Đề tài Thiết kế hệ thống truyền động hệ T-Đcó đảo chiều dùng chỉnh lưu cầu ba pha

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Trường Đại Học Bách Khoa Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ***** ***** NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên : Nguyễn Minh Ánh lớp : 03DTD Ngành : Tự Động Đo Lường Khoa Điện Trường ĐHBK Đà nẵng Giáo viên hướng dẫn : ThS . Khương Công Minh I. ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG HỆ T – Đ CÓ ĐẢO CHIỀU DÙNG CHỈNH LƯU CẦU BA PHA II. SỐ LIỆU CHO TRƯỚC : Động cơ một chiều có các thông số sau : P = 32 Kw ; Uđm = 220 V ; Iđm = 166 A ; Rư = 0,075 Ω ; Jd = 2,7 Kg.m2 ; Rkt = 95,5 Ω ; Wkt = 1600 vòng ; Iktđm = 1,64 A ; nđm = 1500 vòng/phút ; III. NHIỆM VỤ : Tổng quan về động cơ điện một chiều và các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều . Giới thiệu về bộ chỉnh lưu thyristor ba pha và bộ chỉnh lưu thyristor ba pha hình cầu có đảo dòng . Thiết kế mạch động lực và mạch điều khiển hệ T – Đ có đảo chiều dùng chỉnh lưu cầu ba pha . Dùng MATLAB – SIMULINK Kết luận . IV. SỐ BẢN VẼ : V. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 18/02/2008 . VI. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/05/2008 . SV hoàn thành thiết kế tốt nghiệp Đà nẵng , ngày … tháng … năm 2008 Đà nẵng , ngày … tháng … năm 2008 Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện ThS. Khương Công Minh Nguyễn Minh Ánh Đà nẵng , ngày … tháng … năm 2008 Đà nẵng , ngày … tháng … năm 2008 Tổ trưởng bộ môn Giáo viên duyệt ThS. Lâm Tăng Đức Nguyễn Kim Ánh Đà nẵng , ngày … tháng … năm 2008 Chủ tịch hội đồng Kết quả bảo vệ : LỜI CẢM ƠN Sau khi được nhận đề tài tốt nghiệp với thời gian hơn ba tháng , dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy Khương Công Minh cùng với sự nổ lực của chính bản thân , em đã hoàn thành xong khối lượng kiến thức mà thầy hướng dẫn đã giao phó cho em để chuẩn bị rời xa cánh cửa của giảng đường đại học và trở thành người kỹ sư tương lai của đất nước sau này . Qua đây em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo của trường Đại học Bách khoa Đà nẵng cũng như các thầy cô giáo trong khoa Điện và đặc biệc là thầy Khương Công Minh là người đã có nhiều giúp đỡ và hướng dẫn trong quá trình làm đồ án , thầy Nguyễn Kim Ánh là giáo viên duyệt đồ án và cùng toàn thể các bạn sinh viên trong lớp 03ĐTĐ cũng như các bạn sinh viên của toàn khoa Điện . Trong quá trình làm đề tài em đã tích luỹ được một số kiến thức để có thể nâng cao kiến thức của mình một cách chắc chắn hơn . Tuy nhiên với thời gian và kiến thức có hạn cho dù em đã có gắng hết mình song khó tránh khỏi những thiếu sót . Em rất mong nhận được sự góp ý xây dựng của các thầy cô để đồ án của em được hoàn thành hơn nữa . Một lần nữa cho em xin cảm ơn đến hai thầy Khương Công Minh và thầy Nguyễn Kim Ánh . Đà nẵng , ngày 29 tháng 5 năm 2008 . Sinh viên thực hiện Nguyễn Minh Ánh TÓM TẮC ĐỒ ÁN Trong thời đại công nghiệp hiện nay thì động cơ điện một chiều chiếm một tỉ lệ khá lớn trong nền sản suất công nghiệp của thế giới và đặc biệt là các hệ thống dây chuyền tự động trong các nhà máy xí nghiệp được sử dụng rất rộng rãi , vận hành có độ tin cậy cao . Vấn đề là quan trọng trong các dây chuyền sản suất là điều khiển để điều chỉnh tốc độ động cơ hay đảo chiều quay để nâng cao năng suất và em đã “ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG HỆ T – Đ CÓ ĐẢO CHIỀU DÙNG CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ” gồm có bốn phần chính sau . Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều và các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều . Chương 2 : Giới thiệu về bộ chỉnh lưu thyristor ba pha và bộ chỉnh lưu thyristor ba pha hình cầu có đảo dòng . Chương 3 : Thiết kế mạch động lực và mạch điều khiển hệ T- Đ có đảo chiều dùng chỉnh lưu cầu ba pha . Chương 4 : Dùng MATLAB – SIMULINK mô phỏng hệ thống trên . MỤC LỤCChương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU .  1.1.Tổng quan về động cơ điện một chiều . Trang : 9 1.1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều . 9  1.1.2. Các thông số đinh mức . 11 1.1.3. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều . 12 1.2. Phương trình đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của ĐMđl . 12 1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều . 16 1.3.1. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi Rf 16 1.3.2. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi Ф . 18 1.3.3. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi Uư. 19 1.4.Các đặc tính cơ khi hãm . 21 1.4.1. Hãm tái sinh . 21 1.4.2. Hãm ngược . 23 1.4.3. Hãm động năng . 25 1.5. Các đặc tính cơ khi đảo chiều quay . 26 1.6. Các chỉ tiêu chất lượng . 27Chương 2 : TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU BA PHA THYRISTOR . 2.1. Hệ chỉnh lưu thyristor động cơ và thyristor . 29 2.1.1. Giới thiệu về thyristor . 29 2.1.2. Hệ chỉnh lưu thyristor . 31 2.1.3. Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng . 31 2.2. Tổng quan về bộ chỉnh lưu cầu ba pha không đảo chiều . 34 2.2.1. Nguyên lý làm việc hệ chỉnh lưu . 34 2.2.2. Hiện tượng trùng dẫn . 36 2.2.3. Nghịch lưu phụ thuộc . 38 2.2.4. Hệ T – Đ không đảo chiều . 40 2.3. Tổng quan về bộ chỉnh lưu cầu ba pha có đảo chiều . 41 2.3.1. Nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ T - Đ đảo chiều . 41 2.3.2. Phương pháp điều khiển chung . 42 2.3.3. Phương điều khiển riêng . 46Chương 3 : TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN . 3.1. Tính chọn mạch động lực . 47  3.1.1. Sơ đồ mạch động lực hệ chỉnh lưu cầu ba pha thyristor . 47 3.1.2. Các thông số của động cơ . 49 3.1.3. Tính chọn thyristor . 49 3.1.4. Tính chọn máy biến áp chỉnh lưu . 50 3.2. Giới thiệu mạch điều khiển . 57 3.2.1. Sơ đồ nguyên lý . 57 3.2.2. Nguyên tắc điều khiển . 57 3.2.3. Các khâu cơ bản của mạch điều khiển . 59 3.2.4. Sơ đồ mạch điều khiển và nguyên lý hoạt động . 65 3.3. Tính toán các thông số mạch điều khiển . 69 3.4. Tính chọn các thiết bị bảo vệ cho mạch động lực . 76 3.4.1. Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ . 76 3.4.2. Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn . 78 3.4.3. Bảo vệ quá dòng cho van . 78 3.4.4. Bảo vệ quá áp cho van . 79 3.5. Thiết kế cuộn kháng lọc . 81Chương 4 : MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CHỈNH LƯU THYRISTOR – ĐỘNG CƠ CÓ ĐẢO CHIỀU QUAY TRÊN MATLAB – SIMULINK .  4.1. Các khối có sẵn trong Simulink . 85 4.1.1. Máy điện một chiều . 85 4.1.2.Khối tạo xung điều khiển các thyristor . 89 4.2. Mô phỏng hệ chỉnh lưu cầu ba pha . 93 4.2.1. Mô phỏng hệ chỉnh lưu cầu không đảo chiều . 93 4.2.2. Mô phỏng hệ chỉnh lưu cầu có đảo chiều . 96 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1 : Mặt cắt dọc động cơ điện trang : 9 Hình 1-2,3 : Sơ đồ nối dây của ĐMss và ĐMđl 13 Hình 1-4 : Đặc tính cơ điện của ĐMđl 15 Hình 1-5 : Đặc tính cơ của ĐMđl 16Hình 1-6 : Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Rf 17 Hình 1-7 :, Đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Rf 18 Hình 1-8,9 : Sơ đồ , đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Ф 19 Hình 1-10 : Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Uư 20 Hình 1-11 : Đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Uư 21 Hình 1-12,13,14 : Các đường đặc tính khi hãm tái sinh 22 Hình 1-15 : Sơ đồ khi hãm ngược 24 Hình 1-16 : Đặc tính khi hãm ngược 25 Hình 1-17 : Sơ đồ , đặc tính khi hãm động năng 25 Hình 1-18 : Sơ đồ , đặc tính hãm ngược khi đảo Uư 26 Hình 1-19 : Phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ 27 Hình 2-1 : Ký hiệu và cấu trúc thyristor 30 Hình 2-2 : Sơ đồ khối , sơ đồ thay thế của điều chỉnh Uư 31 Hình 2-3 : Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen 33 Hình 2-4 : Sơ chỉnh lưu cầu ba pha 34 Hình 2-5 : Sơ đồ dạng sóng chỉnh lưu cầu ba pha 35 Hình 2-6 : Sơ đồ chỉnh lưu khi có trùng dẫn 37 Hình 2-7 : Sơ đồ dạng sóng chỉnh lưu khi có trùng dẫn 38 Hình 2-8 : sơ đồ khối của chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu 39 Hình 2-9 : Sơ đồ thay thế , đặc tính điều chỉnh tốc độ hệ T- Đ 41 Hình 2-10 :Sơ đồ phối hợp tuyế tính của α1và α2 42 Hình 2-11 : Sơ đồ chỉnh lưu cầu dùng phương pháp điều khiển chung 44 Hình 2-12 : Sơ đồ dạng sóng khi α1= 300 , α2 = 1500 45 Hình 2-13 : Sơ đồ phương pháp điều khiển chung kiểu phi tuyến 46 Hình 2-14 : Sơ đồ chỉnh lưu cầu dùng phương pháp điều khiển riêng 47 Hình 3-1 : Sơ đồ mạch động lực của hệ T- Đ có đảo chiều 48 Hình 3-2 : Sơ đồ khối điều khiển thyristor 57 Hình 3-3 : Nguyên tắc điều khiển tuyến tính 57 Hình 3- 4 : Nguyên tắc điều khiển arcoss 58 Hình 3-5,6 : Khâu đông pha và dạng sóng 60 Hình 3-7,8 : Khâu so sánh và dạng sóng 62 Hình 3- 9 : Khâu khếch đại và phân phối xung 63 Hình 3-10,11,12 : Sơ đồ , dạng sóng khâu tạo xung chùm 64 Hình 3-13 : Sơ đồ nguyên lý điều khiển một kênh 67 Hình 3-14 : Giản đồ các đường cong điều khiển một kênh 68 Hình 3-15 : Sơ đồ chân của IC 4081 71 Hình 3-16 : Sơ đồ chân của IC TL084 72 Hình 3- 17 : Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn nuôi 74 Hình 3-18 : Mạch động lực có thiết bị bảo vệ 77 Hình 3-19 : Mạch R – C bảo vệ quá áp 80 Hình 3-20 : Mạch R- C bảo vệ xung điện áp lưới 80 Hình 4-1 : Các khối của động cơ ĐMđl trong Simulink 85 Hình 4-2 : Sơ đồ cấu trúc của ĐMđl 86 Hình 4- 3 : Hộp thoại và thông số của ĐMđl 88 Hình 4-4 : Các khối của khâu phát xung điều khiển 90 Hình 4-5 :Sơ đồ phát xung điều khiển của thyristor 91 Hình 4-7 : Hộp thoại và thông số của khối phát xung điều khiển 92 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU . Trong thời đại ngày nay , hầu hết các dây chuyền sản xuất của công nghiệp đang dần dần được tự động hoá bằng cách áp dụng các khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế giới . Tuy thế động cơ điện một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng trong các nghành công nghiệp , giao thông vận tải và nói chung ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc quay liên tục trong phạm vi rộng như cán thép , hầm mỏ ….Vì động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt . 1.1.1. Cấu tạo : Động cơ điện một chiều gồm có hai phần : Hình 1-1: Mặt cắt dọc động cơ điện . Cấu tạo: 1- võ máy ( gông từ ) 7- lõi sắt phần ứng 2- cực từ chính 8- rãnh phần ứng 3- dây quấn cực từ chính 9- răng phần ứng 4- cực từ phụ 10- má cực từ 5- dây quấn cực từ phụ 6- dây quấn phần ứng 1.1.1.1. Phần tĩnh ( stator ) : đây là phần đứng yên của máy , nó bao gồm các bộ phận chính sau : - Cực từ chính : là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cự từ và và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ . Lõi sắt cực từ làm bằng nhữnh lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0.5 đến 1mm ép lại và tán chặt . Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện kỹ thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ .Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này nối nối tiếp vói nhau . -Cực từ phụ : cực từ phụ đặt giữa các tự từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều .Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính . Cực từ phụ dược gắn vào võ nhờ những bulông . -Gông từ : gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ , đôngf thời làm võ máy . Trong máy điện nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại . Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc .Có khi trong máy điện nhỏ dùng gang làm võ máy . -Các bộ phận khác :nó gồm có các bộ phận + Nắp máy : để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện . Trong máy điện nhỏ và vừa , nắp máy còn có tác dụng làm giá đở ổ bi . Trong những trường hợp này nắp thường làm bằng gang . + Cơ cấu chổi than : Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài . Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt kên cổ góp . Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá . Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chổ . Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định chặt lại . 1.1.1.2 . Phần quay ( roto ) : Đây là phần quay ( động ) của động cơ gồm có các bộ phận sau . - Lõi sắt phần ứng : Là lõi sắt dùng để dẫn từ .Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện ( thép hợp kim silic ) dày 0.5mm phủ cách điện mỏng ở hai lớp 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 vào . + Trong những máy cỡ trung bình trở lên ,người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thẻ tạo được những lỗ thông gió dọc trục . + Trong những máy hơi lớn thì lõi sắt thường được chia thành từng đoạn nhỏ . Giũa các đoạn ấy có đẻ một khe hở gọi là khe thông gió ngang trục . khi máy làm việc , gió thổi qua các khe làm nguội dây quấn và lõi sắt . + Trong máy điện nhỏ , lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục . - Dây quấn phần ứng : Là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua . Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện . Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có thiết diện tròn . Trong máy điện vừa và lớn , thường dùng dây có tiết diện chử nhật dây quấn được cách điện cẩn thận vói rãnh của lõi thép . Để tránh khi bị văng ra do lực li tâm , ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải đai chặt dây quấn . Nêm có thể làm bằng tre ,gỗ hay bakelit . - Cổ góp : Cổ góp còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều ,dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều . Kết cấu của cổ góp gồm nhiều phiến đồng có hình đuôi nhạn cách điện vói nhau bằng lớp mica dầy 0.4 đến 1.2mm và hợp thành hình trụ tròn . Hai đầu trụ tròn dùng hai vành ốp hình chử V ép chặt lại . Giũa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica .Đuôi vành góp có cao hơn lên một tí để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dể dàng . - Các bộ phận khác : Gồm có cánh quạt và trục máy . + Cánh quạt : Dùng để quạt gió làm nguội máy . Máy điện một chiều thường chế theo kiểu bảo vệ . Ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió .Cánh quạt lắp trên trục máy ,khi máy quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào máy . Gió đi qua vành góp , cực từ , lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy . + Trục máy : Là phần trên đó đặt lõi sắt phần ứng , cổ góp , cánh quạt và ổ bi . Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt . 1.1.2. Các thông số định mức . Chế độ làm việc định mức của máy điện là chế độ làm việc trong những điều kiện mà xưỡng chế tạo đã qui định . Chế độ đó được đặt trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy và gọi là những đại lượng định mức .Trên nhãn máy thường ghi những đai lượng sau : Công suất định mức Pdm ( kw hay w ); Điện áp dịnh mức Udm ( V ) ; Dòng điện định mức Idm ( A ) ; Tốc độ định mức ndm ( vg/ph ) ; Ngoài ra còn ghi kiểu máy , phương pháp kích từ , dòng điện kích từ và các số liệu về dòng điện sử dụng …… Cần chú ý là công suất định mức của động cơ ở đây là công suất cơ đưa ra ở đầu trục động cơ . 1.1.3 . Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều ; - Động cơ điện một chiều là một máy điện biến đổi năng lượng điện của dòng một chiều thành cơ năng . Trong quá trình biến đổi đó , một phần năng lượng của dòng xoay chiều bị tiêu tán do các tổn thất trong mạch phần ứng và mạch kích từ , phần còn lại năng lượng được biến thành cơ năng trên trục động cơ . - Khi có dòng điện một chiều chạy vào dây quấn kích thích và dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ trường ở phần tĩnh . Từ trường này có tác dụng tương hổ lên dòng điện trên dây quấn phần ứng tạo ra mômen tác dụng lên roto làm cho roto quay . Nhờ có vành đổi chiều nên dòng điện xoay chiều được chỉnh lưu thành dòng một chiều đưa vào dây quấn phần ứng . Điều này làm cho lực từ tác dụng lên thanh dẫn dây quấn phần ứng không bị đổi chiều và làm động cơ quay theo một hướng . - Công suất ứng vói mômen điện từ đưa ra đối với động cơ gọi là công suất điện từ và bằng : Pdt = M . ω = Eư .Iư ; (1-1) Trong đó : M : là mômen điện từ ; Iư : Dòng điện phần ứng ; Eư : Suất điện động phần ứng ; ω : Tốc độ góc phần ứng ; và ω = ; 1.2 . PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ VÀ ĐẶC TÍNH CƠ ĐIỆN CỦA ĐMĐL ; - Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắt song song vói mạch phần ứng , lúc này động cơ được gọi động cơ kích từ song song . Uư E Iư Rktf – + Ckt Ikt Rf Iư ← Iư ← Hình 1- 2 : Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song ; - Khi nguồn điện một có công suất không đủ lớn thì mạch phần ứng và kích từ mắt vào hai nguồn một chiều độc lập nhau , lúc này động cơ được gọi là kích từ độc lập . Iư ← E Rf _ + Uư Ckt Ikt Rkt _ + Ukt Hình 1-3 : Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập . Do trong thực tế đặc tính của động cơ điện kích thích độc lập và kích thích song song hầu như là giống nhau , nên ta sét chung đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ điện kích từ độc lập . -Theo sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập hình (2-2) ta viết được phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng ở chế độ xác lập như sau : Uư = E + (Rư + Rf).Iư ; (1-2) Trong đó : Uư :Điện áp phần ứng ( V ) ; E : Suất điện động phần ứng ( V ) ; Rf : Điện trở phụ trong mạch phần ứng ( Ω ) ; Rư :Điện trở của phần ứng (Ω ) ; Với Rư = rư + rcf + rcb + rtx ; Trong đó : rư : Điện trở dây phần ứng (Ω) ; rcf : Điện trở cực từ phụ (Ω) ; rcb : Điện trở cuộn bù (Ω) ; rtx : Điện trở tiếp xúc của chổi điện (Ω) ; Sức điện động E của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức : E = .Φ. ω = KΦ. ω (1-3) Trong đó : P : Số đôi điện cực chính ; N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng , a : Số mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng , ω : Tốc độ góc ( rad/s) ; Φ : Từ thông kích từ chính một cực từ ( Wb ) ; Đặt K = : Hệ số kết cấu của động cơ . Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì E = Kc.Φ.n và ω = = ; Vì vậy : Eư = . Φ.n = Kc.Φ.n = .Φ.n = 0,105K.Φ.n ; Trong đó : Kc : Hệ số sức điện động của động cơ . Từ các phương trình trên ta có : ω = Iư (1-4) Đây là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều .kích từ độc lập . Mặt khác ta có mômen điện từ của động cơ ở chế độ xác lập được xác định theo biểu thức : Mdt = K.Φ.Iư ; (1-5) Suy ra Iư = , thay Iư vào (1-4) ta có ω = .Mdt ; (1-6) Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất ma sát trong ổ trục thì ta có thể coi mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen điện từ và ký hiệu là M : Mdt = Mco = M ; Suy ra : ω = .M ; (1-7) Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập . - Có thể biểu diễn phương trình đặc cơ dưới dạng khác . ω = ω0 - ∆ω ; (1-8) Trong đó : ω0 = ; Gọi là tốc độ không tải lý tưởng . ∆ω = .M = .M :Gọi là độ sụt tốc . Giả thiết phần ứng được bù đủ từ thông của động cơ Φ = const , thì các phương trình đặc tính cơ điện (1-4) và phương trình đặc tính cơ (1-7) là tuyến tính . Đồ thị của chúng được biểu diễn trên đồ thị là những đường thẳng . Iư Inm 0 ω0 Idm ωdm ω Nếu xét đến tất cả các tổn thất thì : M co = Mdt ± ∆M ; Hình 1- 4 : Đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập Theo đồ thị trên khi Iư = 0 hoặc M = 0 thì ta có : ω = ω0 = , lúc này động cơ đạt tốc độ không tải lý tưởng . Còn khi ω = 0 thì ta có : Iư = = Inm ; (1-9) Và M = K.Φ.Inm =Mnm ; (1-10) Với Inm , Mnm : Gọi là dòmg điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch . M Mnm 0 ω0 Mdm ωdm ω Hình 1- 5 : Đặc tình cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập . 1.3 . CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ CỦA ĐMĐL ; Từ phương trình đặc tính cơ (1-7) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến phương trình đặc tính cơ đó là từ thông , điện áp phần ứng , điện trở phần ứng của động cơ .thay đổi các tham số trên ta thay đổi được tốc độ và mômen động cơ theo ý muốn . Do phương trình đặc tính cơ phụ thuộc vào ba tham số trên ,tương ứng với đó ta sẽ có ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ . 1.3.1 . Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐMdl bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf . Giả thiết Uư = Udm = const và Φ = Φdm = const Ta có phương trình đặc tính cơ tổng quát : ω = .M hay ω = ω0 - ∆ω ; Tốc độ không tải lý tưởng : ω0 = = const ; (1-11) Độ cứng đặc tính cơ : β = = – ; (1-12) Muốn thay đổi tốc độ động cơ thì ta thay điện trở phần ứng bằng cách mắt thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng của động cơ . Khi thay đổi điện trở phụ Rf thì tốc độ không tải lý tưởng ω0 = cont , còn ∆ω sẽ thay đổi theo Rf như vậy lúc này các đường đặc tính cơ sẽ thay đổi nhưng vẫn đi qua điểm cố định là ω0 . Từ (1-12) ta thấy khi điện trở phụ Rf = 0 thì β có giá trị lớn nhất ứng với đường đặc tính cơ tự nhiên , còn khi Rf càng lớn thì β càng nhỏ và tốc độ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định . Như vậy khi thay đổi điện trở phụ của động cơ ta sẽ được một họ đặc tính cơ có dạng như hình 1-6 . Uư E Iư Rktf – + Ckt Ikt Rf Iư ← Iư ← Hình 1- 6 : Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện phụ của mạch phần ứng . Ta có : 0 ω1 > ω2 > ω3 > ….nhưng nếu ta tăng Rf đến một giá trị nào đó thì sẽ làm cho M ≤ Mc dẫn đến động cơ sẽ quay không được và động cơ sẽ làm việc ở chế độ ngắn mạch ω = 0 , đến bây giờ ta có thay đổi Rf thì động cơ vẫn không không quay nữa . Do đó phương pháp này gọi là phương pháp điều chỉnh tốc độ không triệt để . ω Mnm TN Rf1 Rf2 Mc M 0 ω0 Rf3 Hình 1- 7 : Đặc tình điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện trở phụ phần ứng . Vậy ứng vói một phụ tải Mc nào đó nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm ,đồng thời dòng điện ngắn mạch Inm và mômen ngắn mạch Mnm càng giảm , cho nên người ta thường dùng phương pháp này để hạn chế dòng điện khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản . 1.3.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi từ thông kích từ của động cơ . Giả thiết điện áp phần ứng : Uư = Udm = const ; Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát : ω = .M ; → ω = ω0 - ∆ω ; Trong trường hợp này tốc độ không tải : ω0x = ; Độ cứng đặc tính cơ : β = – ; Ta thấy rằng thay đổi từ thông Φ thì ω0 và ∆ω đều thay đổi theo , Dẩn đến ω thay đổi theo . Vì vậy ta sẽ được họ các đường đặc tính điều chỉnh dốc dần (Do độ cứng đặc tính cơ β giảm ) và cao hơn đặc tính cơ tự nhiên khi Φ càng nhỏ ,với tải như nhau thì tốc độ càng khi giảm tư thông Φ . Như vậy : ứng với Φdm > Φ1 > Φ2>…….thì ωdm < ω1 < ω2 <……, nhưng nếu giảm Φ quá nhỏ thì ta có thể làm cho tốc độ động cơ quá lớn quá giới hạn cho phép , hoạt làm cho điều kiện chuyển mạch bị xấu đi , do dòng phần ứng tăng cao , hoặt để đảm bảo chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng phần ứng và như vậy sẽ làm cho momen cho phép trên trục động cơ giảm nhanh , dẩn đến động cơ bị quá tải . Uư Ckt ← E Iư Ikt Rktf + - Hình : 1-8 : Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cánh thay đổi từ thông Φ . Mc M Mn2 Mn1 ω ω02 ω01 ω0dmm ω2 ω1 ωdm Φ1 Φ2 Φdm Hình :1-9 :Đăc tính điều chỉnh tốc độ ĐMdl bằng cách thay đổi từ thông Φ . 1.3.3 . phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMdl bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của động cơ . Giả thiết từ thông Φ = Φdm = const , khi ta thay đổi điện áp phần ứng theo hướng giảm so với Udm . Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát : ω = . M → ω = ω0 - ∆ω ; Ta có : Tốc độ không tải : ω0x = ; Độ cứng đặc tính cơ : β = = const Udk + - Ckt BBĐ ← ← Uư Iư Ikt Hình 1-10 :Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMdl bằng cách thay đổi Uư Ta thấy rằng khi thay đổi Uư thì ω0 thay đổi còn ∆ω = const , vì vậy ta sẽ được họ các đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau . Nhưng muốn thay đổi Uư thì phải có bộ nguồn một chiều thay đổi đươc điện áp ra , thường là dùng các bộ biến đổi . Các bộ biến đổi có thể là : + Bộ biến đổi máy điện : Dùng máy phát điện một chiều ( F ) , máy điện khếch đại ( MĐKĐ ) . + Bộ biến đổi từ : Khếch đại từ ( KĐT ) một pha , ba pha . + Bộ biến đổi điện từ - bán dẩn :Các bộ chỉnh lưu ( CL ) , các bộ băm điện áp ( BĐA ) , dùng transistor và thuyistor . Ta thấy rằng , khi thay đổi điện áp phần ứng ( giảm áp ) thì mômen ngắn mạch Mnm , và dòng điện ngắn mạch Inm của động cơ giảm và tốc độ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định . Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động . Mc M U2 U3 U1 ω03 ω01 ω02 0 ω Udm ω0 Hình 1-11 :Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMdl bằng cách thay đổi Uư . 1.4. CÁC ĐẶC TÍNH CƠ KHI KHI HÃM ĐMĐL . Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều với tốc độ , hay còn gọi là chế độ máy phát . Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm : 1.4.1. Hãm tái sinh : Hãm tái sinh khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng ( ω > ω0 ) . Khi hãm tái sinh , sức điện động của động cơ lớn hơn điện áp nguồn ( E > Uư ) , động cơ làm việc như một máy phát song song với lưới và trả năng lượng về nguồn , lúc này thì dòng hãm và mômen hãm đã đổi chiều so với chế độ động cơ . Khi hãm tái sinh : Ih = ( 1-13) Mh = KФ.Ih < 0 - Một số trường hợp hãm tái sinh : a ) Hãm tái sinh khi ω > ω0 : Lúc này máy sản suất như là nguồn động lực quay rôto động cơ , làm cho động cơ trở thành máy phát , phát năng lượng trả về nguồn . Vì E > Uư , do đó dòng điện phần ứng sẽ thay đổi chiều so với trạng thái động cơ: Iư = Ih = < 0 ; Mh = KФ.Ih < 0 ; Mômen động cơ đổi chiều ( M < 0 ) và trở nên ngược chiều với tốc độ và trở thành mômen hãm ( Mh ) . ω ω0 0 M Mh Trạng thái động cơ Hãm tái sinh (HTS) Trạng thái máy phát Mh ω ω M ωh E < Uư Iư > 0 E > Uư Ih < 0 Hình 1-12 : Hãm tái sinh khi có động lực quay động cơ . b ) Hãm tái sinh khi giảm điện áp phần ứng ( Uư2 ω02 ) . Về mặt năng lượng , do động năng tích luỹ ở tốc độ cao lớn sẽ tuôn vào trục động cơ làm cho động cơ trở thành máy phát phát năng lượng trả lại nguồn ( hay còn gọi là hãm tái sinh ) . ω Mc M Mhbđ 0 A B ω01 ω02 HTS E1 < Uư1 Iư > 0 E2 > Uư2 Ih < 0 Hình 1-13 : Hãm tái sinh khi giảm tốc độ bằng cách giảm điện áp phần ứng . c ) Hãm tái sinh khi đảo chiều điện áp phần ứng ( +Uư → - Uư ) : Lúc này Mc là dạng mômen thế năng ( Mc = Mtn ) . Khi đảo chiều điện áp phần ứng , nghĩa là đảo chiều tốc độ + ω0 → - ω0 , động cơ sẽ dần chuyển sang đường đặc tính có – Uư , và sẽ làm việc tại điểm B ( ) . Về mặt năng lượng , do thế năng tích luỹ ở trên cao lớn sẽ tuôn vào động cơ , làm cho động cơ trở thành máy phát và phát năng lượng trả lại về nguồn . Trong thực tế , cơ cấu nâng hạ của cầu trục , thang máy , thì khi nâng tải , động cơ truyền động thường làm việc ở chế độ động cơ ( điểm A hình 1-14 ) , và khi hạ tải thì động cơ làm việc ở chế độ máy phát ( điểm B hình 1-14 ) . ω ω0 A B ωbđ M Mc -ω0 -ωbđ 0 HTS E < Uư Iư > 0 -E < -Uư Ih < 0 Hình 1-14 : Hãm tái sinh khi đảo chiều điện áp phần ứng động cơ . 1.4.2. Hãm ngược : Hãm ngược là khi mômen hãm của động cơ ngược chiều với tốc độ quay của động cơ ( M ↑↓ ω ) . Hãm ngược có hai trường hợp : a ) Đưa điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng : Động cơ đang làm việc ở điển A , ta đưa thêm Rưf lớn vào mạch phần ứng thì động cơ sẽ chuyển sang điểm B , D làm việc ổn định ở điểm E ( ω = ωE và ωôđ ↑↓ ωA ) trên trên đặc tính cơ có thêm Rưf lớn , và doạn DE là đoạn hãm ngược , động cơ làm việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện , lúc này sức điện động của động cơ đảo dấu nên : Ih = ; (1-14) Mh = KФ.Ih ; Tại thời điểm chuyển đổi mạch điện thì mômen động cơ nhỏ hơn mômen cản ( MB < Mc ) nên tốc độ động cơ giảm dần . Khi ω = 0 , động cơ ở chế độ ngắn mạch ( điểm D trên đặc tính có Rưf ) nhưng mômen của nó vẫn nhỏ hơn mơmen cản : ω b) ω0 A E M Mc D ωôđ Mnm (+Rưf) Uư E Iư Rktf – Ckt Ikt Rưf Iư ← Iư ← HN a) Mnm < Mc ; Do đó mômen của tải trọng sẽ kéo trục động cơ quay ngược và tải trọng sẽ hạ xuống , ( ω < 0 , đoạn DE trên hình 1-15 ) . Tại điểm E , động cơ quay theo chiều hạ tải trọng , trường hợp này sự chuyển động của hệ được thực hiện nhờ thế năng của tải . + Hình 1-15 : a) Sơ đồ hãm ngược bằng cách thêm Rưf . b) Đặc tính cơ khi hãm ngược bằng cách thêm Rưf . b ) Hãm ngược bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng : Động cơ đang làm việc ở điểm A , ta đổi chiều điện áp phần ứng ( vì dòng đảo chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để hạn chế ) thì động cơ sẽ chuyển sang làm việc tại điểm B , C và sẽ làm việc xác lập ở D nếu phụ tải ma sát . Đoạn BC là đoạn hãm ngược , lúc này dòng hảm và mômen hãm của động cơ : Ih = < 0 ; (1-15) Mh = KФ.Ih < 0 ; Phương trình đặc tính cơ : Uư E Iư Rktf – Ckt Ikt Rưf ← ← ω ω0 ωbđ -ω0 Mc M A B HN C D ωôđ Mc a) b) + ω = (1-16) Hình 1-16 : a ) Sơ đồ hãm ngược bằng cách đảo chiều Uư . b ) Đặc tính cơ khi hãm ngược bằng cách đảo chiều Uư . 1.4.3. Hãm động năng : ω ω0 ωbđ -ω0 Mc M A B1 HĐN C1 ωôđ2 b) Uư E Iư Rktf – Ckt Ikt Rưf ← ← a) + B2 C1 ωôđ1 0 Mhđ1 Mhđ2 Rh1 Rh2 Ở đây ta chỉ xét hãm động năng kích từ độc lập . Động cơ đang làm việc với lưới điện ( điểm A ) , thực hiện cắt phần ứng động cơ ra khỏi lưới điện và đóng vào một điện trở hãm Rh , do động năng tích luỹ trong động cơ , cho nên động cơ vẫn quay và nó làm việc như một máy phát biến cơ năng thành nhiệt năng trên điện trở hãm và điện trở phần ứng . Hình 1-17 : a ) Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập . b ) Đặc tính cơ khi hãm động năng kích từ độc lập . Phương trình đặc tính cơ khi hãm động năng : ω = - .M (1-17) Tại thời điểm hãm ban đầu , tốc độ hãm ban đầu ωhđ nên sức điện động ban đầu , dòng điện hãm ban đầu và mômen hãm ban đầu . Ehđ = KФωhđ ; Ihđ = - < 0 ; (1-18) Mhđ = KФ.Ihđ < 0 ; Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng ta thấy rằng nếu mômen cản là phản kháng thì động cơ sẽ dừng hẵn ( các đoạn B10 hoặc B20 ) , còn nếu mômen cản là thế năng thì dưới tác dụng của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngược lại ( ωôđ1 hoặc ωôđ2 ) . 1.5. CÁC ĐẶC TÍNH CƠ KHI ĐẢO CHIỀU QUAY ĐMđl . Giả sử động cơ đang làm việc ở điểm A theo chiều quay thuận của động cơ trên đặc tính cơ tự nhiên thuận với tải Mc . ω = . M (1-19) Uư E Iư Rktf – Ckt Ikt Rưf ← ← ω ω0 ωôđ -ω0 Mc M A -ωôđ Mc a) b) + A’ (ĐCth) (ĐCng) ω M ω M Hình 1-18 : a ) Sơ đồ hãm ngược bằng cách đảo Uư . b ) Đặc tính cơ hãm ngược bằng cách hãm Uư . Với M = Mc thì ω = ωA = ωthuận . Muốn đảo chiều động cơ , ta có thể đảo chiều điện áp phần ứng hoặc đảo chiều từ thông kích từ động cơ . Khi đảo chiều điện áp phần ứng thì ω0 đảo dấu , còn ∆ω thì không đảo dấu , đặc tính cơ khi quay ngược chiều là : ω = .M (1-20) Động cơ quay ngược chiều tương ứng với điểm A’ trên đặc tính cơ tự nhiên bên ngược , hoặc trên đặc tính cơ nhân tạo . 1.6. CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG : Động cơ điện một chiều có ba phương pháp điều chỉnh tốc độ cơ bản : - Phương pháp thay đổi thông số của điện trở phụ Rf của mạch phần ứng động cơ . - Phương pháp thay đổi thông số từ thông Φ của động cơ . - Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng Uư của động cơ . Nói chung , mổi phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều đều có ưu nhươc điểm nhất định của nó . Do đó khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động ta phải căn cứ vào các yêu cầu của các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng để chọn phương án . 1.6.1 . Phạm vi điều chỉnh D : Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giũa tốc độ lớn nhất ωmax và tốc độ nhỏ nhất ωmin mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức . ω Mc M β2 ∆ωc β1 ω01 ωmax ω02 ωmin D = ; Hình 1-19 :Xác định phạm vi điều chỉnh của động cơ ĐMdl . Ta mong muốn tăng D tuy nhiên D vẩn hữu hạn đối với các phương pháp . Vì ωmax không thể tăng quá lớn do nó phụ thuật vào độ bền cơ khí của động cơ .Còn ωmin thường bị hạn chế bởi yêu cầu về mômen khởi động , về khả năng quá tải, về sai số tốc độ làm việc cho phép . 1.6.2 . Độ trơn điều chỉnh : Là sự chênh lệch giữa hai cấp tốc độ liền nhau . φ = Trong đó : ωi : Tốc độ ổn định đạt được ở cấp i. ωi+1 Tốc độ ổn định đạt được ở cấp i+1 . Hệ số φ càng nhỏ càng tốt , lý tưởng là φ → 1 đó là hệ điều chỉnh vô cấp , còn hệ điều chỉnh có cấp khi φ ≠ 1 . 1.6.3 . Sai số tốc độ : S % = . 100% = ∆ωc% = ; Trong đó : ω : Tốc độ làm việc thực của động cơ . ω0: Tốc độ không tải của động cơ . ∆ωc : Độ sụt tốc độ khi mômen tải thay đổi Mc = 0 → Mdm . Sai số càng nhỏ ,điều chỉnh càng chính xác và lý tưởng ,ta có thể điều chỉnh tuyệt đối chính xác khi S % = 0 . Thực tế người ta phải thiết kế các hệ truyền động điều chỉnh có độ chính xác đáp ứng yêu cầu công nghệ của máy sản xuất , như truyền động chính của máy cắt gọt kim loại yêu cầu S % ≤ 10%, truyền động ăn dao S% ≤ 5% .1.6.4 . Mức độ phù hợp giữa đặc tính tải cho phép và đặc tính cơ Mc(ω) : Đặc tính tải cho phép là quan hệ giữa mômen của động cơ và tốc độ của động cơ khi I = Idm . Người ta mong muốn đặc tính cơ luôn luôn trùng với đặc tính tải cho phép , vì nếu không được như thế thì sẽ xảy ra hai trường hợp hoặt là non tải , hoặt là quá tải . 1.6.5. Hướng điều chỉnh : Có hai hướng điều chỉnh cơ bản ω ωcb . Nếu dùng phương pháp thay đổi từ thông thì điều chỉnh được ω > ωcb , còn dùng phương pháp thay đổi điện áp nguồn thì điều chỉnh được ω < ωcb . Như vậy ,khi điều chỉnh tốc độ mổi phương pháp chỉ có một hướng điều chỉnh nhất định . Muốn mở rộng D người ta thường kết hợp nhiều phương pháp điều chỉnh cho một hệ . 1.6.6. Miền tải điều chỉnh có hiệu quả : Nếu toàn bộ phạm vi biến đổi của tải đều có thể điều chỉnh được tốc độ mong muốn trong dãi điều chỉnh thì hệ điều chỉnh là một hệ tốt . Cũng có những phương pháp chỉ đảm bảo được trong một miền nhất định , ngoài miền đó không điều chỉnh được hoặc điều chỉnh ít hiệu quả , phương pháp như vậy gọi là phương điều chỉnh không triệt để . Để đánh giá chỉ tiêu này người ta xét hệ có khả năng điều chỉnh tốc độ không tải lý tưởng là hệ tốt trong máy điện . Ngoài ra các hệ số cos(φ) của hệ nói chung là thấp . 1.6.7. khả năng tự động hoá : Nếu hệ truyền động điều chỉnh có khả năng tự động hoá thì có thể cải thiện các chỉ tiêu như độ chính xác điều chỉnh , dãi điều chỉnh , độ tinh . 1.6.8 . Chỉ tiêu kinh tế : Chỉ tiêu kinh tế là chỉ tiêu quyết định sự lựa chọn của phương án truyền động . Hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ cần đạt có vốn đầu tư thấp , giá thành hạ , chi phí vận hành , bảo quản , sữa chữa ít , đặc biệt là tiêu tốn năng lượng khi điều chỉnh và vận hành nhỏ . Việc tính toán cụ thể các chỉ tiêu liên quan nêu trên sẽ cho thấy hiệu quả kinh tế , thời gian hoàn vốn và lợi ích nhờ việc sử dụng hệ điều chỉnh đã chọn . G K A K N2 P2 N1 P1 A G J1 J2 J3 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU BA PHA THUYRISTOR2.1 .HỆ CHỈNH LƯU THUYRISTOR ĐỘNG VÀ THYRISTOR .2.1.1.Giới thiệu về thyristor . Thyristor là linh kiện gồm bốn lớp bán dẫn là P1-N1-P2-N2 liên tiếp tạo nên ba cực : anôt A , catôt K , và cực điều khiển G (Gate) . Tại ba vị trí tiếp xúc nhau của các lớp P1-N1-P2-N2 tạo ra các lớp tếp giáp J1 , J2 , J3 . Về lý thuyết có hai loại thyristor : - Thyristor kiểu N hay thyristor có cực điều khiển G nối với vùng N gần anốt . Hình 2-1: Ký hiệu và cấu trúc thyiristor.  - Thyiristor kiểu P hay thyristor có cực điều khiển G nối với vùng P gần catôt . - Hoạt động của thyristor : + Thyristor khoá nếu UAK 0 . + Thyristor chuyển trạng thái tư khoá sang dẫn nếu đồng thời đảm bảo hai điều kiện UAK > 0 và có dòng điều khiển IG đủ mạnh ( về công suất và thời gian ) . Khi thyristor đã dẫn nếu ngắt dòng điều khiển đi ( cho IG = 0 ) nó sẽ vẫn dẫn chừng nào dòng điện qua van còn lớn hơn một giá trị gọi là dòng điện duy trì . -Trong thực tế người ta thường sử dụng thyristor kiểu N nhiều hơn . Còn về mặt cấu trúc thyristor được tạo nên từ một đĩa silic đơn tinh thể loại N có điện trở suất rất cao . Trên lớp đêm bán dẫn loại P có cực điều khiển bằng dây nhôm . Các chuyển tiếp được tạo nên nhờ kỹ thuật bay hơi của gali . Lớp tiếp xúc giũa anôt và catôt làm bằng đĩa môlipdem , tungsten có điểm nóng chảy gần bằng silic .Cấu tạo dạng đĩa để dễ tản nhiệt .2.1.2.Hệ chỉnh lưu thyristor . Hiện nay người ta sử dụng rộng rãi bộ biến đổi van điều khiển để biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành điện một chiều để cung cấp cho các động cơ điện một chiều . Tốc độ động cơ điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp chỉnh lưu tức là thay đổi góc mở α của thuyristor . Ưu điểm nổi bật của hệ truyền động T - Đ là tác động nhanh không gây ồn ào và dể tự động hoá , do các van bán dẫn có hệ số khếch đại công suất cao , điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập cho hệ thống tự động , điều chỉnh nhiều vùng để nâng cao chất lượng đặc tính tĩnh và đặc tính động của hệ thống . Nhược điểm chủ yếu là do các van bán dẫn có tính phi tuyến , dạng chỉnh lưu của điện áp có biên độ đập mạch gây tổn hao phụ trong van buộc phải dùng hai bộ biến đổi để cung cấp điện cho động cơ có đảo chiều quay . 2.1.3 . Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng . Để điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ điện một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập , các bộ chỉnh lưu điều khiển ..Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành điện một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Udk . Vì nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb ≠ 0 . Ckt Ikt Iư + - BBĐ ← ← Uư Iư Uđk đk ↑ ↑ U Eb Eư Rb Rư Id b ) a ) Hình 2-2 : Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập của điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ điện một chiều  Chế độ xác lập có thể viết phương trình đặc tính của thệ thống như sau : Eb – Eư = Iư.(Rb + Rd) , (2-1) ω = .Iư , (2-2) ω = ω0 (Udk) - ; (2-3) Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi , còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Udk của hệ thống , do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để . Để xác định được dải điều chỉnh tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ tự nhiên , là đặc tính ứng vói điện áp định mức . Tốc độ nhỏ nhất của dãi điều chỉnh bị giới hạn bỏi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động . Khi mômen tải là định mức thì giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là : ω = ω0max - , (2-4) ω = ω0min - , (2-5) Để thoả mãn khã năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dãi điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là : MnmMin = Mcmax = Km.Mdm . Trong đó : Km là hệ số quá tải về mômen . Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nhau , nên định nghĩa đặc tính cơ có thể viết : ωmin =(MnmMin – Mdm). = .(Km – 1) , (2-6) D = = ; (2-7) Với một cơ cấu máy cụ thể các giá trị ω0max , Mdm , Km là xác định , vì vậy phạm vi điều chỉnh D thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng β . Khi điều chỉnh điện áp động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ . Do đó có thể tính sơ bộ được : ω0max.| ‌‌‌‌β‌‌‌‌‌‌| /Mdm ≤ 10 , vì thế có đặc tính mômen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh không vược quá 10 . Đối với các máy có yêu cầu cao về dãi điều chỉnh vè độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ hở trên là không thoả mãn .  Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi đặc tính cơ tĩnh của truyền động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính . Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng các đặc tính cơ trong toàn dãi điều chỉnh là như nhau , do đó độ sụt tốc tương đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của dãi điều chỉnh . Hay nói cách khác nếu tại đặc tính cơ thấp tại dãi điều chỉnh mà sai số tốc độ không vược quá giá trị cho phép thì hệ truyền động làm việc với sai số luôn nhỏ hơn vói sai số cho phép trong toàn bộ điều chỉnh . Sai số tương đối ở đặc tính cơ thấp nhất là : S = , S = ≤ Scp (2-8)Vì các giá trị Mdm , ω0min , S là xác định nên có thể tính được giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vược quá giá trị cho phép . Để làm việc này trong đa số các trường hợp cần xây dựng hệ truyền động kiểu vòng kín . Trong quá trình điều chỉnh áp thì từ thông được giữ nguyên , do đó mômen tải cho phép của hệ sẽ là không đổi : Mcp = K.Φ.Idm = Mnm . Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen nằm trong hình chử nhật bao bởi những đường thẳng ω = ωdm , M = Mdm là các trục toạ độ . Mdm ωdm 0 M ω  Hình 2-3 :Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen 2.2 . TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA KHÔNG ĐẢO CHIỀU .2.2.1. Nguyên lý làm việc hệ chỉnh lưu . F G T1 T4 T3 T6 T5 T2 u2c u2b u2a Iư Ud Hình 2- 4 : Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không đảo chiều . Các hình trên sơ đồ của chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển không đảo chiều quay của động cơ , bằng cách dùng các van bán dẫn thyristor với T1 , T3 , T5 là các thyristor nhóm catốt chung ; còn T2 , T4 , T6 là các thyristor nhóm anôt chung .Động cơ ĐMđl được điều khiển bằng cách thay đổi góc mở α của hệ để thay đổi điện áp ra phần ứng của động cơ . Theo dạng sóng điện áp ở hình 2-5, điện áp tổng đập mạch bật sáu và trị số đỉnh của nó bằng điệp dây . Góc mở α được tính từ giao điểm các nửa hình sin . Giả thiết T5 , T6 đang dẫn nên VF = Uc , VG = Ub . Tại ωt1 = π / 6 + α cho xung điều khiển để mở T1 , thyristor này sẽ mở vì Ua > 0 . Sự mở T1 làm cho T5 bị khoá một cách tự nhiên vì Ua > Uc , lúc này T6 và T1 dẫn và điện áp trên tải : Ul = Ud = Ua - Ub Tại ωt2 =3π / 6 + α cho xung mồi để mở T2 . Thyiristor này sẽ mở vì khi T6 dẫn có điện áp Ub tác dụng lên anôt của T2 mà Ub > Uc . Sự mở của T2 làm cho T6 bị khoá lại một cách tự nhiên , lúc này T1 và T2 dẫn và điện áp trên tải là .  Ul = Ud = Ua - Uc α u2a u2b u2c π 2π 3π 0 U VG VF Ud Ud = VF - VG t t 1 3 5 6 2 4 6 2 4 1 3 Hình 2-5 : Sơ đồ dạng sóng chỉnh lưu cầu ba pha .  Tại ωt3 =5π / 6 + α lúc này ta có Ub > Ua , Uc cho xung mồi để mở T3 .Thyrisror này sẽ mở vì Ub > 0 . Sự mở T3 làm cho T1 bị khoá lại một cách tự nhiên vì Ub > Ua ,lúc này T3 và T2 dẫn và điện áp trên tải là  Ul = Ud = Ub -Uc Tại ωt4 =7π / 6 + α lúc này ta có Ub > Ua , Uc cho xung mồi để mở T4 . Thyristor này sẽ mở vì khi T2 dẫn có điện áp Uc tác dụng lên anôt của T4 mà Uc > Ua .Sự mở của T4 làm cho T2 bị khoá lại một cách tự nhiên , lúc này T3 , T4 dẫn và điện áp trên tải là Ul = Ud = Ub – Ua Tại ωt5 =9π / 6 + α lúc này ta có Uc > Ua , Ub , cho xung mồi để mở T5 . Thyristor này sẽ mở vì Uc > 0 . Sự mở T5 làm cho T3 bị khoá lại một cách tự nhiên vì Uc > Ub , lúc này T4 và T5 dẫn .Điện áp trên tải là : Ul = Ud = Uc – Ua Tại ωt6 =11π / 6 + α lúc này ta có Uc > Ua , Ub cho xung mồi để mở lại T6 . Thyristor này sẽ mở vì khi T4 dẫn có điện áp Ua tác dụng lên anôt của T6 mà Ua > Ub .Sự mở của T6 làm cho T4 bị khoá lại một cách tự nhiên , lúc này T5 , T6 dẫn và điện áp trên tải là : Ul = Ud = Uc - Ub Ta có bảng điều khiển đóng mỏ , mở và dẫn của các van . THỜI ĐIỂM MỞ KHOÁ DẪN ωt1 =π / 6 + α T1 T5 T6 , T1 ωt2 =3π / 6 + α T2 T6 T1 , T2 ωt3 =5π / 6 + α T3 T1 T2 , T3 ωt4 =7π / 6 + α T4 T2 T3 , T4 ωt5 =9π / 6 + α T5 T3 T4 , T5 ωt6 =11π / 6 + α T6 T4 T5 , T6 Điện áp trung bình trên tải được tính theo công thức : Ud = Ul = Umsin ωt.dωt = .UfN max . cos α = .Uff max.cosα = 1.35.Uff. cosα (2-9) Trong đó : UfN max :Điện áp pha cực đại . Uff max :Điện áp dây cực đại . Dòng điện trung bình trên các van : Ihd = Khd . Id Trong đó : Ihd , Id : Dòng điện hiệu dụng của các van và dòng điện tải . Khd : Hệ số xác định dòng điện hiệu dụng . Khi góc mở α , dạng sóng biểu diễn trên hình 2-5 cho thấy điện áp Ud đập mạch bậc sáu ; nhưng khi α lớn , điện áp trên tải sẽ có phần âm , dòng điện trên các thyristor có dạng chữ nhật nhưng dòng điện qua thứ cấp máy biến áp hoàn toàn đối xứng và không có thành phần một chiều tránh cho lõi sắt bị bão hoà . Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha được sử dụng rộng rãi bởi dòng trong các dây quấn và dây nguần hoàn toàn đối xứng . 2.2.2. Hiện tượng trùng dẫn . Giả sử T1 , T2 đang dẫn dòng . Khi θ = θ1 cho xung điều khiển mở T3 , do Lc ≠ 0 nên iT3 không thể tăng đột ngột từ 0 → Id và dòng iT1 cũng không thể giảm đột ngột từ Id → 0 . Cả ba thyristor T1 , T3 , T5 đều dẫn dòng , hai nguồn ea , eb nối ngắn mạch . Nếu chuyển gốc toạ độ từ 0 đến θ1 ta có : ea = . U2 sin(θ + + α) (2-10) eb = . U2 sin(θ + + α) (2-11) Điện áp ngắn mạch Uc = Ub – Ua = . U2 sin(θ + α) Dòng điện ngắn mạch ic được xác định bởi phương trình : Uc = . U2 sin(θ + α) = 2Xc. ; (2-12) ic = [ cosα – cos(θ + α) ] ; (2-13) F G T1 T4 T3 T6 T5 T2 Lc ← → Iư ea eb ec Lc Lc ic Hình 2-6 : Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có hiện tượng trùng dẫn . Dòng điện chạy trong T1 là iT1 = Td - Ic ; Dòng 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 góc 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 2-7 : Sơ đồ dạng sóng chỉnh lưu cầu ba pha có trùng dẫn . Khi θ = μ , iT1 = 0 , ta có biểu thức sau : cosα – cos(μ + α) = (2-14) Hình dạng điện áp tải Ud trong giai đoạn trùng dẫn trong khoảng θ1 → θ2 . T2 dẫn dòng , T1 , T3 trùng dẫn dòng . Vậy có thể viết các phương trình sau : ea - ec - 2Lc = Ud (2-15) eb – ec - 2Lc. = Ud (2-16) iT3 + iT1 = iT2 = Id =const (2-17) Từ 3 phương trình ta rút ra : Ud = - ec (2-18) 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) ] (2-19) Từ đó ta có thể xác định được : ∆Uμ = ; (2-20) 2.2.3. Nghịch lưu phụ thuộc . Ta có ở chế độ chỉnh lưu dòng điện trung bình trên tải Id và điện áp trung bình Ud luôn cùng chiều . Công suất tiêu thụ trên tải P = Ud.Id luôn dương và chiều của công suất luôn từ phía nguồn xoay chiều chuyển qua tải một chiều , ta nói bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu . Tải a ) M N _ + Tải Ud Id BBĐ Công suất P = Ud.Id > 0 b ) M N + _ Ud Id BBĐ Công suất P = Ud.Id < 0 Hình 2-8 : a ) Chế độ chỉnh lưu ; b ) Chế độ nghịch lưu . Khi tăng góc mở α , giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu Ud giảm đi nhưng vẫn còn 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 có chiều không đổi nên công suất P đổi dấu . Điều này có nghĩa là tải một chiều đã trở thành nguồn phát và công suất truyền ngược từ phía tải về nguồn . Ta nói 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 công suất tác dụng từ phía tải nhưng vẫn tiếp tục cung cấp công suất phản kháng và ảnh hưởng đến dạng sóng , tần số của điện áp xoay chiều ta nói rằng sơ đồ này làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc . Để lưới có 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 . Trong trường hợp nghịch lưu phụ thuộc thì ta phải có góc điều khiển α > π/2 ta có điện áp trung bình của nghịch lưu phụ thuộc là Utb < 0 . 2.2.4. Hệ T – Đ không đảo chiều ( CL – ĐM ) : Khi ta dùng các bộ chỉnh lưu có 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 có điện áp chỉnh lưu của hệ là : Ud = Ud0 . cosα ; Vậy ta có phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của hệ chỉnh lưu T – Đ không đảo chiều là : ω = . I ; ω = . M ; ω = ω0 - ∆ω ; Trong đó : ω0 = là tốc độ không tải lý tưởng , vì lúc đó ở vùng dòng điện gián đoạn , hệ sẽ có thêm một lượng sụt áp nên đường đặc tính điều chỉnh đốc hơn , tốc độ không tải lý tưởng thực ω0 sẽ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng giả tưởng ω’0 như hình 2-10 . Vậy , khi thay đổi góc 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 đó : XBA : Điện kháng máy biến áp . f1 : Tần số lưới . LưΣ : Điện cảm tổng mạch phần ứng . m : Số pha chỉnh lưu . Trong vùng dòng điện gián đoạn ( ω’0 < ω0 ) : Trong đó : E2m : Biên độ sức điện động thứ cấp máy biến áp chỉnh lưu . Đường giới hạn tốc độ cực đại : 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 ) ωgh.max = Hình 2- 9 : a ) Sơ đồ thay thế hệ T – Đ không đảo chiều . b ) Đặc tính điều chỉnh tốc độ hệ T – Đ . 2.3 . TỔNG QUAN VỀ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA CÓ ĐẢO CHIỀU . 2.3.1. Nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ truyền động T-D 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 , mổi 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 dãi 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 . 2.3.2.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 : α1 + 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 . Ut = Ud1 = U d2 ; (2-21) Nếu dòng điện liên tục ta có : Ud1 = Ud0.cosα1 ; Ud2 = Ud0.cosα2 ; Vậy : Ud0.cosα1 = Ud0.cosα2 ; Hay : cosα1 + cosα2 = 0 ; suy ra α1 + α2 = 1800 ; 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 = 1800 ; Sự phối hợp này gọi là phối hợp điều khiển tuyến tính (hình 2-10) . α2 = 0 α1 = 0 α1=1800 α2=1800 300 α 600 900 1500 1800 1200 0 uc uc1 uc2 uc4 uc3 Hình 2-10 : 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 → 900 , Ud1 > 0 , bấy giờ α2 > 900 , G2 làm việc ở chế độ nghịch lưu , Ud2 < 0 . Ud1 = U0 cos α1 > 0 ; Ud2 = U0 cos α2 < 0 ; Cả hai điện áp Ud1 và Ud2 đều đặc lên phần ứng của động cơ M . Động cơ chỉ có thể “nghe theo” Ud1 và quay thuận . Động cơ từ chối Ud2 vì các thyristor không thể cho dòng chảy từ catôt đến anôt . Khi α1 = α1 = 900 , thì Ud1 = Ud2 = 0 , động cơ ở trạng thái dừng . Giả sử uc là điện áp điều khiển ở bộ điều khiển cần khởi động ĐM quay thuận ta cho uc = uc1 (hình 2-10) . α1 = 300 , α2 = 1800 - α1 = 1500 , Ud1 = U0 , Ud2 = - U0 ; G1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu còn G2 chuẩn bị sẵn sàng để làm việc ở chế độ nghịch lưu . Nếu bây giờ cần giảm tốc độ động cơ , ta cho uc = uc2 , các góc mở : α1 = 600 , α2 = 1800 - α1 = 1200 , U’d1 = U0 , U’d2 = - U0 . Lúc này , do quán tính nên sức điện động E của động cơ vẫn còn giữ nguyên trị só ứng với trạng thái trước đó , E > U’d1 → bộ biến đổi G1 bị khoá lại . Mặt khác E > |U’d2| nên bộ biến đổi G2 làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc , trả năng lượng tích luỷ trong động cơ về nguồn điện xoay chiều . Dòng điện phần ứng đổi dấu , chảy từ M vào G2 động cơ bị hãm tái sinh , tốc độ giảm xuống đến giá trị ứng với U’d1 . Nếu cho điện áp điều khiển uc 0 hoặc uc < 0 ) ta sẽ thay đổi được góc mở α1 và α2 : + Nếu uc > 0 thì α1 900 dẫn đến bộ chỉnh lưu G1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu , còn bộ biến đổi G2 làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc kết quả là làm cho động cơ quay thuận ωT . + Nếu uc 900 , α2 < 900 dẫn đến bộ chỉnh lưu G1 làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc , còn bộ biến đổi G2 làm việc ở chế độ chỉnh lưu , kết quả là làm cho động cơ quay theo chiều ngược ωN . T1 T4 T3 T6 T5 T2 Lc F G T4’ T1’ T6’ T3’ T2’ T5’ + - Ckt ← M Ikt L Lc Lc Lc u2a u2b u2c G1 G2 Hình 2-11 : Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha dùng phương pháp điều khiển chung . Đặc điểm của chế độ đảo dòng đang xét là có một dòng điện lúc thì chảy từ G1 vào G2 , lúc thì chảy từ G2 vào G1 mà không qua mạch tải . Người ta gọi dòng điện này là “ dòng điện tuần hoàn ” . Dòng điện tuần hoàn làm cho máy biến áp và các thyristor làm việc nặng nề hơn . Để hạn chế dòng điện tuần hoàn người ta dùng bốn điện cảm Lc (như hình 2-12) . Như thế sẽ làm tăng công suất đặt và giá thành hệ thống . Tuy nhiên phương pháp điều khiển chung cho phép điều chỉnh nhanh tối đa . - Xác định dòng điện tuần hoàn icc . α1 = 300 α2 = 1500 α1 2π 2π θ θ ua ub uc θ1 θ2 θ3 θ4 4’ 6’ 2’ 3’ 5’ 1’ α1 -α1 0 0 0 θ 0 icc21 icc12 α2 6 2 4 1 3 5  Hình 2-12 : Sơ đồ dạng sóng biểu diễn quan hệ giữa α1 và α2 . Xét truờng hợp α1 = 300 , α2 = 1800 - α1 = 1500 , như hình 2-13 . Trong khoảng θ1 đến θ3 : có T1 và T6’ , T2 và T5’ dẫn dòng ,nhưng anôt T5’ và catôt T2 có cùng một điện thế , không có dòng chảy từ T5’ sang T2 . Chỉ có dòng tuần hoàn chảy từ G1 vào G2 qua T1 và T6’ . Điện áp tuần hoàn trong khoảng này là : ucc12 = u2a –u2b = U2 sin(θ + π/6) ; Nếu chuyển toạ độ từ O sang O2 , ta có : ucc12 = - U2 sinθ = 2.Xc ; icc12 = .cosθ + C ; Khi θ = α1 , icc12 = 0 , ta có : icc12 = - .(cosθ - cosα1) ; (2-22) Tiếp tục xét các khoảng khác , kết quả nhận được cho phép ta kết luận : hoàn icc12 chảy từ G1 vào G2 , và ba xung dòng điện tuần hoàn icc12 chảy từ G2 vào G1 . Trị trung bình của dòng điện tuần hoàn : Icc = (cosθ - cosα1)dθ = .(sinα1 – α1 cosα1) ; (2-23) Phương pháp điều khiển kiểu phi tuyến : α1 + α2 = π + ξ . Đây là kiểu điều khiển phối hợp không hoàn toàn thì lúc này sẽ có thêm hệ số phi tuyến ξ và ta có : α1 + α2 = π + ξ ; Id ω0dm 0dm 0dm dm α1min 0dm 0dm dm α2max 0dm 0dm dm Ic α1 = π/2 0dm 0dm dm -ω0dm 0dm 0dm dm α1max 0dm 0dm dm α2min 0dm 0dm dm a ) 0dm 0dm dm Id α1min 0dm 0dm dm α2max 0dm 0dm dm ω0dm 0dm 0dm dm -ω0dm 0dm 0dm dm α1max 0dm 0dm dm α2min 0dm 0dm dm α1 = π/2 0dm 0dm dm Ic b ) 0dm 0dm dm ω ω Góc ξ phụ thuộc vào các giá trị của α1 và α2 một cách phi tuyến .  Hình 2-13 : a ) Sơ đồ điều khiển chung phối hợp kiểu tuyến tính . b ) Sơ đồ điều khiển chung phối hợp kiểu phi tuyến . 2.3.3.Phương pháp điều khiển riêng : Hai mạch chỉnh lưu hoạt động riêng biệt . Mạch này hoạt động (được phát xung điều khiển ) thì mạch kia hoàn toàn nghỉ ( bị ngắt xung điều khiển ) . Vì vậy loại trừ được dòng điện tuần hoàn và không cần cuôn kháng cân bằng Lc . Song trong quá trình đảo chiều cần có “ thời gian chết ” ( nhỏ nhất là vài ms ) để cho van của mạch phải ngừng hoạt động kịp phục hồi tính chất khoá rồi mới bắt đầu phát xung cho mạch kia hoạt động . Vì vậy cần một khối logic điều khiển đảo chiều tin cậy và phức tạp . Để thay đổi trạng thái làm việc của các bộ chỉnh lưu thì phải dùng thiết bị đặc biệt để chuyển các tín hiệu điều khiển từ bộ chỉnh lưu này sang bộ chỉnh lưu kia . Bởi vậy , khi điều khiển riêng , các dặc tính cơ sẽ bị gián đoạn ở tại trục tung . Như vậy , khi thực hiện thay đổi chế độ làm việc của hệ sẽ khó khăn hơn và hệ có tính linh hoạt kém hơn khi điều chỉnh tốc độ . Trong phương pháp điều khiển riêng cũng có phối hợp điều khiển kiểu tuyế tính và phi tuyến . T1 T4 T3 T6 T5 T2 F G T4’ T1’ T6’ T3’ T2’ T5’ + - Ckt ← M Ikt L u2a 2c u2b u2c G1 G2 Hình 2-14 : Sơ đồ cầu chỉnh lưu cầu ba pha có đảo chiều dùng phương pháp điều khiển riêng . Do ở sơ đồ này dùng phương pháp điều khiển riêng nên trong mạch không có dòng điện tuần hoàn dẫn đến trong mạch ta không dùng bốn cuộn kháng cân bằng Lc . CHƯƠNG 3 TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ T-Đ 3 .1. TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC . 3.1.1 Sơ đồ mạch động lực hệ chỉnh lưu cầu ba pha thyristor . Lc Lc Lc Lc L BAL T1 T4 T3 T6 T5 T2 F G T4’ T1’ T6’ T3’ T2’ T5’ + - Ckt ← M Ikt u2a u2b u2c C B A Hình 3-1 : Sơ đồ mạch động lực của hệ chỉnh lưu cấu ba pha thyristor hệ T-Đ . 3.1.2. Các thông số của động cơ . - Động cơ một chiều có các thông số sau : P = 32 Kw ; Udm = 220 V ; Idm = 166 A ; Rư = 0,075 Ω ; Jd = 2,7 Kg.m2 ; Rkt = 95,5 Ω ; Wkt = 1600 Vòng ; Iktdm = 1,64 A ; Số đôi cực : p = 2 ; Tốc độ của rôto : ndm = 1500 vòng/phút ; nmax = 2250 vòng/phút ; 3.1.3. Tính chọn thyristor : Tính chọn thyristor dựa vào các yếu tố cơ bản như : dòng điện tải , sơ đồ chỉnh lưu , điều kiện tản nhiệt , điện áp làm việc . - Điện áp ngược lớn nhất mà thyristor phải chịu : Unmax = Knv .U2 = Knv . = = .220 = 230,27 V ; Trong đó : Knv = ; Ku = ; - Điện áp ngược của van cần chọn : Unv = Kdtu .Unmax = 1,8 .230,27 = 414,49 V ; Trong đó : Kdtu : Hệ số dự trữ điện áp , thường chọn Kdtu = 1,8 ; - Dòng điện làm việc của van đựơc tính theo dòng hiệu dụng : Ilv = Ihd = khd .Id = = = 95,84 A ; ( do trong sơ đồ cầu ba pha , hệ số dòng điện hiệu dụng : khd = ) . - Chọn thyristor làm việc với điều kiện có cánh tản nhiệt và đủ diện tích tản nhiệt , không có quạt đối lưu không khí , với điều kiện có dòng điện định mức của van cần chọn : Idm = ki .Ilv = 3,2 . 95,84 = 306,688 A ; ki : Hệ số dự trữ dòng điện , chọn ki = 3,2 . Để chọn thyristor làm việc với các tham số định mức cơ bản trên , ta tra bảng thông số van , chọn các van có thông số điện áp ngược , dòng điện định mức lớn hơn gần nhất với thông số đã tính . Vậy ta chọn thyristor cho mạch động lực loại TF440-06X có các thông số sau : Dòng điện định mức của van: Idm = 400 (A) ; Điện áp ngược cực đại của van: UnT = 600 (V) ; Đỉnh xung dòng điện : Ipk = 4000 (A) ; Độ sụt áp trên thyrisor : ∆UT = 2,0 (V) ; Dòng điện của xung điều khiển : Ig = 200 (mA) ; Điện áp của xung điều khiển : Ug = 3,0 (V) ; Dòng điện rò : Ir = 25 (mA) ; Nhiệt độ làm việc cực đại : Tmax = 125 0C ; Dòng điện duy trì : Ih = 70 mA ; Tốc độ biến thiên điện áp : = 200 (V/µs) ; Thời gian chuyển mạch : tcm = 15 (µs) ; 3.1.4. Tính toán máy biến áp chỉnh lưu : Để chọn các thiết bị trong mạch động lực cũng như mạch bảo vệ , trước hết cần xác định điện áp ra của bộ biến đổi Tiristor . Chọn máy biến áp ba pha ba trụ có sơ đồ nối dây ∆/Y , làm mát tự nhiên bằng không khí . Máy biến áp là một bộ phận quan trọng của hệ thống điện , thực hiện các chức năng sau . - Biến đổi điện áp nguồn cho phù hợp với yêu cầu sơ đồ phụ tải . - Bảo đảm sự cách ly giữa phụ tải với lưới điện để vận hành an toàn và thuận tiện - Biến đổi số pha cho phù hợp với số pha của sơ đồ phụ tải . - Tạo điểm trung tính cho sơ đồ hình tia . - Hạn chế dòng điện ngắn mạch trong chỉnh lưu và hạn chế mức tăng dòng Anốt để bảo vệ van . - Cải thiện hình dáng sóng điện lưới làm cho nó đỡ biến dạng so với hình sin , do đó nâng cao chất lượng điện áp lưới . * Tính các thông số cơ bản : - Tính công suất biểu kiến của máy biến áp : SBA = Ks .Pdm = 1,05.3200 = 33600 (VA) ; - Điện áp pha sơ cấp máy biến áp : U1 = 380 V ; - Điện áp pha thứ cấp máy biến áp : Phương trình cân bằng điện áp khi có tải : Ud0.cosαmin = Ud + 2∆UV + 2∆Udm + ∆UBA Trong đó : αmin = 00 là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới ; ∆UV = 21 V là sụt áp trên thyristor ; ∆Udm ≈ 0 là sụt áp trên dây nối : ∆UBA = ∆Ur + ∆Ux là sụt áp trên điện trở và điện kháng trên máy biến áp ; Chọn sơ bộ : ∆UBA = 6%.Ud = 0,06. 220 = 13,2 V ; Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có : Ud0 = = = 250,4 V ; Điện áp pha thứ cấp máy biến áp : U2 = = = 108 V ; - Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp : I2 = .Id = .166 = 135,538 A ; - Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp : I1 = kBA.I2 = .I2 = .135,538 = 38,752 A ;  * Xác định kích thước của mạch từ . - Tiết điện sơ bộ trụ . QFe = kQ.; Trong đó : kQ : Hệ số phụ thuộc phương thức làm mát , lấy kQ = 6 . m : Số trụ của máy biến áp , m = 3 . f : Tần số của nguồn xoay chiều , f = 50 Hz . Thay vào ta có : QFe = 6 . = 89,799 cm2 . - Đường kính trụ : d = = = 10,69 cm . Chuẩn hóa đường kính trụ theo tiêu chuẩn : d = 11 cm . - Chọn loại thép kỹ thuật điện , các lá thép có độ dày 0,5 mm . Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ BT = 1 T . - Chọn tỷ số m = = 2,3 . Suy ra h = 2,3d = 2,3 . 11 = 25,3 cm . ( Thông thường m = 2 ÷ 2,5 ) . Chọn chiều cao trụ h = 25 cm . * Tính toán dây quấn . - Số vòng dây mổi pha sơ cấp máy biến áp : W1 = = 190,6 vòng . Lấy W1 = 191 vòng . - Số vòng dây mổi pha thứ cấp máy biến áp : W2 = .W1 = .190,6 = 55 vòng . Lấy W2 = 55 vòng . - chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp : Với dây dẫn bằng đồng , máy biến áp khô , chọn J1 = J2 = 2,75 A/mm2 . - Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp : S1 = = = 14,2mm2 . Chọn dây dẫn thiết diện hình chũ nhật , cách điện cấp B . Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn : S1 = 14,2 mm2 . Kích thước của dây có kể đến cách điện là : S1cd = a1 × b1 = 1,68 × 8,6 mm . - Tính lại mật độ dòng điện trong cuôn sơ cấp : J1 = = = 2,725 A/mm2 . - Thiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp : S2 = = = 49,249 mm2 . Chọn dây dẫn có tiết diện chữ nhật , có cách điện cấp B . Chuẩn hoá tiết diện theo chuẩn : S2 = 50,1 mm2  Kích thước của dây có kể đến cách điện là : S2cd = a2 × b2 = 5,1 × 10 mm . - Tính lai mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp : J2 = = = 2,705 A/mm2 . * Kết cấu dây quấn sơ cấp . Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục . - Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp : W11 = = 24 vòng .Trong đó : kc : Là hệ số ép chặt , lấy kc = 0,95 . h : Chiều cao trụ h = 25 cm . hg : Khoảng cách từ gông đế cuộn dây sơ cấp . Chọn sơ bộ khoảng cách cách điện gông hg = 1,5 cm . - Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp : n11 = = 7,958 lớp . Chọn số lớp n11 = 8 lớp . Như vậy có 191 vòng chia thành 8 lớp , vậy 7 lớp đầu có 24 vòng và lớp thứ 8 có  191 – 7 . 24 = 23 vòng . - Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp : h1 = = 21,726 cm . - Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày : S01 = 0,1 cm . - Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp : a01 = 1 cm . - Đường kính trong của ống cách điện : Dt = dFe + 2a01 – 2S01 = 11 + 2 . 1 – 2 . 0,1 = 12,8 cm . - Đường kính trong của của cuộn sơ cấp : Dt1 = Dt + 2S01 = 12,8 + 2 . 0,1 = 13 cm . - Chọn bề dày cách điện giữa các lớp ở cuộn sơ cấp : cd11 = 0,1 mm . - Bề dày cuộn sơ cấp : Bd1 = ( a1 + cd11 ).n11 = ( 1,68 + 0,1 ).8 = 14,24 mm = 1,424 cm . - Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp : Dn1 = Dt1 + 2Bc1 = 13 + 2 . 1,424 = 15,848 cm . - Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp : Dtb1 = = 14,424 cm. - Chiều dài dây quấn sơ cấp : l1 = W1.π.Dtb = π . 191 . 14,424 = 8650,649 cm = 86,5 m . - Chọn bề dày cách điện giữa hai cuộn sơ cấp và thứ cấp : cd0 = 1 cm . * Kết cấu dây quấn thứ cấp . - Chọn sơ bộ cuộn chiềi cao cuộn thứ cấp : h2 = h1 = 21,726 (cm) . - Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp : W12 = = = 20 vòng . - Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp: nl2 = = 2,7 lớp . chọn n12 = 3 lớp . chọn 2 lớp trong cùng 20 vòng lớp thứ 3 có 15 vòng . - Chiều cao thực tế của cuộn thứ nhất : h2 = = 21,05 cm . - Đường kính trong của cuộn thứ cấp : Dt2 = Dn1 + 2a12 = 15,848 + 2 . 1 = 17,848 cm . - Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp : cd22 = 0,1 mm . - Bề dày cuộn thứ cấp : Bd2 = ( b2 + cd22 ). nl2 = ( 1 + 0,01 ) . 3 = 3,03 cm . - Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp : Dn2 = Dt2 + 2.Bd2 = 17,848 + 2 . 3,03 = 23,908 cm . - Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp : Dtb2 = = 20,878 cm . - Chiều dài dây quấn thứ cấp: l2 = π.W2.Dtb2 = π . 54 . 20,878 = 3540 cm = 35,4 m . - Đường kính trung bình của các cuộn dây : D = = 18,454 cm . Suy ra : r = = 9,227 cm . * Các thông số của máy biến áp : - Điện trở trong của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75oC : R1 = ρ. = 0,02133. = 0,13 Ω . Trong đó : ρ = 0,02133 Ω.mm2/m. - Điên trở trong của cuộn thứ cấp máy biến áp ở 75oC : R2 = ρ. = 0,02133. = 0,015 Ω . - Điện trở máy biến áp quy đổi về thứ cấp : RBA = R2 + R1.()2 = 0,015 + 0,13.()2 = 0,026 Ω . - Sụt áp trên điện trở máy biến áp : Δur = RBA.Id = 0,026 . 166 = 4,316 V . - Điện kháng máy biến áp quy đổi về thứ cấp : XBA = 8.π2.(W2)2.()(a12 + ).ω.10-7. XBA = 8 . 3,142 . 552. () . (0,01 + ) . 314 . 10-7 XBA = 0,08 Ω . - Điện cảm máy biến áp quy đổi về thứ cấp : LBA = = = 0,255.10-3 H = 0,255 mH. - Sụt áp trên điện kháng máy biến áp : Δux = .XBA.Id = .0,08.166 = 12,688 V . - Điện áp ngắn mạch tác dụng : Unr = = 3,29 % . - Điện áp ngắn mạch phản kháng: Unx = = 10 % . - Điện áp ngắn mạch phần trăm : Un = = 10,5 % . Công suất máy biến áp biểu kiến SBA = 33,6 kVA Điện áp pha sơ cấp U1 = 380 V Điện áp pha thứ cấp U2 = 108 V Dòng điện hiệu dụng sơ cấp I1 = 38,16 A Dòng điện hiệu dụng thứ cấp I2 = 135,538 A Số vòng dây mổi pha sơ cấp W1 = 191 vòng Số vòng dây mổi pha thứ cấp W2 = 55 vòng Điện trở quy đổi về thứ cấp RBA = 0,026 Ω Điện kháng quy đổi về thứ cấp XBA = 0,08 Ω Điện cảm quy đổi về thứ cấp LBA = 0,255 mH Điện áp ngắn mạch phần trăm Un = 10,5 % Bảng thông các thông số của máy biến áp động lực .  3.2. Giới thiệu mạch điều khiển . 3.2.1. Sơ đồ nguyên lý : ĐIỆN ÁP TỰA KĐ XUNG ĐP SS Uc T Hình 3-2 : Sơ đồ khối điều khiển thyristor . 3.2.2. 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 .3.2.2.1.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 anôt – catôt của thyristor , thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh . - Điện áp điều khiển ( Ucm ) , là điện áp một chiều , có thể điều chỉnh được biên độ . Thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh . Us -Usm Ucm ωt Ucm α π 2π α Us Hình 3-3 : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính : Do vậy hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là : Ud = Ucm – 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 thông qua đa hài một trạng thái bền ổn định tạo ra xung điều khiển . Như vậy bằng cách làm biến đổi Ucm , ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra , tức là điều chỉnh góc α . Giữa α và Ucm có quan hệ sau : α = ; Người ta lấy Ucmmax = Usmax ; 3.2.2.2. 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 góc Us = Um Cosωt . - Điện áp điều khiển Ucm là điện áp một chiều , có thể điều chỉnh được biên độ theo hai chiều dương và âm . Ucm ωt π UAK 0 Us α UAK Us 2π Um -Um Hình 3-4 : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcoss Nếu đặt Us vào cổng đảo và Ucm vào cổng không 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 đó α = arcos( ) ; (3-2) Khi Ucm = Um thì α = 0 ; Khi Ucm = 0 thì α = ; Khi Ucm = - Um thì α = π ; Như vậy , khi điều chỉnh Ucm từ trị Ucm = +Um , đến trị Ucm = -Um ta có thể điều chỉnh được góc α từ 0 đến α . Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arcos” được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao . 3.2.3. Các khâu cơ bản của mạch điều khiển : 3.2.3.1. Khâu đồng pha : Sơ đồ ở hình 3–5a là sơ đồ đơn giản , dể thực hiện với số linh kiện ít nhưng chất lượng điện áp tựa không tốt . Độ dài của phần biến thiên tuyến tính của điện áp tựa không phủ hết 1800 . Do đó , góc mở van lớn nhất bị giới hạn . Hay nói cách khác , nếu theo sơ đồ này điện áp tải không điều khiển được từ 0 tới cực đại mà từ một trị số khác đến trị số cực đại . Để khắc phục nhược điểm trên về dãi điều chỉnh của sơ đồ ở hình 3–5a người ta sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng sơ đồ trên hình 3-5b . Theo sơ đồ này , điện áp tựa có phần biến thiên tuyến tính phủ hết nửa chu kỳ điện áp . Do vậy khi cần điều khiển điện áp từ không tới cực đại là hoàn toàn có thể đáp ứng được . Với sự ra đời của các linh kiện ghép quang , ta có thể sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng bộ ghép quang như hình 3-5c . Nguyên lý và chất lượng của hai sơ đồ trên hình 3-5b và 3-5c tương đối giống nhau . Ưu điểm của sơ đồ trên hình 3-5c ở chổ không cần biến áp đồng pha , do đó có thể đơn giản hơn trong việc chế tạo và lắp đặt . Các sơ đồ trên đều có chung nhược điểm là việc mở , khoá các tranzitor trong vùng điện áp lân cận 0 là thiếu chính xác , làm cho việc nạp , xã tụ trong vùng điện áp lưới gần 0 không được như ý muốn . Ngày nay các vi mạch được chế tạo ngày càng nhiều , chất lượng ngày càng cao , kích thước ngày càng gọn , ứng dụng các vi mạch vào thiết kế mạch đồng pha có thể cho ta chất lượng điện áp tựa tốt . Trên sơ đồ 3-5d mô tả việc taọ điện áp tựa dùng khếch đại thuật toán . Dưới đây ta gới thiệu một số khâu đồng pha cơ bản và ta chọn hình d; u1 u1 ura u2 D1 D2 R1 R2 C -E A B C Hình -a R2 R1 D1 A C ura Tr Hình-b +E Ghép quang uv R1 D R2 ura C -E Ura u1 D1 A2 R1 A B R2 Tr C C Hình-d A1 -12 +12 +12 -12 _ + + _ Hình 3-5 : Một số khâu đồng pha điển hình . UA ωt ωt UC1 π 2π 3π 4π UA UB Uđk1 Urc α1 ωt UC2 Uđk2 Urc α2 α2 α1 ωt π 3π 2π Hình 3-6 : Giản đồ của khâu đồng pha là . 3.2.3.2. Khâu so sánh : Để xác định được thời điểm cần mở thyristor , cần so sánh hai tín hiệu Udk và Urc, việc so sánh hai tín hiệu đó có thể được thực hiện bằng tranzitor (Tr) như trên hình 3-6a . Tại thời điểm Udk = Urc đầu vào Tr lật trạng thái khoá sang mở ( hay ngược lại từ mở sang khoá ) , làm cho điện áp ra cũng bị lật trạng thái , tại đó ta đánh dấu được thời điểm cần mở thyristor . Với mức độ mở bảo hoà của Tr phụ thuộc vào hiệu Udk ± Urc = Ub , hiệu này có một vùng điện áp nhỏ hàng vài mV , làm cho Tr không làm việc ở chế độ đóng cắt như mong muốn , do đó nhiều khi làm thời điểm mở thyristor bị lệch khá xa so với điểm cần mở tại Udk = Urc . Khếch đại thuật toán có hệ số khếch đại vô cùng lớn , chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ (cỡ µV) ở đầu vào , đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi , nên việc ứng dụng khếch đại thuộc toán làm khâu so sánh là hợp lý . Các sơ đồ so sánh dùng khếch đại thuật toán như hình 3-6b, c rất thường gặp trong các sơ đồ hiện nay . Ưu điểm hơn hẳn của các sơ đồ này là có thể phát xung điều khiển chính xác tại Udk = Urc Một số sơ đồ khâu so sánh thường gặp như sau ta chọn hình 3-6b . R1 R2 urc udk Ura A3 Hình - b + _ -12 +12 Hình - a -E R3 R1 R2 urc udk Ura R1 R2 urc udk Hình - c Ura A3 Hình 3-7 : Các khâu so sánh thường gặp . U -Vsat +Vsat 0 Udk Urc θ θ a ) Bằng tranzitor ; b ) Bằng một cổng đảo của khếch đại thuật toán ; c ) Hai cổng khếch đại thuật toán ; . Hình 3-8 : Sơ đồ so sánh hai tín hiệu khác dấu . 3.2.3.3. Khâu khếch đại :Với nhiện vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor tầng khếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng tranzitor công suất , như hình 3-8a . Để có xung dạng kim gửi tới thyristor ta dùng biến áp xung , để có khếch đại công suất ta dùng Tr , điot D bảo vệ Tr và cuộn dây sơ cấp biến áp xung khi Tr khoá đột ngột . Mặt dù với ưu điểm đơn giản , nhưng sơ đồ này không được dùng rộng rãi , bởi lẽ hệ số khếch đại của Tranzitor loai này nhiều khi không đủ lớn , để khếch đại được tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang . .+E uv R D Tr BAX a) +E uv R D Tr BAX b) Tr1 +E uv R D Tr BAX Tr1 D C c) Hình 3-9 : Sơ đồ các khâu khếch đại và phân phối xung : Bằng tranzitor công suất , b) Bằng sơ đồ Darlington , c) Sơ đồ có tụ nối tầng ; Tầng khếch đại cuối cùng bằng sơ đồ Darlington như hình 3-8b , Thường hay được dùng trong thực tế . Sơ đồ này hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu về khếch đại công suất , khi hệ số khếch đại được nhân lên theo thông số của các Tranzitor . Trong thực tế xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé ( cỡ khoảng 10 đến 200 µs ), mà thời gian mở thông các Tranzitor công suất dài tối đa một nửa chu kỳ cỡ 0,01s , làm cho công suất toả nhiệt dư của Tr quá lớn và kích thước dây quấn sơ cấp biến áp dư lớn . Để giảm nhỏ công suất toả nhiệt Tr và kích thước dây quấn sơ cấp máy biến áp xung , ta có thể thêm tụ nối tầng như hình 8-3c . Theo sơ đồ này , Tr chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ , nên dòng điện hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần . AND Từ so sánh Từ chùm xung Tới khếch đại 3.2.3.4. Khâu tạo xung chùm : Đối với sơ một đồ mạch , để giảm dòng công suất cho tầng khếch đại và tăng số lượng cho xung kích mở , nhằm đảm bảo cho thyristor mở một cách chắc chắn , người ta hay phát xung chùm cho các thyristor . Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khếch đại , ta đưa chèn thêm một cổng AND ( & ) với tín hiệu vào nhận từ tầng so sánh và từ bộ phát xung chùm như hình 3-10 . t Ura 0 kVsat -kVsat Vsat -Vsat uc T1 T2 0’ Hình 3-10 : Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm . Vi mạch 555 tạo xung đồng hồ ( hình 3-11a ) cho ta chất lượng xung khá tốt và sơ đồ cũng đơn giản . Sơ đồ này thường hay gặp trong các mạch tạo xung . Trong thiết kế mạch điều khiển , thường hay sử dụng khếch đại thuật toán . Do đó để đồng dạng về linh kiện , khâu tạo xung chùm cũng có thể sử dụng khếch đại thuật toán như các sơ đồ trên hình 3-11b,c . Tuy nhiên ở đây sơ đồ dao động đa hài (hình 3-11b) có ưu điểm hơn về mức độ đơn giản do đó được sử dụng khá rộng rãi trong các mạch tạo xung chữ nhật , ta chọn hình 3-11b Hình 3-11 : Đồ thị dạng sóng của khâu tạo xung chùm . Uc R2 R1 _ + +12 -12 A R2 R3 R1 R3 A1 A2 R4 C a ) a ) b ) c ) C +U +Urc C2 C1 R2 R1 555 7 2 1 3 8 4 Hình 3-12 : a ) :Sơ đồ tạo xung chùm dùng vi mạch 555 . b ) Sơ đồ tạo xung chùm đa hài bằng khếch đại thuật toán . c ) Sơ đồ tạo xung chùm tạo bằng mạch khếch đại thuật toán .3.2.4. Sơ đồ mạch điều khiển và nguyên lý hoạt động . Từ các khâu đã giớ thiệu ở trên ta chọn được sơ đồ điều khiển một kênh như hình 3-13 . Hoạt động của mạch điều khiển ở hình 3-13 được giải thích như sau : Điện áp vào tại điểm A (UA) có dạng hình sin , trùng pha với anôt của thyristor , qua khếch đại thuật toán A1 cho ta chuổi xung chữ nhật đối xứng UB . Phần điện áp dương của điện áp chữ nhật UB qua điôt D1 tới A2 tích phân thành điện áp tựa Urc . Phần áp âm của điện áp UB làm mở thông Tranzitor Tr1 , kết quả là A2 bị ngắn mạch ( Với Urc = 0 ) trong vùng UB âm . Trên đầu ra của A2 ta có chuổi điện áp răng cưa Urc gián đoạn . Điện áp Urc được so sánh với điện áp điều khiển Udk tại đầu vào của A3 . Tổng đại số Urc + Udk quyết định dấu điện áp đầu ra của khếch đại thuật toán A3 . Trong khoảng thời gian từ 0 → t1 với Udk > Urc , điện áp UD âm . Trong khoảng t1 → t2 , điện áp Udk và Urc đổi ngược lại , làm cho UD lật lên dương . Các khoảng thời gian tiếp theo giải thích điện áp UD tương tự . Mạch đa hài tạo xung chùm A4 cho ta chuổi xung tần số cao , với điện áp UE trên hình 3-13 . Dao động đa hài có tần số hàng chục kHz , ở đây chỉ mô tả điịnh tính . Hai tín hiệu UD và UE cùng được đưa tới khâu “AND ” hai cổng vào . Khi đồng thời có cả hai tín hiệu dương UD , UE ( Trong các khoảng t1 → t2 , t4 → t5 ) ta sẽ có xung UF làm mở thông các Tranzitor, kết quả là ta nhận được chuổi xung nhọn Xdk trên biến áp xung , để đưa tới mở thyristor T . Điện áp Ud sẽ suất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên , tai các thời điểm t2 , t4 trong chuổi xung điều khiển , của mổi chu kỳ điện áp nguồn cấp , cho tới cuối bán kỳ điện áp dương anôt .  Hiện nay đã có nhiều hãng chế tạo các vi xử lý chuyên dụng để điều khiển các thyristor rất tiện lợi . Tuy nhiên những linh kiện loại này chưa được phổ biến trên thị trường . R8 A D1 A1 A2 A3 AND C3 R9 R7 R6 A C2 R2 R5 R3 D2 D3 D4 R1 B C D Tr1 Tr2 T1 BAX +E C2 Udk urc R4 + _ + _ + + _ _ Hình 3-13 : Sơ đồ nguyên lý một kênh điều khiển Tr3 MBA E F D5 R0 UA ωt ωt ωt ωt ωt ωt t2 t1 t3 t4 t5 t6 UE UF VT Urc1 VT Udk1 UB UA ωt π 2π 4π UA UC1 α1 α1 ωt Urc2 Udk2 UC2 α2 α2 Xđk ωt UD Hình 3-14 : Giản đồ các đường cong mạch điều khiển . 3.3.Tính toán các thông số mạch điều khiển : Sơ đồ một kênh điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha được thiết kế theo sơ đồ hình 3-13 . Tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khếch đại ngược trở lên . Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở thyristor .  Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển : Điện áp điều khiển thyristor : Udk = 3,0 V ; Dòng điện điều khiển thyristor : Idk = 200 mA : Thời gian mở thyristor : tm = 50 µs ; Độ rộng xung điều khiển : tx = 167 µs ; (tương đương với 30 điện ) ; Tần số xung điều khiển : fx = 3 kHz ; Độ mất đối xứng cho phép : ∆α = 40 ; Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển : U = ± 12 V ; Mức sụt biên độ xung : Sx = 0,15 :3.3.1. Tính biến áp xung : - Chọn vật liệu làm lõi sắt ferit HM . Lõi có dạng hình xuyến làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có : ∆B = 0,3 T ; ∆H = 30 A/m , không có khe hở không khí . - Tỷ số biến áp xung : thường m = 2 ÷ 3 ta chọn m = 3 ;  - Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung U2 = Udk = 3 V ; - Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung : U1 = m . U2 = 3 . 3 = 9 V ; - Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung : I2 = Idk = 200 mA ; - Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung : I1 = = 66,6 mA = 0,066 A ; - Độ từ thẩm trung bình của lõi sắt : µtb = 8.103 ;Trong đó : µ0 = 1,25.10-6 H/m là độ từ thẩm của không khí . - Thể tích của lõi thép cần có : V = Q.l = Thay số ta có : V = = 1,665.10-6 m3 = 1,665 cm3 ;3.3.2. Tính tầng khếch đại cuối cùng : Chọn Tranzitor công suất Tr3 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung , có các thông số sau : Tranzitor loại N-P-N , vật liệu bán dẫn là silic . Điện áp giữa colectơ và bazơ khi hở mạch emitơ là : UCBO = 40 V ; Điện áp giữa emitơ và bazơ khi hở mạch colectơ là : UEBO = 4 V; Dòng điện lớn nhất ở colectơ có thể chịu đựng : ICmax = 500 mA ; Công suất tiêu tán ở colectơ : PC = 1,7 W ;  Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : T1 = 1750C ; Dòng làm việc của colectơ : IC3 = I1 = 66,6 mA ; Dòng làm việc của bazơ : IB3 = mA ; Ta thấy rằng với loại thyristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé : Udk = 3V,Idk = 200 mA = 0,2 A , nên dòng colectơ – bazơ của tranzitor Tr3 khá bé , trong trường hợp này ta có thể không cần tranzitor Tr2 mà vẫn có cùng công suất điều khiển tranzitor . Chọn nguồn cấp cho máy biến áp xung : E = +12 V . Với nguồn E = 12 V ta phải mắc thêm điện trở R10 nối tiếp với cực emitơ của Tr3 . R10 = = 45Ω ; Tất cả các điôt trong mạch điều khiển dùng loại 1N4009 , có các tham số : - Dòng điện định mức : Idm = 10 mA ; - Điện áp ngược lớn nhất : UN = 25 V ; - Điện áp để cho điốt mở thông : Um = 1 V ;3.3.3. Chọn cổng AND : Toàn bộ mạch điều khiển phải dùng 12 cổng AND nên ta chọn hai IC 4081 họ CMOS . Mổi IC 4081 có 4 cổng AND . Các thông số của cổng AND là : - Nguồn nuôi IC : Vcc = 3 ÷ 9 V , ta chọn Vcc = 12 V ;+Vcc 14 13 12 11 10 9 8 7 5 4 3 2 1 6 AND AND AND AND - Nhiệt độ làm việc : tlv = - 400C ÷ 800C ; - Điện áp ứng với mức logic “1” : 2 ÷ 4,5 V ; - Dòng điện : I < 1 mA ; - Công suất tiêu thụ : P = 2,5 nW/1 cổng ; Hình 3-15 : Sơ đồ chân của IC 4081 .3.3.4. Chọn tụ C3 và R9 : Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào bazơ của tranzitor Tr3 . Chon R9 thoả mãn điều kiện : R9 ≥ = 6,757 kΩ ; Ta chọn R9 = 6,8 kΩ ; Chọn C3.R9 = tx = 167 µs , suy ra C3 = ; C = = 0,024 µF , chọn C3 = 0,022 µF .3.3.5. Tính chọn bộ tạo xung chùm : Mổi kênh điều khiển phải dùng bốn khếch đại thuật toán , do đó ta chọn IC loại TL 084 do hãng Texas Intruments chế tạo các IC này có khếch đại toán . Các thông số của TL 084 : - Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ± 12 V ; - Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : U = ± 30 V ; - Nhiệt độ làm việc : t = - 25 ÷ 850C ; - Công suất tiêu thụ : P = 680 mW = 0,68 W ; - Tổng trở đầu vào : Rin = 106 MΩ ; - Dòng điện đầu ra : Ira = 30 pA ; - Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: = 13 V/µs ;   14 Ucc 13 12 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 11 _ _ _ _ + + + + Hình 3-16 :Sơ đồ chân IC TL084 . Mạch tạo xung chùm có tần số f = = 3 kHz , hay chu kỳ của xung chùm : T = = 334 µs ; Ta có : T = 2R8.C2.Ln( 1 + 2.) ; Chọn R6 = R7 = 33 kΩ , thì T = R8.C2 = 334 µs ; Vậy ta có : R8.C2 = 151,8 µs ; Chọn tụ C2 = 0,1 µF , có điện áp U = 16 V suy ra R8 = 1,518 Ω ; Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch , ta chọn R8 là biến trở 2Ω .3.3.6. Tính chọn khâu so sánh : Khếch đại thuật toán đã chọn loại TL 084 . Chọn R4 = R5 > = 6 kΩ ; Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc = ± 12 V thì điện áp vào A3 là UV ≈ 12 V . Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1 mA . Do đó ta chọn R4 = R5 = 15 kΩ , khi đó dòng điện vào A3 là : Ivmax = = 0,8 mA ;3.3.7. Tính chọn khâu đồng pha : Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C1 . Mặt khác để bảo đảm điện áp tựa có trong nữa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được . Tr = R3.C1 = 0,005 s . Chọn tụ C1 = 0,1 µF , thì điện trở R3 = = 50.103 Ω ; Vậy R3 = 50 kΩ ; Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch , R3 thường chọn là biến trở lớn hơn 50 kΩ . Chọn tranzitor Tr1 loại A564 có các thông số sau : - Tranzitor loại P-N-P , làm bằng silic . - Điện áp giữa colectơ và bazơ khi hở mạch emitơ là : UCBO = 25 V ; - Điện áp giữa emitơ và bazơ khi hở mạch colectơ là : UEBO = 7 V; - Dòng điện lớn nhất ở colectơ có thể chịu đựng : ICmax = 100 mA ; - Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : Tcp = 1500C ; - Hệ số khếch đại : β = 250 ; - Dòng điện làm việc cực đại của bazơ : IB3 = = 0,4 mA ; Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào bazơ của tranzitor Tr1 , và được chọn như sau : Chọn R2 sao cho R2 ≥ = 30 kΩ ; Chọn R2 = 30 kΩ ; Chọn điện áp xoay chiều đồng pha : UA = 9 V ; Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khếch đại thuật toán A1 , thường chọn R1 sao cho dòng vào khếch đại thuật toán IV < 1 mA .  Do đó : R1 ≥ = 9 kΩ ; Chọn R1 = 10 kΩ ;3.3.8. Tính nguồn nuôi . Ta cần tạo ra nguồn điện áp U ± 12 V để cấp cho máy biến áp xung nuôi IC , các bộ điều chỉnh dòng điện , tốc độ và điện áp đặt tốc độ . Ta chọn mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển dùng 12 con điôt để tạo ra điện áp – 12 V , và + 12 V như hình 3-17 . Điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi là : U2 = = 5,1 V , ta chọn U2 = 9 V ; Việc xây dựng nguồn ổn áp một chiều bằng thyristor có nhược điểm là chọn và tính toán phức tạp đòi hỏi phải có kỹ thuật chuyên môn cao . Sự ra đời của các vi mạch ổn áp họ 7812 và 7912 cho phép đơn giản hoá quá trình này , vì vậy nó được sử dụng rộng rãi trong thực tế . Vi mạch IC 7812 thường có ba chân , chân đầu vào , chân đầu ra và chân nối đất. Do có nhiều hãng sản xuất ra loại IC này do đó hình dáng bên ngoài và thứ tự của các chân có khác nhau .  470 µF A B C 220 V a b c *a *b *c * * * C5 C4 470 µF C7 470 µF C6 470 µF 7812 7912 0 +12 V -12 V  Hình 3-17 : Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn nuôi ± 12 V . Vì vậy để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi , ta dùng hai vi mạch ổn áp là 7812 và 7912 , các thông số chung của vi mạch này như sau : Điện áp đầu vào : UV = 7 ÷ 35 V ; Điện áp ra : Với IC 7812 thì Ura = + 12 V ; Với IC 7912 thì Ura = - 12 V ; Dòng điện đầu ra : Ira = 0 ÷ 1 A ; Tụ điện C4 , C5 , C6 , C7 dùng để lọc thành phần sóng hài bật cao . Chọn C4 = C5 = C6 = C7 = 470 µF ; U = 35 V .3.3.9. Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha . - Ta thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi . Chọn kiểu máy biến áp ba pha ba trụ , trên mổi trụ có ba cuộn dây , một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp . - Điện áp lấy ra ở thứ cấp máy biến áp làm điện áp đồng pha , và làm điện áp của nguồn nuôi . U2 = U2đph = UN = 9 V ; - Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha . I2đph = 1 mA ; - Công suất nguồn nuôi cấp cho máy biến áp xung . Pđph = 6.U2đph.I2đph = 6.9.1.10-3 = 0,054 W ; - Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL 084 sử dụng làm khếch đại thuật toán , ta chọn hai IC TL 084 để tạo 6 cổng AND . P8IC = 8.PIC = 8.0,65 = 5,12 W ; - Công suất máy biến áp xung cấp cho cực điều khiển thyristor . Px = 6.Udk.Idk = 6.3.0,2 = 3.6 W ; - Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi . PN = Pđph + P8IC + Px  PN = 0,054 + 5,12 + 3,6 = 8,774 W ; - Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy . S = 1,05(Pđph + PN) = 1,05(0,054 + 8,774) = 9,269 VA ; - Dòng điện thứ cấp máy biến áp . I2 = = 0,172 A ; - Dòng điện sơ cấp máy biến áp . I1 = = 0,014 A ;3.3.10. Tính chọn điôt cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi . - Dòng điện hiệu dụng qua điôt . IDhd = = 0,122 A ; - Điện áp ngược lớn nhất mà điốt phải chịu . UNmax = = 22 V ; - Chọn điôt có dòng định mức . Idm ≥ KI.IDdm = 10.0,1 = 1 A ; - Chọn điôt có điện áp ngược lớn nhất . Un = Ku.UNmax = 2.22 = 44 V ;Vậy chọn điôt loại KIT 208A có các thông số sau : + Dòng điện định mức : Idm = 1,5 A ; + Điện áp ngược cực đại của điôt : UN = 100 V ;3.4. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực .3.4.1. Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ . Sơ đồ mạch động lực có thiết bị bảo vệ xem ở hình 3-18 . T1 T4 T3 T6 T5 T2 F G T4’ T1’ T6’ T3’ T2’ T5’ + - Ckt Ikt ← M L Lc u2c C B A u2b u2a 1cc 1cc 1cc Lc Lc Lc R R R R R R R R R R R R C C C C C C C C C C C C 2cc 2cc 2cc 2cc 2cc 2cc 2cc 2cc 2cc 2cc 2cc 2cc 3cc Ap BAL Hình 3-18 : Mạch động lực có thiết bị bảo vệ . 3.4.2. Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn . Khi làm việc với dòng điện chạy qua , trên van có sự sụt áp , do đó có tổn hao công suất ∆P , tổn hao nãy sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn . Mặt khác van bán dẫn chỉ được phép 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 , ta phải chọn và thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý . Tính toán cánh tản nhiệt : - Tổn thất công suất trên một thyristor . ∆P = ∆U.Ilv = 2.95,84 = 191,68 W ; - Diện tích bề mặt toả nhiệt . Sm = ;Trong đó : ∆P : Tổn hao công suất ( W ) ; τ : Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường . Km : Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ . Chọn Km = 8 W/m2.0C . Tlv , Tmt : Nhiệt độ làm việc và nhiệt độ của môi trường (0C) . Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 400C . Nhiệt độ làm việc cho phép của thyristor Tcp = 1250C . Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv = 800C . τ = Tlv - Tmt = 80 - 40 = 400C ; Vậy : Sm = = 0,559 m2 ; Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh , kích thước mổi cánh là  a × b = 16 × 16 (cm × cm ) . Tổng diện tích của cánh tản nhiệt . S = 12 . 2 . 16 . 16 = 0,6144 m2 ;3.4.3. Bảo vệ quá dòng cho van . Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực , tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch thyistor , ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi , ngắn mạch thứ cấp máy biến áp , ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu . - Chọn aptomat có : Idm = k.I = 1,1..I1 = 1,1 . . 38,752 = 73,832 A ; Với I1 : là dòng điện sơ cấp máy biến áp . k : Hệ số an toàn . Udm = 220 V ;Aptomat có ba tiếp điểm chính , có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện . Chỉnh định dòng ngắn mạch . Inm = 2,5.I = 2,5. .38,752 = 167,8 A ; Dòng quá tải . Iqt = 1,5 .I = 1,5 . . 38,752 = 100,68 A ; - Chọn cầu dao có dòng định mức . ICD = IdmAP = 73,832 A ; Cầu dao dùng để tạo khoảng cách an toàn khi sửa chữa hệ truyền động . - Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các thyristor , ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu .:Nhóm 1CC : Dòng điện định mức dây chảy nhóm 1CC là : I1CC = 1,1.I2 = 1,1 . 135,538 = 149,09 A ; Nhóm 2CC : Dòng điện định mức dây chảy nhóm 2CC là : I2CC = 1,1.IhdV = 1,1 . 95,84 = 105,424 A ; Nhóm 3CC : Dòng điện định mức dây chảy nhóm 3CC là : I3CC = 1,1.Idm = 1,1 . 166 = 182,6 A ; Vậy chọn cầu chảy nhóm : 1CC loại 150 A ; 2CC loại 120 A ; 3CC loại 200 A ;3.4.4. Bảo vệ quá điện áp cho van . Linh kiện bán dẫn nói chung và linh kiện bán dẫn công suất nói riêng , rất nhạy cảm vói sự thay đổi của điện áp . Những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới van bán dẫn mà ta cần có phương thức bảo vệ là : - Điện áp đặt vào van lớn quá thông số của van . - Xung điện áp do chuyển mạch van . - Xung điện áp từ phía lưới điện xoay chiều , nguyên nhân thường gặp là do cắt tải có điện cảm lớn trên đường dây . - Xung điện áp do cắt đột ngột máy biến áp non tải . Để bảo vệ cho van làm việc dài hạn không bị quá điện áp , thì ta phải chọn đúng các van bán dẫn theo điện áp ngược . - Để bảo vệ quá điện áp của xung điện áp do quá trình đóng cắt các van thyristor được thực hiện bằng cách mắc R – C song song với thyristor . Khi có sự cố chuyển mạch , các điên 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 điên ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm , làm cho quá điện áp giũa anôt và catôt của thyristor . Khi có mạch R – C mắc song song với thyristor , tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên thyristor không bị quá điện áp . Theo kinh nghiệm R1 = ( 5 ÷ 30 ) Ω ; C1 = ( 0,25 ÷ 4 ) µF ; Ta chọn : R1 = 5,1 Ω ; C1 = 0,25 µF ;  R1 C1  Hình 3-19 : Mạch R – C bảo vệ quá điện áp khi van chuyển mạch . - Để bảo vệ cho xung điện áp lưới từ điện áp lưới , ta mắc song song với tải ở đầu vào một mạch R – C nhằm lọc xung . Khi xuất hiện xung điện áp trên đường dây , nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn tàon trên điện trở đường dây . Trị số R , C phụ thuộc nhiều vào tải . Theo kinh nghiệm R2 = ( 5 ÷ 30 ) Ω ; C2 = 4 µF ; Ta chọn : R1 = 12,5 Ω ; C1 = 4 µF ; R2 R2 C2 C2 C2 R2  Hình 3-20 : Mạch R – C bảo vệ xung điện áp từ lưới .3.5. Thiết kế cuộn kháng lọc :3.5 .1. Xác định góc mở cực tiểu và cực đại : Chọn góc mở cực tiểu αmin = 00 .  Khi góc mở nhỏ nhất α = αmin thì điện áp trên tải lớn nhất : Ud max = Ud0.Cosαmin = Ud.dm và lúc này tương ứng với tốc độ động cơ sẽ lớn nhất nmax = ndm . Khi góc mở lớn nhất α = αmax , thì điện áp trên tải là nhỏ nhất : Ud.min = Ud0.Cosαmax và lúc này tương ứng với tốc độ động cơ sẽ là nhỏ nhất n = nnin . Ta có : αmax = arcos() = arcos() = arcos() (3-3)Trong đó Ud.min được xác định như sau : D = =  Ud.min =  Ud.min =  Ud.min = Thay số vào ta có : Ud.min = Vậy : Ud.min = 41,65 V .Thay Ud.min vào công thức ( 3-3 ) ta có : αmax = arcos() = arcos() = 80,570 .Vậy : αmax = 80,570 . αmim = 00 .3.5.2. Xác định các thành phần sóng hài : Để thuận tiện cho việc khai triển chuổi Fourier , ta chuyển gốc toạ độ sang θ1 , khi đó điện áp tức thời trên tải khi thyristor T1 và T4 dẫn : Ud = Uab = .U2 cos( θ - + α ) ; Với θ = Ω.t ; Điện áp tức thời trên tải Ud không sin và tuần hoàn với chu kỳ : τ = ;Trong đó p = 6 là số xung đập mạch trong một chu kỳ điện áp lưới . Khi khai triển chuổi Fourier của điện áp Ud : Ud = ;Hay :  Ud = = = Trong đó : *an = ; an = ; *bn = ; bn = ; Ta có : ; Vậy ta có biên độ của điện áp : Uk.n = ; Uk,n = ; Uk.n = 2 ; Ud ≈ ;3.5.3.Xác định điện cảm cuộn kháng lọc : Từ phân tích trên ta thấy rằng , khi góc mở càng tăng thì biên độ thành phần sóng hài bật cao càng lớn , có nghĩa đập mạch của điện áp , dòng điện tăng lên .Sự đập mạch này làm xấu chế độ chuyển mạch của vành góp , đồng thời gây ra tổn hao phụ dưới dạng nhiệt trong động cơ . Để hạn chế sự đập mạch này , ta phải mắc nối tiếp với động cơ một cuộn kháng lọc đủ lớn để Im ≤ 0,1.Iưdm . Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bật cao , cuộn kháng lọc còn có tác dụng hạn chế vùng dòng điện gián đoạn . Điện kháng lọc còn được tính khi góc mở α = αmax . Ta có : Ud + u~ = E + Rư∑.Id + Rư∑.I~ + L Cân bằng hai vế : u~ = R.i~ + L vì R.i~ << L Nên : u~ = L  Trong các thành phần xoay chiều bật cao , thành phần sóng bật k = 1 có mức độ lớn nhất , gần đùng ta có : u~ = U1m sin ( 6θ + φ1 )Nên : i = = Im.cos ( 6θ + φ1 )Vậy : Im = ≤ 0,1.Iưdm Suy ra : L ≥  Trong đó : ρ = 6 là số xung đập mạch trong một chu kỳ điện áp . U1m = 2. U1m = 2. = 86,02 .Thay số trên ta tính L : L = = = 2,75.10-3 H = 2,75 mH . Điện cảm mạch phần ứng đã có : Lưc = Lư + 2LBA Trong đó : Lư là điện cảm mạch phần ứng của động cơ và được tính theo công thức Umanxki – Lindvil : Lư = γ. Trong đó γ = 0,25 là hệ số lấy cho động cơ có cuộn bù . Lư = γ = 0,25. = 1,055.10-3 H = 1,055 mH . Ta có điện cảm phần ứng đã có : Lưc = Lư + 2LBA = 1,055 + 2 . 0,255 = 1,565 mH . Điện cảm cuộn kháng lọc : Lk = L – Lưc = 2,75 – 1,565 = 1,185 mH .3.5.4. Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc . Các thông số ban đầu : Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc : Lk = 1,185 mH . Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng lọc : Im = 166 A . Biên độ dòng điện xoay chiều bật 1 : I1m = 10%.Idm = 16,6 A . - Do điện cảm cuộn kháng lớn và điện trở rất bé , ta có thể coi tổng trở cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng của cuộn kháng . Zt = Xk = 2π.f.Lk = 2π.6.50.1,185.10-3 = 2,23 Ω . - Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc . ΔU = Zk. = 2,23. = 26,176 V . - Công suất của cuộn kháng lọc . S = ΔU. = 26,176. = 307,25 VA . CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CHỈNH LƯU THYRISTOR - ĐỘNG CƠ CÓ ĐẢO CHIỀU QUAY TRÊN MATLAB - SIMULINK 4.1. CÁC KHỐI SẴN CÓ TRONG SIMULINK .4.1.1. Máy điện một chiều . Đối máy điện một chiều kích từ độc lập thì trong Matlab có hai khối là : Khối liên tục và khối rời rạc .. Hình 4-1 : Các khối của động cơ một chiều kích từ độc lập trong Simulink  Cả khối DC Machine và khối Discrete DC Machine ở trong thư viện Additional Machines đều tiến hành như một máy điện một chiều kích từ độc lập . Khối DC Machine thực hiện như một kiểu liên tục và khối Discrete Machine thực hiện như một kiểu rời rạc . Mô tả dưới đây áp dụng cho cả hai khối . Truy xuất vào hai cực phần cảm ( F+ , F- ) để kiểu máy được dùng như mắc nối tiếp và mắc song song . Mômen tác động trên trục được nhập ở Simulink input TL . Mạch phần ứng ( A+ , A- ) bao gồm điện cảm La và điện trở Ra mắc nối tiếp với sức điện động E . Sức điện động tỉ lệ với tốc độ của máy : E = KE .Với : KE là hằng số điện áp và là tốc độ của máy . Trong kiểu máy kích từ độc lập hằng số điện áp tỉ lệ với dòng điện kích từ If : KE = Laf . If ;Với : Laf là hổ cảm giữa phần cảm và phần ứng . Mômen điện cơ phát ra của máy điện một chiều tỉ lệ với dòng điện phần ứng . Te = KT . Ia ;Với : KT là hằng số mômen . Dấu của hệ quy ước đối với Te và TL là : Te . TL > 0 : Hoạt động ở chế độ động cơ . Te . TL < 0 : Hoạt động ở chế độ máy phát . Hằng số mômen bằng hằng số điện áp : KT = KE ; Mạch phần ứng được nối giữa hai cực A+ và A- của khối DC Machine . Mạch phần ứng được trình bày với nhánh nối tiếp Ra và La mắc nối tiếp với khối Controlled Voltage Soure và khối Current Measurement . Hình 4-2 : Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Mạch kích từ được mô tả bằng mạch Rf và được kết nối giữa hai cực F+ và F- của khối DC Machine . Phần cơ tính tốc độ của máy điện một chiều từ mômen thực tác động lên rôto . Tốc độ dùng để tạo ra sức điện động của mạch phần ứng . Phần cơ được mô tả bằng những khối Simulink thực hiện bằng công thức sau . J = Te – TL – Bm .ω – Tf ;Trong đó : J : là quán tính . Bm : là hệ số ma sát . Tf : là mômen ma sát culông . Hộp thoại và thông số ( Dialog Box and Parameter ) ở hình 4-3 : Mẩu có sẳn ( Preset Model ) : Cung cấp một bộ các thông số cơ điện tính sơ bộ như giá trị công suất định mức của các máy điện một chiều ( HP ) , điện áp một chiều ( V ) , tốc độ định mức ( rad/s ), điện áp kích từ ( V ) . Lựa chọn những mẫu để tải thường có các thông số điện cơ tương xứng trong hộp thoại đăng nhập . Lựa chọn “ NO ” nếu không dùng các mẫu đã có sẳn . Lựa chọn “ Show Detail Parameter ” để xem và sửa các thông số chi tiết kết hợp với các mẩu có sẳn . Nhập thông số cơ ( Machanical Input ) : Cho phép chọn cả mômen tác động lên trục và tốc độ rôto như dấu hiệu Simulink dùng cho mục nhập của khối .  Lựa chọn “ Torque Input ” để chỉ rỏ ra mục vào mômen với đơn vị N.m và chuyển ký hiệu mục nhập của khối thành Tm . Tốc độ của máy được tính toán bởi quán tính J và bởi sự khác biệt của mômen cơ tác dụng Tm và mômen điện từ Te qui ước mômen cơ như sau :  - Khi tốc độ dương và mômen dương thì đó là chế độ động cơ . - Khi tốc độ âm và mômen âm thì đó là chế độ máy phát . Lựa chọn tốc độ “ Speed W ” chỉ rõ đăng nhập tốc độ trong rad/s hoặc pu và chuyển nhãn của mục đăng nhâp của khối là W . Tốc độ của máy phải bắt buộc và các mẫu của phần cơ ( quán tính J ) thì bỏ qua . Việc dùng tốc độ như là đăng nhập phần cơ cho phép làm mẩu kết nối phần cơ giữa hai máy và giao tiếp với SimMachanics và SimDriveline .   Hình 4-3 : Hộp thoại và thông số của động cơ một chiều kích từ độc lập .  Hình minh hoạ kế tiếp chỉ ra cách tạo mẫu kết nối bênh trong trục cứng trong động cơ - máy phát . Đầu ra của máy 1 ( động cơ ) được kết nối tới đầu vào tốc độ của máy 2 ( máy phát ) trong khi đầu ra mômen điện từ của máy 2 Te áp dụng vào đầu vào mômen cơ Tm của máy 1 . Hệ số Kw bao gồm đơn vị tốc độ của cả hai máy ( pu hoặc N.m ) và tỉ số hộp số . Hệ số KT bao gồm đơn vị của cả hai máy ( pu và N.m ) và những giá trị định mức . Cũng như quán tính J2 , J2 được xem xét tới máy 1 phải thêm vào máy 1 quán tính J1 .  Xem các thông số chỉ rõ ( Show Detailed Parameter ) : Nếu lựa chọn mặt nạ hiển thị thông số chi tiết của khối DC Machine . Các thông số chi tiết có thể được điều chỉnh lại để không có trục trặc với những mẫu có sẳn đã lựa chọn trong danh sách “ Preste Model ” . - Điện trở Ra và tự cảm La trong mạch phần ứng ( Armature Resistance and Inductance ) . Điện trở Ra với đơn vị là Ohms ( Ω ) , tự cảm La với đơn vị là Henries ( H ) . - Điện trở Rf và tự cảm Lf trong mạch phần cảm ( Armature Resistance and Inductance ) . Điện trở Rf với đơn vị là Ohms ( Ω ) , tự cảm Lf với đơn vị là Henries ( H ) . - Hổ cảm Laf ( Field Armature and Inductance ) . Hổ cảm với đơn vị là Henris ( H ) . - Quán tính tổng ( Total Inertia ) . Quán tính tổng của máy điện một chiều có đơn vị là Kg.m2 . - Hệ số ma sát ( Viscous Friction Coeffcent Bm ) . Hệ số ma sát tổng của máy điện một chiều có đơn vị là N.m.s . - Thời gian mẫu ( Sample Time ) . Chỉ rõ thời gian mẫu cho khối Discrete DC Machine . Thông số này không có sẳn trong khối DC Machine .  Đầu vào và đầu ra ( Input and Output ) . Đầu ra trong Simulink của khối là một vector chứa bốn thành phần . Ta có thể đơn giản chúng bằng cách sử dụng khối Bus Selector cung cấp trong thư viện Simulink . Tín hiệu Định nghĩa Đơn vị 1 Tốc độ Wm Rad/s 2 Dòng phần ứng ia A 3 Dòng kích từ if A 4 Mômen điện từ Te N.m 4.1.2 Khối tạo xung điều khiển các thyristor .MÁY PHÁT SÁU XUNG ĐỒNG BỘ . Thực hành với máy phát xung đồng bộ kích các Thyristor của bộ chỉnh lưu sáu xung . Khối phát xung điều khiển để điều khiển các thyristor được lấy trong thư viện của Simulink là :  Extras Library / Control Blocks . Dạng rời rạc của khối này có sẳn trong thư viện Extras Library / Discrete Control Blocks .  Hình 4-4 : Các khối của khâu phát xung điêu khiển thyristor . Khối Synchronized 6 – Pulse Generator đươc dùng kích cho 6 con thyristor của bộ chỉnh lưu 6 xung . Đầu ra là một vector 6 xung được đồng bộ một cách riêng biệt trên 6 điện áp của thyristor . Các xung này được tạo ra góc độ sau khi qua điểm 0 của điện áp ngược . Hình dưới minh hoạ sự đồng bộ hoá của 6 xung đối với một góc α = 00 . Những xung này được tạo ra chính xác tại điểm 0 của ba điện áp đồng bộ từng pha ... Hình 4-5 : Sơ đồ phát xung điều khiển của các thyristor . Khối Synchronized 6 – Pulse Generator có thể cấu hình để làm việc ở kiểu xung đôi . Trong kiểu này , hai xung được gởi tới m