Thiết kế chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Lời nĩi đầu Sự bùng nổ của tiến bộ khoa học kỹ thuật trong cạc lỉnh vực điện, điện tử, tin học trong nhửng năm gần đây đả ảnh hưởng sâu sắc cả về lý thuyết và thực tiển và ứng dụng rộng rải cĩ hiệu quả cao trong rất nhiều lỉnh vực khác nhau. Đặc biện là lỉnh vực điều khiển tự động và các dây truyền cơng nghiệp thép kín ra đời trong đĩ cĩ lỉnh vực điều khiển động cơ điện. Điều khiển động cơ điện một chiều là một lỉnh vực khơng mới và được ứng dụng rất nhiều trong thực tế cơng nghiệp sản xuất, cĩ khá nhiều các phương điều khiển. Trong giới hạn đồ án mơn học vận dụng các linh kiện điện tử đơn giản và các phương pháp điều khiển được học. Em được giao nhiệm vụ” THIẾT KẾ CHỈNH LƯU CẦU 3 PHA ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP ”. Nội dung đề tài bao gồm các chương: Chường I: Tổng quan về động cơ điện một chiều và cá phương pháp điều chỉnh tốc độ. Chương II: Tổng quan về bộ chỉnh lưu cầu 3 pha. Thiết kế sơ đồ nghuyên lý hệ chỉnh lưu động cơ điện một chiều (hệ T-D) kích từ độc lập. Chương III: Tính tốn và thiết kế mạch động lực. Chương IV: Tính tốn thiết kế mạch điều khiển và mạch bảo vệ. Do lần đầu tiên làm đồ án, kiến thức cịn hạn chế nên đồ án khơng tránh khỏi những sai xĩt. Mong thây cơ và các bạn giúp đồ án của em hồn thiện hơn. Với sự giúp đở hết sức tận tình của các thầy cơ giáo trong khoa đặc biệt là cơ giáo TRƯƠNG THỊ BÍCH THANH. Đã giúp em hồn thành nhiệm vụ này một cách tốt nhất. Em xin chân thành cảm ơm! Giáo viên hướng dẩn Sinh viên thực hiện Trương Thị Bích Thanh Lê Xuân Trung CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 1.1 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. 1.1.1 Khái quát chung: Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trọng một phạm vi rộng và trong nhiều trường hợp cần cĩ đặc tính cơ đặc biệt, thiết bị đơn giản hơn và rẻ tiền hơn các thiết bị điều khiển của động cơ ba pha.Vì một số ưu điểm như vậy cho nên động cơ điện một chiều được sử dụng rất phổ biến trong cơng nghiệp, trong giao thơng vận tải…. 1.1. 2. Cấu tạo của độn cơ điện một chiều. Động cơ điên một chiều chia thành 2 thành phần chính: - phần tỉnh( stato). Gồm các bộ phận như sau: Cực chỉnh từ: là bộ phận sinh ra từ trường, gồm lỏi sắt cực từ và dây quấn kích từ. + Lỏi sắt cực từ làm bằng lá thép kỹ thuật điện dày( 0,5-1)mm ép lại và tán chặt. + Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bĩc cách điện. Trong các máy cĩ cơng suất nhỏ cực từ chính là một nam châm vinh cửu. Cịn trong máy cĩ cơng suất lớn cực từ là nam châm điện. Cực từ phụ đặt giửa cực từ chính dùng để cải thiện trình trạng làm việc cảu máy điện và đổi chiều. + lỏi thép cực từ phụ cĩ thể là một khối hoạc được gép bằng các lá thép tùy theo chế độ làm việc. Xung quanh cực từ phụ được đặt giây quấn cực từ phụ, dây quấn cực từ phụ được nối với dây quấn phần ứng. Gơng từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Phần quay(roto) Bao gồm các bộ phận sau: + lỏi thép phần ứng: dùng để dẩn từ, thường dùng những tấm thép kỷ thuật điện dày 0.5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dịng điện xốy gây lên. Trong máy điện nhỏ lỏi thép phần ứng được ép trực tiếp vào trục cịn tong máy điên lớn giửa trục và lỏi sắt cĩ giá roto. Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động và cĩ dịng điện chạy qua, nĩ thường được làm bằng đồng bọc cách điện. Cổ gĩp: dùng để đổi chiều dịng điện xoay chiều thành một chiều. Cơ cấu nối than: dùng để đưa dịng điện từ phần quay ra ngồi. 1.1.3. phân loại động cơ điện một chiều. Cũng như máy phát, động cơ điện củng được phân loại theo cách kích thích từ thành các động cơ sau: Động cơ điện kích từ độc lập: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập cĩ quộn kích từ được câp điện từ một nguồn điện ngịai độc lập với nguồn điện cấp cho mạch phần ứng. Động cơ kích từ nối tiếp: Động cơ kích từ nối tiếp cĩ cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng. Động cơ kích từ hổn hợp: Gồm 2 dây quấn kích từ: dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp trong đĩ dây quấn kích từ song song là chủ yếu. 1.1.4. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng cĩ dịng điện Iư. Các thanh dẫn cĩ dịng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực Fđt tác dụng làm cho rơto quay. Khi phần ứng quay được nửa vịng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, do cĩ phiến gĩp đổi chiều dịng điện, giữ cho chiều lực tác dụng khơng đổi, đảm bảo động cơ cĩ chiều quay khơng đổi. Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện động Eư.. Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dịng điện Iư nên sức điện đơng Eư cịn được gọi là sức phản điện. Phương trình điện là: 1.1.5.phơng trình đặc tính cơ: Để điều khiển được tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì ta phải phân tích, tìm các mối quan hệ giữa tốc độ với các thơng số khác của động cơ để từ đĩ đưa ra phương pháp điều khiển. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập thì dịng kích từ độc lập với dịng phần ứng.Vì được nuơi bởi hai nguồn một chiều độc lập với nhau. Hình 1-1 Sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập Theo hình 1 ta viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng : Uư=Eư+ ( Rư+ Rf)Iư (1) Trong đĩ: Uư: Điện áp đặt lên phần ứng động cơ(V). Eư: Sức điện động phần ứng (V) Rư: Điện trở của mạch phần ứng (Ω) Rf: Điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω) Iư: Dịng điện mạch phần ứng (Α) Với Rư= rư+ rcf+rb+ rct Trong đĩ : rư điện trở cuộn dây phần ứng (Ω) Rcf: Điện trởcuộn cực từ phụ(Ω) Rb: Điện trở cuộn bù ( Ω) Rct: Điện trở tiếp xúc chổi điện (Ω) • Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thưc sau: (2) Trong đĩ : p : Số đơi cực từchính N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a : Số đơi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng : Từ thơng kích từ dưới mỗi cực từ(wb) ω: Tốc độ gĩc (rad/s) K = PN2πa : Hệ số cấu tạo động cơ. Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vịng/ phút) thì (3) ω = 2π n60 = n9,55 Vì vậy : Eư= PN60an Với : ke= PN60a : Hệ số sức điện động của động cơ. ke= k9,55 ≈0,105 k. Thay (1) và (2) và biến đổi ta được : ω= UưK - Rư + Rf(K ) Iư ; (4) Biểu thức (4) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.Mặt khác, mơmen điện từ: Mđt=K∅ . Iư (5) Nếu bỏ qua tổn thất trong các ổ trục, tổn thất tự quạt mát và tổn thất trong thép thì mơmen cơ trên trục của động cơ bằng mơmen điện từ, ta ký hiệu là M, tức là : Mđt= Mcơ=M Vậy phương trình đặc tính cơ của động cơ là : ω= UưK ∅- Rư + Rf(K ∅)2M ( 6) Biểu thức (6) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập . Khơng xét đến ảnh hưởng của phản ứng phần ứng ngang trục làm giảm từ thơng Ø của động cơ tức là xem Ø=const thì quan hệ ω=f(M,I) là tuyến tính. Hình 1-2 đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Từ đồthị ta cĩ : khi Iư= 0 hoặc M =0 ta cĩ: ω= UK ∅=ω0 (7) ω0: được gọi là tốc độ khơng tải lý tưởng của động cơ, khi ω=ω0 ta cĩ: (8) Và M = k∅Inm= Mnm (9) Inm, Mnm: được gọi là dịng điện ngắn mạch và mơmen ngắn mạch. Mặt khác : phương thình đặc tính (4) và (6) cũng cĩ thể viết dưới dạng: (10) (11) Vì : Iư= MK ∅ ta suy ra từ (5) Trong đĩ : R = Rư + Rf , ω0=UưK ∅ (12) Δω: được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trịcủa M (hay I) , ta cĩ thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vị tương đối với điều kiện từ thơng là định mức (Ø =Øđm). Trong đĩ:; ( Rcb=Uđm/ Iđm được gọi là điện trở cơ bản ) Từ(4) và (6) ta viết đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vị tương đối ω*=1- R*I* (13) ω∗= 1- R*M∗(14) • Độ cứng của đặc tính cơ: • Cơng suất (năng lượng điện) Từ phương trình lý tưởng : IU =(Eư+IRư)I (16) Ta cĩ Pđiện=Pđt+ΔΡ Trong đĩ Pđt = IEư cơng suất điện từ. ΔP =I2Rư tổn hao cơng suất cơ trên điện trở phần ứng . Thực tế :Pđiện=Pđt+ ΔPư+ ΔP0 (17) Với ΔP0 tổn hao ma sát do sự quay Từ biểu thức (4) hoặc (6) ta thấy ω là một hàm phụ thuộc R, Ø,U : 〈ω=f(R,Φ,U) do đĩ để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập cĩ ba phương pháp điều khiển sau : - Điều khiển điện trở phụ phần ứng - Điều khiển từ thơng kích từ - Điều khiển điện áp phần ứng Sau đây ta xem xét từng phương pháp điều khiển một 1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.2.1 Phương pháp điều khiển bằng điện trở phụ phần ứng (Rf): •Nguyên lý điều chỉnh: Nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng Ta đã phân tích ở trên nên ta cĩ ω= f〈Rf, Økt, U, giả thiết rằng :Nếu giữ Ø=Øđm=const ; U= Uđm= const; Rư=const thì ω=f(Rf) Muốn thay đổi được giá trị Rf của mạch phần ứng bằng cách nối tiếp một điện trở phụ(Rf) thay đổi được giá trị vào mạch phần ứng. Lúc này ta cĩ : R = Rư+ Rf Từ phương trình đặc tính cơ : ω= UdmK ∅dm- Rư + Rf(K ∅dm)2M Từ phương trình trên ta thấy : khi tăng giá trị của Rf thì tốc độ của động cơ giảm, khi giảm giá trị của Rf thì tốc độ của động cơ tăng . Lúc này ta cĩ tốc độ khơng tải lý tưởng:(18). Cịn độ cứng của đặc tính cơ: Như vậy khi thay đổi Rf cho ta một họ đặc tính như sau: Hình 1-3 : Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ở những điện trở phụ khác nhau •Nhận xét: Nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời Inm và Mnm cũng giảm. Phương pháp này được dùng để hạn chế dịng điện động cơ khi khởi động. - Ưu điểm : Đơn giản , dễ thực hiện. - Nhược điểm : + Độ cứng đặc tính cơ thấp. + Tổn thất năng lượng trên điện trở lớn . + Phạm vi điều chỉnh hẹp. 1.2.2. Phương pháp điều chỉnh bằng từ thơng kích từ: •Nguyên lý điều chỉnh: Điều chỉnh từ thơng kích từ của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mơ men điện từ của động cơ M = kØIư và sức điện động quay của động cơ Eư=kØω. Hình 1-4: Sơ đồ nối dây điều chỉnh kích từ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Từ biểu thức (4) và (6) ta thấy ω= f(U, φkt, Rf), nếu giữ U=Uđm=const và điện trở phần ứng Rư= const (Rf=0 ) lúc này ω= f(φkt). Để thay đổi được tốc độ ω ta cần thay đổi Økt, mà từ thơng kích từ do dịng kích từ sinh ra. Vậy để điều chỉnh Økt ta mắc thêm biến trở Rv vào mạch kích từ, khi điều chỉnh Økt ta phải tuân theo điều kiện sau. Khơng thể tăng dịng kích từ Ikt lớn hơn dịng định mức của cuộn dây kích từ vì nĩ phá hỏng cuộn kích từ và khi Økt = Øđm đã bảo hịa rồi, nếu muốn tăng Ikt thì Økt cũng khơng tăng đáng kể nên ta điều chỉnh bằng cách giảm Økt. •Trong trường hợp này ta cĩ: - Tốc độ khơng tải lý tưởng: - Độ cứng của đặc tính cơ: Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế hường điều chỉnh giảm từ thơng. Nên khi từ thơng giảm thì ωx tăng, cịn β sẽ giảm. Ta cĩ đồ thị đặc tính cơ với ωx tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thơng. Hình 1-5 : Đặc tính cơ và cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thơng. Từ đồ thị ta nhận thấy khi từ thơng thay đổi vơi Øđm>Ø1 >Ø2ta cĩ: Dịng điện ngắn mạch :Inm = Udm Ru = const - Mơ men ngắn mạch: Mnm = kØxInm = var (Mnm > Mnm1 > Mnm2) Từ đồ thị đặc tính ta thấy ω0<ω1<ω2.Vậy phương pháp điều chỉnh từ thơng là phương pháp điều chỉnh trên tốc độ cơ bản. •Các chỉ tiêu chất lượng khi giảm từ thơng Økt Tốc độ khơng tải lý tưởng: Inm = Udm K ∅x tăng. Độ cứng đặc tính cơ : β=( K ∅x )2Ru giảm. Dải điều chỉnh khơng rơng. : D =ωmax ωmin 1 : 2 + Tốc độ nhỏ nhất bị chặn bởi đặc tính tự nhiên (Ø=Øđm) + Tốc độ lớn nhất ωmax bị giới hạn bởi độ bền cơ khí và điều kiện chuyển mạch của động cơ - Ưu điểm: Cơng suất mạch điều chỉnh nhỏ, tổn thất năng lượng nhỏ. - Cũng cĩ thể sản xuất những động cơ giới hạn điều chỉnh 1:5 thậm chí đến 1:8 nhưng phải dùng những phương pháp khống chế đặc biệt, do đĩ cấu tạo và cộng nghệ chế tạo phức tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên. 1.2.3. Phương pháp điều khiển động cơ điện mợt chiều kích từ độc lập bằng thay đổi điện áp phần ứng: Từ phương trình đặc tính cơ (6) Giả thiếtØ = Øđm=const; Rư=const; (Rf=0), M = const. Lúc này ω= f(Uư) Khi thay đổi điện áp phần ứng ta cĩ: Tốc độ khơng tải lý tưởng: Độ tính của đặc tính cơ Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng cho ta một họ các đặc tính sau. Với Uđm>U1>U2>U3>……………>Ui Hình 1-6 : Đồ thị đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điện áp phần ứng thay đổi. Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính tự nhiên. •Nhận xét : - Ưu điểm : + khơng gây ồn + Khơng gây tổn hao phụ trong động cơ + Dải điều chỉnh rộng D ≈10 : 1 +Độ cứng đặc tính cơ khơng đổi trong tồn dải điều chỉnh + Dễ tự động hĩa. - Nhược điểm: + phương pháp điều chỉnh này cần một bộ nguồn cĩ thể thay đổi trơn điện áp ra. + điều khiển phức tạp •Kết luận : Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật như hiện nay thì phương pháp này càng được sử dụng phổ biến trong sản xuất cũng như trong các lĩnh vực khác. 1.2.4. Nuyên lý điều chỉnh: • Đặc tính điều chỉnh : Để điều chỉnh điện áp phần ứng, ta phải sử dụng một bộ biến đổi, điều chỉnh được điện áp đầu ra cấp cho mach phần ứng của động cơ. Hình 1-7 : Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh động cơ. Bộ biến đổi dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của lưới điện thành một chiều và điều chỉnh được giá trị điện áp đầu ra theo yêu cầu. Điện trở trong của bộ biến đổi. Rbđ phụ thuộc vào loại thiết bị, vì thơng thường cơng suất của bộ bến đổi và động cơ xấp xỉ bằng nhau nên Rbđ cũng cĩ giá trị đáng kể so với Rư của động cơ. Từ sơ đồ nguyên lý ta cĩ sơ đồ thay thế Hình 1-8 : Sơ đồ thay thế nguyên lý điều chỉnh động cơ Từ sơ đồ thay thế ta cĩ phương trình cân bằng điện áp. Eư= Ubđ– (Rbđ+ Rư)Iư (20) Sức điện động của động cơ Eư= kØđmω (21) Từ biểu thức (20) và (21) ta cĩ kØđmω= Ubđ– ( Rbđ+ Rư)Iư(22) Từ phương trình (22) ta cĩ phương trình đặc tính cơ điện. Phương trình đặc tính cơ: Với : M =kØđmIư Trong đĩ Øđm là từ thơng định mức của động cơ, Øđm= const. Tốc độ khơng tải lý tưởng Độ cứng của đặc tính cơ Ta thấy tốc độ khơng tải lý tưởng khơng phụ thuộc vào M, I mà phụ thuộc vào Ubđ. Ubđ=kaUđk Trong đĩ : ka là hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi Uđk là điện áp điều khiển Từ phương trình (23) và (24) ta cĩ đồ thị đặc tính được biểu diễn như sau. Hình 1-9 : Đồ thị đặc tính cơ điện khi Ubđ thay đổi Từ đồ thị ta thấy, khi Ubđ thay đổi thì ta cĩ những tốc độ khơng tải lý tưởng khác nhau, cịn độ cứng đặc tính cơ khơng đổi và đặc tính điều chỉnh dốc hơn đặc tính tự nhiên. •Nhận xét : - Điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào, kể cả khơng tải lý tưởng , đặc tính cơ điều chỉnh tuy mềm hơn đặc tính tự nhiên nhưng cứng hơn phương pháp dùng biến trở và thay đổi Økt - Điều khiển phước tạp, vốn đầu tư lớn nhưng nĩ là phương pháp tốt hơn so với hai phương pháp trên • Kết luận : Sau khi phân tích ba phương pháp điều khiển nêu trên thì phương pháp điều khiển bằng thay đổi điện áp phần ứng là tốt hơn cả. Cho nên em chọn phương pháp làm phương pháp nguyên cứu cho đề tài của em. 1.3. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP BẰNG THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG. - Hiện nay trong cơng nghiệp người ta thường sử dụng ba loại bộ biến đổi sau: + Bộ biến đổi máy phát điện một chiều + Bộ biến đổi xung áp một chiều + Bộ biến đổi chỉnh lưu cĩ điều khiển - Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi đĩ ta cĩ các hệ truyền động sau: + Hệ máy phát – động cơ( F – Đ) + Hệ điều chỉnh xung áp – động cơ( XA – Đ) + Hệ chỉnh lưu Tiristo – động cơ( T – Đ) Chương II TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU HÌNH CẦU 3 PHA. THIẾT KẾ SƠ ĐỒN NGHUYÊN LÝ HỆ THỐNG CHỈNH LƯU ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU(hệ T- Đ) KÍCH TỪ ĐỘC LẬP. 2. TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU THYRISTOR HINH CẦU 3 PHA. 2. 1 giới thiệu về thyristor. Thyristor là linh kiện gồm 4 lớp bán dẩn P1-N1-P2-N2 liên tiếp tạo nên ba cực: anot A, catot K và cực điều khiển G(gate) Tại ba vị trí tiếp xúc nhau của các lớp P1-N1-P2-N2 tạo nên các lớp tiếp giáp J1,J2,J3. Về lý thuyết cĩ hai loại thyristor: Thyristor kiểu N hay thyristor cĩ cực điều khiển G nối với vùng N gần anot. Hình 2-1 thyristor Thyristor kiểu P hay thyristor cĩ cực G nối với vùng P gần catot. Hoạt động của thyristor: Thyristor làm việc ở ba trạng thái: đĩng – mở – khĩa UBR: điện áp ngược đánh thủng UBO: điện áp tự mở của thyristor UTO: điện áp rơi trên Thyristor IL latching IH dịng duy trì. Hình 2-2 Sơ đồ đặc tính làm việc của thyristor + thyristor khĩa nếu UAK 0. + thyristor chuyển qua trạng thái từ khĩa sang dẩn nếu đồng thời đảm bảo 2 điều kiện: UAK > 0, và cĩ dịng điều khiển IG đủ mạnh( về cả cơng suất và thời gian). Khi thyristor đã dẩn nếu ngắt dịng điều khiển đi( cho IG=0) nĩ sẻ vẩn dẩn chừng nao dịng điện qua nĩ lớn hơn một giá trị gọi là dịng duy trỳ. Trong thực tế người ta sử dụng thyristor kiểu N nhiều hơn. CHỈNH LƯU THYRISTOR CẦU 3 PHA. 2.2.1 sơ đồ chỉnh lưu cầu thyristor cầu 3 pha. Hình 2- 2 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha Hình 2-3 Dạng sĩng chỉnh lưu cầu 3 pha Các tham số chính của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha: giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu. Khiα=0 thì Ud0 = 2,34.U2 Trỉ số trung bình dịng điện qua van: Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu khi làm việc: Cơng suất tính tốn mạch MBA nguồn: Sba = 1,05.Pd Hệ sơ đồ mạch cảu điện áp chỉn lưu Kđm = 0,057 sơ đồ chỉnh lưu 3 pha( H gồm 6 thyristor chia than hai nhĩm) + Nhĩm catot chung: T1,T3,T5 + Nhĩm anot chung: T2,T4,T6. Điện áp pha: U2a=2.U2 sinθ U2b=2.U2 sin(θ-2π3) U2c=2.U2 sin(θ-4π3) Gĩ mở α được tính từ giao điểm của các nửa hình sin (hay thời gian chuyển mạch tự nhiên). Hoạt động của sơ đồ. Giả thiết T5 và T6 đang cho dịng chảy qua VF = U2C ,VG = U2b khi θ=θ1=α+π6 cho xung điều khiển mơ T1. Thyristor mở vì U2a >0. Sự mở của T1 làm cho T5 bị khĩa lại một cách tự nhiên và U2a > U2c, lúc này T6 và T1 cho dịng chạy qua. Điện áp trên tải Ud = Uab =U2a = U2b. Khi θ= θ2=3π6+α cho sung điều khiển mở T2. Thyristor này mở vì khi T6 dẩn dịng, nĩ đặt U2b nên anot T2 mà U2b > U2c. sự mở của T2 làm cho T6 bị khĩa lại một cách tự nhiên U2b > U2c. Các sung điều khiển lệch nhau π3 được lần lượt đưa đến cực điều khiển của các thyristor theo thứ tự 1,2,3,4,5,6,1,2….. Trong mổi nhĩm khi 1 Thyristor mở nĩ sẻ khĩa ngay thyristor dẫn dịng trước nĩ. Tĩm tắt bảng: Giá trị trung bình điện áp tải: Nhận xét: Chỉnh lưu cầu thyristor cầu 3 pha là loại được sử dụng nhiều nhất trong thực tế vì cĩ nhiều ưu điểm hơn cả. Nĩ cho phép đấu thẳng vào lưới điện 3 pha, độ đập mạch rất nhỏ(5%). Nếu cĩ dùng biến áp thì gây méo lưới điệ ít hơn các loại trên đơng thời cơng suất MBA cũng chỉ xấp xỉ bằng cơng suất tải. cơng suất mạch chỉnh lưu cĩ thể rất lớn lên tới hàng trăm kw. Nhược điểm của nĩ là sụt áp trong mạch van gấp đơi sơ đồ hình tia nên khơng phù hợp vơi điện áp ra tải dới 10V. 2.2.3. Hiện tượng trùng dẫn . Giả sử T1 , T2 đang dẫn dịng . Khi θ = θ1 cho xung điều khiển mở T3 , do Lc ≠ 0 nên iT3 khơng thể tăng đột ngột từ 0 → Id và dịng iT1 cũng khơng thể giảm đột ngột từ Id → 0 . Cả ba thyristor T1 , T3 , T5 đều dẫn dịng , hai nguồn ea , eb nối ngắn mạch . Nếu chuyển gốc toạ độ từ 0 đến θ1 ta cĩ : (2-2) (2-3) Điện áp ngắn mạch Uc = Ub – Ua = . U2 sin(θ + α) Dịng điện ngắn mạch ic được xác định bởi phương trình : Uc = . U2 sin(θ + α) = 2Xc.; ic = [ cosα – cos(θ + α) ] ; (2-5) F G T1 T4 T3 T6 T5 T2 Lc ← → Iư ea eb ec Lc Lc ic Hình 2-4 : Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha cĩ hiện tượng trùng dẫn . Ud 0 1 3 5 6 2 4 α µ 5;1 1;3 3;5 6;2 2;4 4;6 u2a u2b u2c VG VF Hình 2-5 : Sơ đồ dạng sĩng chỉnh lưu cầu ba pha cĩ trùng dẫn . Dịng điện chạy trong T1 là iT1 = Td - Ic ; Dịng điện chạy trong T3 là iT3 = ic ; Giả thiết quá trình trùng dẫn kết thúc khi θ = θ2 và ký hiệu μ = θ2 – θ1 là gĩc trùng dẫn . Khi θ = μ , iT1 = 0 , ta cĩ biểu thức sau : cosα – cos(μ + α) = (2-6) Hình dạng điện áp tải Ud trong giai đoạn trùng dẫn trong khoảng θ1 → θ2 . T2 dẫn dịng , T1 , T3 trùng dẫn dịng . Vậy cĩ thể viết các phương trình sau : ea - ec - 2Lc = Ud (2-7) eb – ec - 2Lc. = Ud (2-8) iT3 + iT1 = iT2 = Id =const (2-9) Từ 3 phương trình ta rút ra : Ud = - ec (2-10) Do trùng dẫn ( Lc ≠ 0) nên trị trung bình của điện áp tải bị giảm đi một ∆Uμ , và được xác định như sau : ∆Uμ = = [cosα - cos(μ+ α) ] (2-11) Từ đĩ ta cĩ thể xác định được : ∆Uμ = ; (2-12) 2.2.4. Nghịch lưu phụ thuộc. Ta cĩ ở chế độ chỉnh lưu dịng điện trung bình trên tải Id và điện áp trung bình Ud luơn cùng chiều . Cơng suất tiêu thụ trên tải P = Ud.Id luơn dương và chiều của cơng suất luơn từ phía nguồn xoay chiều chuyển qua tải một chiều , ta nĩi bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu. Tải a ) M N _ + Tải Ud Id BBĐ Cơng suất P = Ud.Id > 0 b ) M N + _ Ud Id BBĐ Cơng suất P = Ud.Id < 0 Hình 2-6 : a ) Chế độ chỉnh lưu ; b ) Chế độ nghịch lưu . Khi tăng gĩc mở α , giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu Ud giảm đi nhưng vẫn cịn dương . Tiếp tục tăng α > , điện áp chỉnh lưu trung bình đổi dấu . Cực M trỏ thành âm ( - ) và N thành dương ( + ) , điện áp – Ud tăng dần đến khi α = π . Vì điện áp Ud đổi chiều trong khi Id cĩ chiều khơng đổi nên cơng suất P đổi dấu . Điều này cĩ nghĩa là tải một chiều đã trở thành nguồn phát và cơng suất truyền ngược từ phía tải về nguồn . Ta nĩi bộ biến đổi đã chuyển sang làm việc ở chế độ nghịch lưu . Lưu ý rằng ở chế độ nghịch lưu , lưới xoay chiều nhận cơng suất tác dụng từ phía tải nhưng vẫn tiếp tục cung cấp cơng suất phản kháng và ảnh hưởng đến dạng sĩng , tần số của điện áp xoay chiều ta nĩi rằng sơ đồ này làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc . Để lưới cĩ thể nhận năng lượng từ phía tải thì tải phải là một nguồn phát và điện áp của tải phải lớn hơn điện áp của nguồn để đảm bảo cho van bán dẫn phân cực thuận α u2a u2b u2c π 2π 3π 0 U VG VF t 1 3 5 6 2 4 6 2 4 1 3 Utb Hình 2-7: Sơ đồ dạng sĩng của nghịch lưu phụ thuộc . Trong trường hợp nghịch lưu phụ thuộc thì ta phải cĩ gĩc điều khiển α > π/2 ta cĩ điện áp trung bình của nghịch lưu phụ thuộc là Utb < 0 như hình 2-9 . SƠ ĐỒ NGHUÊN LÝ HỆ HỆ THỐNG CHỈNH LƯU – ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU (HỆ Đ – T) KÍCH TỪ ĐỘC LẬP. 2.3.1 Tổng quan về hệ truyền động T-Đ khơng đảo chiều. Khi ta dùng các bộ chỉnh lưu cĩ điều khiển hay là các bộ chỉnh lưu dùng thyristor để làm bộ nguồn một chiều cung cấp cho phần ứng động cơ điện một chiều như các phần trước ta đã giới thiệu , ta cĩ điện áp chỉnh lưu của hệ là : Ud = Ud0 . cosα ; Vậy ta cĩ phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của hệ chỉnh lưu T – Đ khơng đảo chiều là : ω = . I ; ω = . M ; ω = ω0 - ∆ω ; Trong đĩ : ω0 = là tốc độ khơng tải lý tưởng , vì lúc đĩ ở vùng dịng điện gián đoạn , hệ sẽ cĩ thêm một lượng sụt áp nên đường đặc tính điều chỉnh đốc hơn , tốc độ khơng ,tải lý tưởng thực ω0 sẽ lớn hơn tốc độ khơng tải lý tưởng giả tưởng ω’0 như hình 2-9 . Vậy , khi thay đổi gĩc điều khiển α = 0 → π thì Ed0 thay đổi từ Ed0 đến -Ed0 và ta sẽ được một họ đặc tính cơ song song với nhau nằm ở nữa bên phải của mặt phẳng toạ độ [ ω , I ] hoặc [ω , M ] . Id.blt = ;Trong đĩ : XBA : Điện kháng máy biến áp . f1 : Tần số lưới . LưΣ : Điện cảm tổng mạch phần ứng . m : Số pha chỉnh lưu .  Rcl Rư ← ← Ed E Iư Id T a ) ω Id ω0dm ω01 ω’01 Ed0 Ed > 0 Ed = 0 Ed < 0 HN HTS ωdm ω1 Id.gđ Id.lt ĐC Id.blt Giới hạn ωmax b ) Hình 2-10 : a ) Sơ đồ thay thế hệ T – Đ khơng đảo chiều . b ) Đặc tính điều chỉnh tốc độ hệ T – Đ .  Trong vùng dịng điện gián đoạn ( ω’0 < ω0 ) : Trong đĩ : E2m : Biên độ sức điện động thứ cấp máy biến áp chỉnh lưu . Đường giới hạn tốc độ cực đại : ωgh.max = 2.3. Nguyên tắc điều khiển: Trong thực tế người ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển sau: “ Thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng arccos ” , để thực hiện vị trí xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên thyristor .4.2.1. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính: Theo nguyên tắc này người ta thường dùng hai điện áp: - Điện áp đồng bộ ( Us ) , đồng bộ với điện áp đặt trên anơt – catơt của thyristor , thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh . - Điện áp điều khiển ( Ucm ) , là điện áp một chiều , cĩ thể điều chỉnh được biên độ . Thường đặt vào đầu khơng đảo của khâu so sánh . Do vậy hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là : Ud = Ucm – Us ; Us -Usm Ucm ωt Ucm α π 2π α Us Khi Us = Ucm thì khâu so sánh lật trạng thái , ta nhận được sường xuống của điện áp đầu ra của khâu so sánh . Sườn xuống này thơng qua đa hài một trạng thái bền ổn định tạo ra xung điều khiển .  Hình 4-2 : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính : Như vậy bằng cách làm biến đổi Ucm , ta cĩ thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra , tức là điều chỉnh gĩc α . Giữa α và Ucm cĩ quan hệ sau : α = ; Người ta lấy Ucmmax = Usmax ; 4.2.2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos : Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp : - Điện áp đồng bộ Us , vượt trước UAK = Um Sinωt của thyristor một gĩc Us = Um Cosωt . - Điện áp điều khiển Ucm là điện áp một chiều , cĩ thể điều chỉnh được biên độ theo hai chiều dương và âm . Nếu đặt Us vào cổng đảo và Ucm vào cổng khơng đảo của khâu so sánh thì : Khi Us = Ucm , ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái . Um Cosα = Ucm ; (3-1) Do đĩ: α = arcos( ) ; (3-2) Khi Ucm = Um thì α = 0 ; Khi Ucm = 0 thì α = ; Khi Ucm = - Um thì α = π ; Ucm ωt π UAK 0 Us α UAK Us 2π Um -Um Hình 4-3 : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcoss Như vậy , khi điều chỉnh Ucm từ trị Ucm = +Um , đến trị Ucm = -Um ta cĩ thể điều chỉnh được gĩc α từ 0 đến α . Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arcos” được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu địi hỏi chất lượng cao. Sơ đồ nghuyên lý hệ truyền đơng T-Đ: ĐK n · · · · · · · · · · · · · · Uđk C0 T1 T3 T5 T4 T6 T2 u2a u2b u2c BA U1~, f1 + · · - CKĐ RKĐ · · · · · · CCSX Đ BKC Hình 2-14 sơ đồ nguyên lý hệ truyền động T –D. Bộ biến đổi van thyristor là một loại nguồn điện áp một chiều, nĩ trực tiếp biến đổi dịng soay chiều thành dịng một chiều. việc điều chỉnh điện áp đầu ra của bộ biến đổi, được thực hiện bằng cách điều chỉnh gĩc mở α của van. Điện áp chỉnh lưu Ud0 ( điện áp khơng tải ở đầu ra) cĩ dạng đập mạch với tần số đập mạch là n trong một chu kỳ của điện áp sơ cấp của máy biến áp lực. Sơ đơ chỉnh lưu cầu n= 2m.(với m là số pha).sơ đồ hình tia n=m. Giả sử điện áp cấp cho bộ biến đổi van cĩ dạng. U2=U2m sinωt Ta đả biết sau một chu kỳ dịng điện và điện áp lặp lại nên ta chỉ cần xét cho một chu kỳ là đủ, coi điện trở van Rv=0. Sơ đồ thay thế mạch. Một bộ biến đổi van cĩ thể bao gồm : Máy biến áp lực, tổ van, kháng lọc, thiết bị bảo vệ và hệ thống điều khiển. Sơ đồ thay thế cĩ dạng như sau: Hình 2-15 Sơ đồ thay thế chỉnh lưu thyristor đơng cơ điện một chiều Khi van dẩn ta cĩ phương trình: U2-E=IR⅀+L⅀dldt Với : R⅀= Rba+Rư+Rkt L⅀= Lba+Lư+Lkt Nhận xét: Ưu điểm: Hệ( T-Đ) tác động nhanh, tổn thất năng lượng ít, kích thước và trọng lượng nhỏ, khơng gây ồn và dể tự động hĩa do các van bán dẩn cĩ hệ số khếch đai lớn, điều đĩ rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vịng để nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống. Nhược điểm: Do các van bán dẩn cĩ tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lưu ra cĩ độ đập mạch cao, khả năng linh hoạt và chuyển trạng thái làm việc khơng cao, gây tổn thất phụ và làm sấu điều kiện chuyển mạch trên cổ gĩp. Khắc phục: thiết kế truyền động van cố gắng làm hẹp vùng dịng gián đoạn bằng cách nối kháng lọc đủ lớn, tăng số lần đập mạch, nối van đệm.