1.Id = 1,1.80 = 88(A).Chọn loại 90(A) Vậy ta chọn dây chảy nhóm: 1CC loại 80 (A); 2CC loại 50 (A); 3CC loại 90(A). 3.5.4 Bảo vệ quá điện áp cho van. Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng ngắt tiristor được thực hiện bằng cách mắc R – C song song với tiristor. Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm, dẫn đến hiện tượng quá điện áp van. Khi có mạch R – C mắc song song với tiristor, tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên tiristor không bị quá điện áp. Theo kinh nghiệm: R1 = (5) W ; C1 = (0,25 ) mF Chọn : R1 = 5 W ; C1= 1 mF Hình 3.7: Mạch R- C bảo vệ quá điện áp Hình 3.8: Mạch R – C bảo vệ do chuyển mạch. điện áp từ lưới. Để bảo vệ xung điện áp từ lưới điện ta mắc mạch lọc R–C trước đầu vào chỉnh lưu. Nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung điện áp gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Ta chọn R2 =12,5; C2 = 4. Để bảo vệ van do cắt đột biến áp non tải, người ta mắc một mạch R - C ở đầu ra của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha phụ bằng các diod công suất bé. Hình 3.9: Mạch cầu ba pha dùng diod tải RC bảo vệ do cắt MBA non tải. Thông thường giá trị tự chọn trong khoảng 100 mF. Chọn: R4= 470 W; C=10 mF. Chọn giá trị điện trở R3= 1,4 (KW). Chương 4 Tính toán thiết kế mạch điều khiển cho bộ nguồn chỉnh lưu. 4.1 Nguyên tắc điều khiển. 4.1.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Khi điện áp xoay chiều hình sin (Uđf) đặt vào anod của Tiristor. Để có thể điều khiển được góc mở a của Tiristor trong vùng điện áp dương anod, cần tạo một điện áp tựa dạng tam giác (thường gọi điện áp tựa là điện áp răng cưa Urc). Dùng một điện áp một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm (t1, t4) điện áp tựa bằng điện áp điều khiển (Urc = Uđk), trong vùng điện áp dương anod, thì phát xung điều khiển (Xđk) Tiristor được mở từ thời điểm có xung điều khiển (t1, t4) cho tới cuối bán kì (hoặc tới khi dòng điện bằng 0). Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp: Điện áp đồng bộ Urc có dạng răng cưa đồng bộ với điện áp đặt lên Anode - Catode của Tiristo. Điện áp điều khiển Uđk là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ. Wt Wt Wt Wt Hình 4.1: Nguyên lý điều khiển thằng đứng tuyến tính. Tổng đại số Urc + Uđk được đưa đến đầu vào của khâu so sánh. Khi Urc+Uđk = 0 ta nhận được xung điều khiển để mở Tiristo. Như vậy bằng cách thay đổi Uđk ta có thể điều chỉnh được thời điểm phát xung điều khiển mở Tiristo tức điều khiển góc mở a.Ta có a được xác định : . Khi Uđk = 0 ta có a = 0 Khi Uđk = Urc ta có a = p Thường ta lấy Urcmax = Uđkmax Ta có: đ Ud = KCL.Uđk. Với KCL là hệ số của bộ chỉnh lưu. Nhận thấy rằng KCL là một đại lượng phi tuyến điều này không tốt khi cần thiết kế hệ tự động ổn định. 4.1.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos. Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp: Điện áp đồng bộ Urc vượt trước điện áp Anode - Catode của Tiristo một góc bằng với chỉnh lưu một pha và góc với chỉnh lưu ba pha. Điện áp điều khiển Uđk là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được theo hai hướng dương và âm. Urc UA Urc -Uđk Wt Wt Wt Xđk 60o Hình 4.2: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos aảarccos Tổng đại số Urc + Uđk được đưa đến đầu vào của khâu so sánh. Khi Urc + Uđk = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh. Ta có: Uđk + Urcmax .cos a = 0 Do đó: Ta lấy Urcmax = Uđkmax Suy ra: Khi Uđk = - Urcmax ta có: Khi Uđk = 0 ta có: Khi Uđk = Urcmax ta có : a = p Như vậy khi thay đổi điện áp Uđk từ –Urcmax đến +Urcmax ta sẽ thay đổi được góc mở van từ 0 đến p. Nhận thấy rằng hệ số chỉnh lưu KCL là một hằng số. Như vậy sẽ rất tốt khi thiết kế hệ cần tự động ổn định. Phương pháp điều khiển thẳng đứng arccos thường được sử dụng cho những hệ chỉnh lưu cần chất lượng điều khiển cao. Để đơn giản ta chọn phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính cho thiết kế mạch điều khiển bộ chỉnh lưu. 4.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển. Để tạo được xung điều khiển mở tiristor thì một mạch điều khiển gồm các khâu cơ bản sau: Hình 4.3: Sơ đồ cấu trúc của mạch điều khiển Khâu đồng pha (ĐF): có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa biến thiên đồng bộ với điện áp UAK của Tiristo hay với điện áp đồng pha Uđf. Điện áp tựa có thể biến thiên theo luật tuyến tính hay luật côsin. Khâu so sánh (SS): Xác định thời điểm trị tuyệt đối của điện áp tựa Urc bằng điện áp điều khiển Uđk. Tại thời điểm Urc + Uđk = 0 thì phát xung điều khiển mở Tiristo. Lệnh mở Tiristo thường được thể hiện bằng sự thay đổi đột ngột điện áp ở đầu ra của khâu so sánh. Khâu tạo xung khuếch đại: tạo ra xung thích hợp để mở tiristor. Ngoài ra khâu tạo xung, khuếch đại còn cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực qua biến áp xung. tx Xđk t tx Xđk cánh tản nhiệt một van bán dẫn Hình 4.4: Hình dạng xung điều khiển Tiristor. 4.3 Nguyên tắc phát xung mạch điều khiển. Đặc điểm điều khiển cầu ba pha đối xứng là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, nghĩa là dòng điện đồng thời chạy qua hai tiristor một lúc. Trên hình 4.5 mô tả thứ tự dẫn và điều khiển các tiristor trong một chu kì. Các tiristor in đậm là các tiristor được cấp xung điều khiển và cần dẫn. Từ sơ đồ hình 4.5 thấy rằng: khi điều khiển, đồng thời cấp xung điều khiển cho hai tiristor, một của nhóm NA, một của nhóm NK. Ta coi xung cần mở tiristor được quyết định bởi góc mở của chúng là xung chính thì phải có xung đệm, xung chính ở nhóm van này thì xung đệm ở nhóm van kia. Việc cấp xung đệm cũng cần đúng thứ tự pha. Thứ tự dẫn và cấp xung điều khiển của các tiristor luân chuyển nhau theo thứ tự pha. Theo việc dẫn của các tiristor trên hình 4.5 các xung điều khiển được cấp: T1àT4àT6àT1àT3àT6àT2àT3àT5àT2àT4àT5 à T1àT4. Đệm xung điều khiển như trên có thể thực hiện bằng hai cách: - Cách thứ nhất, cấp xung chính._.