CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU - ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1. Giới thiệu về Tiristor Tiristor là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn gồm pnpn liên tiếp nhau tạo nên Anot, Katot và cực điều khiển G (hình vẽ) Hình 1.1 Cấu tạo và ký hiệu của Tiristor 1. Nguyên lí làm việc của Tiristor: Khi đặt Tiristor dưới điện áp một chiều, anôt vào cực dương, katôt vào cực âm của nguồn điện áp, J 1 và J3 được phân cực thuận, J2 bị phân cực ngược.
Gần như toàn bộ điện áp nguồn đặt lên mặt ghép J 2. Điện trường nội tại E1 của J2 có chiều hướng từ N1 về P2. Điện trường ngoài tác động cùng chiều với E1, vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng mở rộng ra, không có dòng điện chảy qua Tiristor mặc dù nó được đặt dưới điện áp thuận. Giới thiệu về động cơ một chiều Động cơ điện 1 chiều DC được viết tắt của cụm từ “Direct Current Motors” là một loại động cơ điều khiển bằng dòng điện có hướng xác định 1.
Cấu tạo của động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh và phần động. Phần tĩnh Đây là phần đứng yên của máy, bao gồm các bộ phận chính sau: cực từ chính, cực từ phụ, gông từ 1. Phần quay Bao gồm những bộ phận chính sau: lõi sắt, dây quấn phần ứng, cổ góp. Động cơ một chiều kích từ độc lập.2 Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ độc lập 3 Đồ án môn học: Điện tử Công suất – Truyền động điện 𝑈𝑢 𝑅𝑢+𝑅𝑓 Ta có phương trình đặc tính cơ: 𝜔 = −( 𝑀 𝐾𝛷 𝐾𝛷)2 Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy có ba thông số ảnh hưởng đến đặc tính cơ đó là: từ thông động cơ (), điện áp phần ứng (Uư), điện trở phần ứng.
Ảnh hưởng của điện áp phần ứng: Giả thiết: = đm = const Rư = const Khi thay đổi điện áp phần ứng : U ư<Uđm ta có: 𝑈𝑥 Tốc độ không tải lý tưởng : 𝜔0𝑥 = = 𝑣𝑎𝑟 𝐾𝛷𝑑𝑚 (𝐾𝛷)2 Độ cứng đặc tính cơ : ox = = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡 𝑅𝑢 Hình 1.3 Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm áp đặt vào phần ứng động cơ 1. Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều 1. Khái niệm chung về hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều Là bộ chỉnh lưu liên hệ nguồn xoay chiều với tải một chiều, nghĩa là đổi điện áp xoay chiều của nguồn thành điện áp một chiều trên phụ tải. Điện áp một chiều trên tải không được lý tưởng như điện áp của ắc quy mà có chứa các thành phần xoay chiều cùng với một chiều.
Đầu ra của các sơ đồ chỉnh lưu được coi là một chiều nhưng thực sự là điện áp đập mạch. Trị số điện áp một chiều, hiệu áp suất ảnh hưởng của chúng do nguồn xoay chiều rất khác nhau. Bộ biến đổi Thyristor với chuyển mạch tự nhiên có điện áp (dòng điện) ra là 1 chiều là các thiết bị biến nguồn điện xoay chiều 3 pha thành điện áp 1 chiều điều khiển ngược. Hoạt động của mạch do nguồn điện xoay chiều quyết định vì nhờ đó mà có thể thực hiện được các chuyện mạch dòng điện giữa các phần tử lực.
Việc phân loại chỉnh lưu phụ thuộc nhiều yếu tố: 4 Đồ án môn học: Điện tử Công suất – Truyền động điện - Theo số pha có: Chỉnh lưu 1 pha, chỉnh lưu 3 pha. - Theo sơ đồ nối có: Chỉnh lưu nửa chu kỳ, chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ, chỉnh lưu hình cầu, chỉnh lưu hình tia. - Theo sự điều khiển có: Chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu có điều khiển, chỉnh lưu bán điều khiển. Giới thiệu về sơ đồ Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống chỉnh lưu – động cơ một chiều Trong đó: Đ: động cơ một chiều kích từ độc lập, thực hiện chức năng biến năng lượng điện một chiều thành cơ năng truyền động cho cơ cấu sản xuất BBĐ: là bộ biến đổi van có điều khiển, thực hiện chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều cung cấp cho động cơ Uđ tín hiệu điện áp đặt FT máy phát tốc thực hiện chức năng khâu phản hồi âm tốc độ TH & KĐ là khối tổng hợp và khuyếch đại tín hiệu FX là mạch phát xung 1.
Hoạt động của hệ thống Giả sử ban đầu hệ thống đã được đóng vào lưới với điện áp thích hợp, lúc này động cơ vẫn chưa làm việc. Khi ta đặt vào hệ thống một điện áp đặt Uđ ứng với một tốc độ nào đó của động cơ. Thông qua khâu TH & KĐ và mạch FX sẽ suất hiện các xung đưa tới các chân điều khiển của các van của bộ biến đổi, nếu lúc này nhóm van nào đó đang được đặt điện áp thuận, van sẽ mở với góc mở . Đầu ra của BBĐ có điện áp Uđ đặt nên phần ứng động cơ→ động cơ quay với tốc độ ứng với Uđ ban đầu.
Trong quá trình làm việc, nếu vì một nguyên nhân nào đó làm cho tốc độ động cơ giảm thì qua biểu thức : UĐK = Uđ - n. 5 Đồ án môn học: Điện tử Công suất – Truyền động điện khi n giảm →UĐK tăng → giảm →Ud tăng → n tăng về điểm làm việc yêu cầu. Khi n tăng quá mức cho phép thì quá trình diễn ra ngược lại. Đây là nguyên lý ổn định tốc độ.
Đặc tính cơ của hệ thống truyền động: Chế độ dòng điện liên tục: Dòng điện chỉnh lưu Id chính là dòng phần ứng. Dựa vào sơ đồ thay thế (hình 2.2) viết được sơ đồ đặc tính. dm ) 2 ( K dm ) 2 Đặc tính cơ có độ cứng = R + XK Xk : Đặc trưng cho sụt áp do chuyển mạch giữa các van. Thay đổi góc điều khiển: + Khi = 0 sđđ chỉnh lưu biến thiên từ Edo đến - Edo và ta được một họ đặc tính song song nhau nằm ở nửa bên phải mặt phẳng toạ độ , M do các van không cho dòng điện phần ứng đổi chiều. Các đặc tính cơ của hệ T - Đ mềm hơn các đặc tính cơ của hệ F - Đ bởi thành phần sụt áp U k do hiện tượng chuyển mạch giữa các van bán dẫn gây nên.5 Họ đặc tính cơ của hệ + Khi 0 : Bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu, động cơ có thể làm 2 việc ở chế độ động cơ nếu sđđ E > 0 và ở chế độ hãm ngược nếu sđđ E đổi chiều.
+ Khi max : Bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc, biến 2 cơ năng của tải thành điện năng xoay chiều cùng tần số lưới và trả về lưới điện. Động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh khi tải có tính thế năng. 6 Đồ án môn học: Điện tử Công suất – Truyền động điện Dòng điện trung bình của mạch phần ứng: E − Ed I= R+ XK Phương trình đặc tính: E do .I K dm K dm - Chế độ dòng điện gián đoạn: Trong thực tế tính toán hệ T - Đ chỉ cần xác định biên giới vùng dòng điện gián đoạn, là đường phân cách giữa vùng dòng điện liên tục và dòng điện gián đoạn. Trạng thái biên liên tục là trạng thái mà góc dẫn = 2 /p và góc chuyển mạch = 0.
Đường biên liên tục gần là đường elip. Để giảm độ lớn của trục nhỏ elip, tăng số pha của chỉnh lưu. Tuy nhiên khi tăng số pha chỉnh lưu sơ đồ sẽ phức tạp. Tổng quan về chỉnh lưu cầu ba pha có đảo chiều.
Nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ truyền động T-Đ đảo chiều Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ. Giữ nguyên dòng kích từ và đảo chiều dòng phần ứng nhưng được phân ra bốn sơ đồ chính: + Truyền động dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay bằng cách đảo chiều dòng kích từ. + Truyền động dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay bằng công tắc từ chuyển mạch ở phần ứng ( từ thông giữ không đổi ). + Truyền động dùng hai bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riêng.
+ Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối song song điều khiển chung. Tuy nhiên, Mỗi loại sơ đồ đều có ưu nhược điểm riêng và thích hợp với từng loại tải, trong phần này ta chọn “Bộ truyền động dùng hai bộ biến đổi nối song song ngược điều khiển chung”, bởi nó dùng cho dải công suất vừa và lớn có tần số đảo chiều cao và thực hiện đảo chiều êm hơn .Trong sơ đồ này động cơ không những đảo chiều được mà còn có thể hãm tái sinh. Phương pháp điều khiển chung Sơ đồ gồm hai bộ biến đổi G1 và G2 , đấu song song ngược với nhau và các cuộn kháng cân bằng Lc. Từng bộ biến đổi có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu hoặc nghịch lưu.
Phương pháp điều khiển kiểu tuyến tính : α 1 + α2 = π Lúc này cả hai mạch chỉnh lưu cùng được phát xung điều khiển , nhưng luôn khác chế độ nhau : một mạch ở chế độ chỉnh lưu ( xác định dấu của điện áp một chiều ra tải cũng là chiều quay đang cần có ) còn mạch kia ở chế độ nghịch lưu. Vì hai mạch cùng dấu cho một tải nên giá trị trung bình của chúng phải bằng nhau. 7 Đồ án môn học: Điện tử Công suất – Truyền động điện Ut = Ud1 = U d2 ; (2-21) Nếu dòng điện liên tục ta có : Ud1 = Ud0 .cosα1 ; Ud2 = Ud0 .cosα2 Vậy: Ud0.cosα2 Hay: cosα1 + cosα2 = 0 => α1 + α2 = 180 0 ; Nếu α1 là góc mở đối với G1 , α2 là góc mở đối với G2 thì sự phối hợp giá trị α1 và α2 phải được thực hiện theo quan hệ: α1 + α2 = 180 0. Sự phối hợp này gọi là phối hợp điều khiển tuyến tính (hình 2-10) α α2 = α1 = 0 0 0 30 0 60 0 uc uc uc uc 0 90 uc2 120 0 150 α1=180 0 180 α2=180 0 0 0 Hình 1.6 Sơ đồ phối hợp tuyến tính của 𝛼1 và 𝛼2 Giả sử cần động cơ quay thuận, ta cho G1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu, α1 = 0 → 90 , Ud1 > 0, bấy giờ α2 > 90 0 , G2 làm việc ở chế độ nghịch lưu , Ud2 < 0 .