Đề án Sử dụng vi xử lý điều khiển động cơ điện một chiều có đảo chiều thông qua mạch chỉnh lưu cầu 3 pha

Mục lục Nhận xét của giáo viên hướng dẫn 1 Nhận xét của giáo viên phản biện 3 Mục lục 5 Lời nói đầu 7 Chương 1: 8 Giới thiệu về thyristor và Động cơ Điện một chiều 8 1.1.Giới thiệu về thyristor 8 1.1.1. Cấu tạo: 8 1.1.2. Ký hiệu: 8 1.1.3. Nguyên lý làm việc 8 1.1.4. Công dụng: 8 1.2. Tổng quan về phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng phương pháp thay đổi dòng điện phằn ứng. 9 I.2.1. Khái quát về động cơ điện một chiều 9 I.2.2. Tổng quan phương pháp điều chỉnh tốc độ khi điều chỉnh điện áp phần ứng. 1.2.3. Thiết kế mạch độnh lực truyền động cho động cơ điện một chiều. 27 chương II: 30 thiết kế phần cứng điều khiển động cơ một chiều 30 2.1 Thiết kế nguồn cung cấp cho mạch chuẩn hoá và vi xử lý. 30 2.2 Ghép nối card thu thập số liệu 12 kênh với máy tính. 30 2.2.1 Cổng nối tiếp RS-232 30 2.2.2. Vi mạch MAX 232: 32 2.3 Vi điều khiển họ mcs 51 33 2.3.1 Sơ đồ khối của bộ vi xử lý 8051: 36 2.3.2 Cách tổ chức và truy cập bộ nhớ của 8051 36 2.3.2.1 Bộ nhớ chương trình (Program Memory) 36 2.3.2.2 Bộ nhớ dữ liệu 37 2.3.3 Các thanh ghi chức năng đặc biệt (Special Function Registers – SFRs) 38 2.3.4 Các chế độ địa chỉ trong 8051 39 2.3.4.1 Chế độ địa chỉ trực tiếp (Direct Addressing) 39 2.3.4.2 Chế độ địa chỉ gián tiếp (Indirect Addressing) 39 2.3.4.3 Chế độ địa chỉ thanh ghi (Regiter Addressing) 40 2.3.4.4 Chế độ địa chỉ tức thì (Immediate Addressing) 40 2.3.4.5 Chế độ thanh ghi đặc trưng (Register – Specific Addressing) 40 2.3.4.6 Chế độ địa chỉ thanh ghi chỉ số (Register – Specific Addressing) 40 2.3.5 Cổng vào ra song song 40 2.3.6 Timer/ Counter 41 2.3.6.1 Thanh ghi TMOD (Timer/ Counter Mode Control Register) 41 2.3.6.2. Thanh ghi TCON (Timer/ Counter Control Register) 42 2.3.6.3 Các chế độ hoạt động của Timer/Counter 43 2.3.7 Giao diện nối tiếp 43 2.3.7.1 Thanh ghi SCON (Serial Part Control Register) 45 2.3.7.2 Thanh ghi PCON (Power Control Register) 46 2.3.8 Các nguồn ngắt và cách sử dụng ngắt 46 2.3.8.1 Thanh ghi IE (Interrupt Enable Register) 47 2.3.8.2 Thanh ghi IP (Interrupt Register) 47 2.4. Các lệnh trong 8051 48 2.4.1 Lệnh MOV 48 2.4.2 Định nghĩa các hằng, biến 48 2.4.3 Các lệnh số học 48 2.4.4 Các lệnh Logic 50 2.4.5 Các lệnh thao tác trên Bit 51 2.4.6 Các lệnh nhảy không có điều kiện 52 2.4.7 Các lệnh nhảy có điều kiện 52 CHƯƠNG III: Thiết kế mạch 53 3.1. Mạch động lực. 53 3.2. Sơ đồ mạch vi xử lý 54 3.3. Sơ đồ mạch điều khiển 55 3.4. Sơ đồ mạch truyền động điện. 56 Chương IV: tính chọn thiết bị 57 4.1.Chọn động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 57 4.2. Tính chọn van. 57 Kết luận 58 Tài liệu tham khảo 59 Lời nói đầu Cùng với sự phát triển mọi mặt của khoa học kỹ thuật, tự động hoá trở thành một trong những ngành không thể thiếu được của nền công nghiệp hiện đại. Tự động hoá cho phép nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm sức lao động của con người, từ đó dẫn đến giá thành sản phẩm rẻ hơn… Em đã được giao nhiệm vụ thiết kế đồ án tốt nghiệp với nội dung đề tài là: “Sử dụng vi xử lý điều khiển động cơ điện một chiều cú đảo chiều thụng qua mạch chỉnh lưu cầu 3 pha”. Đồ án chia làm 4 chương: Chương I: Giới thiệu về Thyristor và động cơ điện 1 chiều Chương II: Thiết kế phần cứng điều khiển động cơ một chiều Chương III: Thiết kế mạch Chương IV: Tính chọn thiết bị Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật các linh kiện bán dẫn cũng phát triển theo. ở đây em sử dụng vi điều khiển 8051để cấp xung điều khiển bộ chỉnh lưu cầu mắc song song ngược cấp điện cho động cơ điện một chiều, đảo chiều động cơ. Chương 1 Giới thiệu về thyristor và Động cơ Điện một chiều 1.1.Giới thiệu về thyristor 1.1.1. Cấu tạo: - Thyristor là một linh kiện bán dẫn nó được cấu tạo bằng cách gép các miền bán dẫn P và N trên cùng một đế bán dẫn theo trình tự P-N-P-N. - Từ miền anốt đưa ra điện cực Anốt, từ miền phat katốt đưa ra điện cực Katốt, và cực điêu khiển G đưa ra từ miền gốc. - Thyristor là phần tử gồm ba mặt ghép P-N là J,J,vàJ. P N P N G G J1 J2 J3 1.1.2. Ký hiệu: G A K (Th) loại P G A K (TR) loại N 1.1.3. Nguyên lý làm việc - Để mở Thyristor phải thoả mãn hai điều kiện sau: + U + U - Để khoá Thyristor điều kiện là: U 1.1.4. Công dụng: Thyristor là thiết bị bán dẫn công suất lớn, dùng để chỉnh lưu, nghịch lưu, biến đổi điện áp xoay chiều thành một chièu hay một chiều thành xoay chiều tuỳ vào cách mắc. Mục đích lớn nhất để điều chỉnh tốc độ động cơ. 1.2. Tổng quan về phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng phương pháp thay đổi dòng điện phằn ứng. I.2.1. Khái quát về động cơ điện một chiều a. Giới thiệu: Động cơ điện một chiều được dùng rất phổ biến trong công nghiệp, giao thông vận tải và nói chung ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một phạm vi rộng (máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện...) Động cơ điện một chiều được phân loại theo cách kích thích từ thành các động cơ điện kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp. Trên thực tế, đặc tính của động cơ điện kích từ độc lập và kích từ song song hầu như giống nhau nhưng khi cần công suất lớn người ta thường dùng động cơ điện kích từ độc lập để điều chỉnh dòng điện kích thích được thuận lợi và kinh tế hơn mặc dù động cơ này đòi hỏi phải có nguồn phụ bên ngoài. Trong khuôn khổ bản đồ án này ta sẽ nghiên cứu về phương pháp điều chỉnh tốc độ cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Đặc điểm của động cơ điện kích từ độc lập là dòng điện kích từ và từ thông động cơ không phụ thuộc dòng điện phần ứng. Sơ đồ nối dây của nó như trên hình 1.1 với nguồn điện mạch kích từ Ukt riêng biệt so với nguồn điện mạch phần ứng Uư. + _ + _ Uư Ukt Rfư Rfk E Iư Ikt Hình 1.1. Sơ đồ nối dây động cơ kích từ độc lập b. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Theo sơ đồ mạch điện hình 1.1 ta có phương trình cân bằng điện áp như sau: Trong đó: +) Uư : Điện áp nguồn đặt vào phần ứng, (V); +) Rư = rư + rcf + rcb + rct (W) : điện trở mạch phần ứng động cơ, bao gồm điện trở cuộn dây phần ứng rư; điện trở cực từ phụ rcf; điện trở cuộn bù ( nếu có) rcb; điện trở tiếp xúc của chổi than trên cổ góp rct; +) Rfư: điện trở phụ trong mạch phần ứng, (W); +) Iư: dòng điện phần ứng, (A); +) E: sức phản điện động của phần ứng động cơ (V); nó tỷ lệ với từ thông F và tốc độ quay của động cơ w theo biểu thức: E = KFw Trong đó: K- hệ số tỷ lệ phụ thuộc cấu tạo của động cơs Với p: là số đôi cực chính; N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng; a: số mạch nhánh đấu song song của cuộn dây phần ứng; Do đó phương trình cân bằng điện áp được viết lại thành: Hay: Đây là đặc tính cơ điện của động cơ; nó biểu thị mối quan hệ giữa đại lượng cơ học w và đại lượng điện Iư của động cơ. Mặt khác, mô men điện từ của động cơ lại tỷ lệ với từ thông F và dòng điện phần ứng Iư: M = KFIư Rút Iư thay vào phương trình đặc tính cơ điện ta được: Nếu bỏ qua các tổn thất trong động cơ, gồm tổn thất ma sát trong ổ trục, tổn thất cơ do tự quạt mát, tổn thất thép, thì mô men điện từ và mô men cơ trên trục được coi là bằng nhau: M = Mcơ. Như vậy biểu thức trên biểu thị mối quan hệ giữa hai đại lượng cơ học w và M của động cơ và được gọi là phương trình đặc tính cơ. c. Đường đặc tính cơ và đặc tính cơ điện Nếu bỏ qua ảnh hưởng của phản ứng phần ứng từ thông động cơ sẽ không đổi F = const, khi đó phương trình đặc tính cơ và đặc tính cơ điện đều là tuyến tính. Đường đặc tính của chúng được biểu thị trên hình 1.2 là những đường thẳng. w wo M = Mc Mnm 0 M wxl w wo wxl Iư Inm Iư = Ic 0 a) b) Hình 1.2. a) Đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập b) Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Ta thấy đường đặc tính cơ cắt hai trục tọa độ tại những điểm làm việc đặc biệt: Khi M = 0 hoặc Iư = 0, nghĩa là khi động cơ hoàn toàn không tải, ta có: wo được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ vì ứng với tốc độ này momen cản tác động lên động cơ bằng không mặc dù trên thực tế luôn có momen cản của ma sát trên trục động cơ Khi w = 0, ứng với điểm mở máy của động cơ, khi đó động cơ có mômen mở máy và dòng điện ngắn mạch Khi mở máy động cơ điện một chiều bao giờ cũng phải đảm bảo có Fmax, tức là động cơ phải được kích thích tới mức tối đa, khi đó momen ứng với mỗi trị số dòng điện Iư luôn luôn lớn nhất. Dòng điện Iư phụ thuộc vào điện áp đặt vào phần ứng động cơ và tổng (Rư + Rfư) nên khi mở máy động cơ ta điều chỉnh những đại lượng này sao cho dòng điện ngắn mạch không vượt quá trị số cho phép ( 1,4 á 2 Iđm) Từ đó độ cứng của đường đặc tính cơ được xác định theo công thức: Ta nhận thấy độ cứng đường đặc tính cơ không phụ thuộc vào điện áp cấp cho động cơ mà chỉ phụ thuộc vào từ thông kích thích và điện trở phần ứng của động cơ d. Các trạng thái làm việc của động cơ điện một chiều Tuỳ thuộc vào từng loại tải và yêu cầu làm việc mà động cơ điện một chiều có thể làm việc ở một trong hai trạng thái: động cơ, máy phát - Khi làm việc ở trạng thái động cơ: năng lượng được lấy từ lưới qua động cơ biến đổi thành cơ năng làm quay động cơ và kéo tải. ở trạng thái này ngoại trừ phần năng lượng tiêu hao trên điện trở và do ma sát trên trục động cơ thì toàn bộ phần năng lượng còn lại lấy từ lưới được chuyển thành cơ năng trên trục động cơ. Trong trường hợp này công suất điện đưa vào động cơ Pđiện > 0, công suất cơ do động cơ sinh ra Pcơ = Mw > 0, momen của động cơ cùng chiều với tốc độ. Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ nhất hoặc thứ ba trên mặt phẳng [M,w] - Khi làm việc ở trạng thái hãm (máy phát): năng lượng được truyền từ phía máy sản xuất về động cơ. Khi hệ truyền động làm việc, trong một điều kiện nào đó cơ cấu công tác của máy sản xuất có thể tạo ra cơ năng do động năng hoặc thế năng tích luỹ trong hệ đủ lớn, cơ năng đó được truyền về trục động cơ, động cơ tiếp nhận năng lượng này và làm việc như một máy phát điện. Vì vậy trong trường hợp này công suất động cơ Pcơ = Mw < 0, mômen động cơ ngược chiều với tốc độ, động cơ làm việc ở góc phần tư thứ hai và thứ tư trong mặt phẳng [M,w]. Động cơ một chiều kích từ động cơ có 3 trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng. + Hãm tái sinh: Động cơ làm việc với tốc độ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng: w > wo, tương ứng suất điện động của động cơ lớn hơn điện áp nguồn (E > Uư), do đó dòng điện phần ứng sẽ thay đổi chiều so với trạng thái động cơ: , momen động cơ đổi chiều (M<0) và ngược chiều w, động cơ biến thành bộ hãm. Trong trường hợp này, cơ năng trên trục động cơ được biến đổi thành điện năng để trả về nguồn, và động cơ làm việc như một máy phát điện song song với nguồn Uư. Trạng thái hãm tái sinh thường xảy ra ở các tải cần trục trong trường hợp máy nâng khi hạ các tải trọng nặng. Hoặc trong trường hợp giảm đột ngột tốc độ không tải lý tưởng bằng cách giảm điện áp nguồn Uư trong khi tốc độ động cơ chưa kịp giảm. + Hãm ngược: Động cơ dưới tác động của thế năng hay động năng nên quay ngược chiều tốc độ không tải lý tưởng. Trường hợp thứ nhất ta xét tải thế năng do tải trọng của cần trục tác động lên trục động cơ. Động cơ đang được đóng điện với Uư dương, tạo ra wo > 0 và tốc độ động cơ w > 0.Nếu ta nối thêm vào mạch phần ứng một điện trở phụ Rfư, làm cho dòng điện Iư giảm xuống kéo momen động cơ giảm theo đến giá trị nhỏ hơn momen cản khi đó tốc độ nâng tải sẽ giảm dần. Khi tốc độ bằng không, momen ngắn mạch của động cơ vẫn nhỏ hơn momen cản của tải trọng và momen cản này sẽ kéo cho trục động cơ quay ngược và tải trọng được hạ xuống, động cơ làm việc ở trạng thái hãm ngược. Trường hợp thứ hai xảy ra khi ta đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ, tức thay đổi chiều của tốc độ không tải lý tưởng. Khi đó dòng điện Iư sẽ đổi chiều (theo chiều của Uư < 0 và E) tạo ra momen hãm M < 0 , ngược với chiều tốc độ, động cơ làm việc ở trạng thái hãm ngược. ở trạng thái hãm ngược, điện áp nguồn cùng chiều với suất điện động E của động cơ nên dòng Iư có thể rất lớn. Để hạn chế Iư người ta phải nối thêm điện trở phụ khá lớn vào mạch phần ứng. + Hãm động năng: Khi động cơ đang quay mà ta ngắt phần ứng của nó ra khỏi nguồn, và đóng vào một điện trở (để duy trì dòng điện kích từ tạo ra từ thông). Động cơ vẫn quay được nhờ có động năng tích luỹ trong hệ cơ học, nó làm việc như một máy phát điện độc lập, biến động năng đó thành điện năng và tiêu tán trên điện trở dưới dạng nhiệt. Trong quá trình biến đổi đó nó tạo ra momen ngược chiều tốc độ và gây ra tác dụng hãm, đó chính là quá trình hãm động năng. e. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập Để đưa ra các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập, ta sử dụng phương trình đặc tính cơ đã biết sau: Từ phương trình trên có thể thấy tốc độ động cơ phụ thuộc vào ba thông số: điện trở mạch phần ứng, điện áp đặt vào phần ứng và từ thông kích từ. Tác động vào mỗi thông số ta sẽ được một họ đặc tính nhân tạo tương ứng. Và các phương pháp điều khiển động cơ cũng chính là các phương pháp tạo ra đặc tính nhân tạo, như vậy có ba phương pháp điều khiển: Điều khiển bằng điện trở phụ mạch phần ứng; điều khiển bằng từ thông kích thích và điều khiển bằng điện áp phần ứng 1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng + _ + _ Uư Ukt Rfư Rfk E Iư Ikt kt Điện trở phụ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ theo sơ đồ nguyên lý như sau: Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập : Trong đó wo: tốc độ không tải lý tưởng br: độ cứng đặc tính cơ nhân tạo biến trở Khi cho Rfư thay đổi ta sẽ làm thay đổi độ cứng đặc tính cơ còn tốc độ không tải lý tưởng không thay đổi. Khi Rfư càng lớn thì b càng nhỏ nghĩa là đường đặc tính cơ càng dốc. ứng với giá trị Rfư = 0 ta có độ cứng đường đặc tính cơ tự nhiên được tính theo công thức: Ta nhận thấy bTN có giá trị lớn nhất nên đường đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có đóng điện trở phụ trên mạch phần ứng. Vậy khi thay đổi Rfư ta được họ đặc tính cơ như sau: Dwc.TN Dwc1 w wo wđm w1 w2 0 Mc = Mđm M TN, Rfư = 0 Rfư1 Rfư2 Hình 1.4. Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ mạch phần ứng để tăng Rư chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độ định mức và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện. Khi giá trị Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và momen ngắn mạch cũng giảm. Do đó phương pháp này được dùng để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản. 2. Điều chỉn tốc độ bằng cách thay đổi từ thông kích thích Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điều khiển bằng từ thông được thể hiện trên hình vẽ, trong đó dòng kích từ Ikt và từ thông F có thể thay đổi nhờ biến trở Rfk hoặc nhờ bộ nguồn kích từ có điện áp Ukt thay đổi. + _ + _ Uư Ukt Rfư Rfk E Iư Iktvar + _ Uư Rfư E Iư + _ Uktvar ~ Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý hệ điều khiển bằng từ thông của động cơ một chiều kích từ độc lập M w 0 Mđm 2Mđm TN(Fđm)_ F1 F2<F1<Fđm wo wo1 wo2 Đối với phương pháp này khi điều chỉnh dòng kích từ ta giữ nguyên điện áp phần ứng Uư = Uđm = const và không nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng. Họ đặc tính cơ khi thay đổi từ thông được thể hiện trên hình 1.6, trong đó đặc tính tự nhiên có F = Fđm ở vị trí thấp nhất, các đặc tính điều chỉnh đều ứng với từ thông F < Fđm có vị trí cao hơn. Hình 1.6. Họ đặc tính cơ khi thay đổi từ thông Phương trình đặc tính cơ: Trong đó: - tỷ lệ nghịch với từ thông: F càng giảm, wo càng tăng - tỷ lệ với bình phương từ thông: F càng giảm, bF càng giảm và độ sụt tốc Dw càng lớn. Trong thực tế thì các đặc tính này chỉ tồn tại trong vùng phụ tải từ 0 đến 2Mđm. ở đó khi từ thông giảm, wo sẽ tăng nhiều hơn so với phần tăng của độ sụt tốc Dw và kết quả là tốc độ động cơ tăng lên. Còn ở vùng phụ tải lớn, độ sụt tốc có thể tăng nhiều hơn nên tốc độ có thể lại giảm khi ta giảm từ thông. Dải điều chỉnh của phương pháp này bị hạn chế cả phía wmax và wmin. Tốc độ thấp nhất bị giới hạn bởi đặc tính tự nhiên, còn tốc độ cao nhất bị hạn chế bởi độ bền cơ khí và điều kiện chuyển mạch trên cổ góp động cơ. Độ chính xác duy trì tốc độ đặt của phương pháp này cũng không cao vì độ cứng của đặc tính điều chỉnh giảm tỷ lệ với bình phương từ thông. Tuy nhiên nó cũng có ưu điểm về độ tinh điều chỉnh, có thể dễ dàng điều chỉnh tốc độ vô cấp nhờ phần tử điều chỉnh đặt ở mạch kích từ có công suất nhỏ (chỉ bằng 2 á 5 % công suất định mức động cơ) 3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Khi giữ từ thông không đổi F = Fđm, không nối điện trở phụ Rfư, ta có thể điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều một cách rất hiệu quả bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Uư. Để tạo điện áp phần ứng Uư, ta sử dụng các bộ biến đổi làm chức năng biến đổi điện năng xoay chiều thành một chiều và điều chỉnh suất điện động của nó theo tín hiệu điều khiển. Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế của hệ được thể hiện trên hình vẽ ~ BĐ Uđk Đ Eb Uư E Rb Rư Iư a) b) Hình1.7. Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng điện áp phần ứng a) Sơ đồ nguyên lý b) Sơ đồ thay thế Phương trình đặc tính cơ có thể rút ra từ phương trình cân bằng điện áp của mạch điện: Trong đó: Eb: suất điện động của bộ biến đổi, phụ thuộc điện áp điều khiển : Eb = f(Uđk) E: suất điện động của động cơ: E = KFw Rb: điện trở trong của bộ biến đổi, thường có giá trị đáng kể hoặc xấp xỉ với điện trở phần ứng động cơ (Rb ằ Rư) Từ đó ta có: 0 M Mđm Mcmax w womax wmax woi wi womin wmin Uđk1 Uđki Khi thay đổi điện áp điều khiển của bộ biến đổi, suất điện động Eb thay đổi, dẫn đến sự thay đổi của wo, còn độ cứng đặc tính cơ bu và độ sụt tốc Dw không đổi. Kết quả là ta được họ đặc tính cơ điều chỉnh là những đường song song như trên hình vẽ. Hình 1.8. Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng Từ đó ta thấy phương pháp điều khiển này có các chỉ tiêu chất lượng cao: - Hệ có khả năng điều chỉnh triệt để, nghĩa là thay đổi được cả tốc độ không tải lý tưởng (khi M=0) - Độ cứng đặc tính điều chỉnh được giữ không đổi và không bị giảm khi điều chỉnh sâu nhờ đó sai số tốc độ Dw không đổi và có giá trị nhỏ nên độ chính xác tương đối cao - Dải điều chỉnh tương đối rộng, rộng hơn dải điều chỉnh của phương pháp điều chỉnh bằng Rfư hoặc từ thông kích từ - Đảm bảo độ tinh cao, có thể điều chỉnh vô cấp và tổn hao năng lượng ít. Với những chỉ tiêu chất lượng nêu trên. phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng điện áp phần ứng được đánh giá tốt và được sử dụng rộng rãi trên thực tế. I.2.2. Tổng quan phương pháp điều chỉnh tốc độ khi điều chỉnh điện áp phần ứng. Để thực hiện được phương pháp này ta phải có một nguồn cung cấp mà điện áp của nó có thể biến đổi được trong một phạm vi rộng. Đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập người ta thường sử dụng các bộ biến đổi điện năng xoay chiều thành một chiều và điều chỉnh suất điện động của nó theo tín hiệu điều khiển như: máy phát điện một chiều kích từ độc lập, chỉnh lưu điều khiển, hay bộ băm áp một chiều. a. Hệ máy phát - động cơ điện một chiều (hệ F - Đ). Sơ đồ nguyên lý của hệ F - Đ được thể hiện trên hình vẽ: ĐCS MF ktMF ktĐC ĐC FT VRF Vrđ ~ Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý hệ F - Đ Tổ máy ĐCS- MF làm nhiệm vụ biến điện năng xoay chiều thành một chiều (qua khâu trung gian cơ khí là trục của động cơ ĐCS) để cấp cho phần ứng của động cơ một chiều kích từ độc lập ĐC. Việc thay đổi điện áp trên phần ứng của động cơ điện một chiều ĐC được thực hiện bằng cách điều khiển dòng kích từ Ikf của máy phát MF để làm biến đổi suất điện động Ef. Cuộn kích từ của máy phát thường được nối vào một bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển, máy điện khuyếch đại, hoặc đơn giản là nhờ một biến trở như trên hình vẽ. đt TN ĐC TS ĐN ĐN TS ĐC HN HN M w 0 Hình 1.10. Các đặc tính cơ điều chỉnh và trạng thái làm việc của động cơ trong hệ MF-Đ Việc đảo chiều quay động cơ trong hệ này được thực hiện đơn giản bằng các công tắc thuận nghịch để đảo chiều dòng kích từ máy phát, tức đảo cực tính điện áp kích từ . Khi đó suất điện động của máy phát sẽ đổi cực tính làm cho dòng điện, momen và tốc độ động cơ đổi chiều. Động cơ trong hệ F - Đ đảo chiều có khả năng làm việc trên cả 4 góc phần tư của mặt phẳng tọa độ [M,w], nghĩa là có thể làm việc ở trạng thái động cơ khi quay thuận (w >0, góc phần tư thư nhất và khi quay ngược w < 0 (góc phần tư thứ 3); các trạng thái hãm: hãm tái sinh, hãm ngược, hãm động năng ở cả hai chiều quay (góc 2 và góc 4). * Đánh giá hệ thống máy phát - động cơ điện một chiều: + Ưu điểm: Hệ thống này có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp, phạm vi điều chỉnh rộng bởi vì quá trình điều khiển được thực hiện bằng mạch kích thích của máy phát, mà mạch này thường có công suất nhỏ hơn rất nhiều so với công suất của máy phát và động cơ. Ngoài ra có thể điều chỉnh đơn giản bằng phương pháp biến trở. Hệ thống có sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt mà không đòi hỏi những thiết bị phụ trợ hoặc những phương tiện điều khiển đặc biệt nào. + Nhược điểm: Dùng bốn máy để quay nên khi làm việc sẽ gây tiếng ồn lớn, chiếm nhiều diện tích đặt máy. Đồng thời tổng công suất đặt vào máy quá lớn nên vốn đầu tư sẽ tăng. Khi dùng hệ F- Đ, năng lượng được truyền từ lưới điện qua động cơ kéo máy phát, qua máy phát rồi mới đến động cơ điện một chiều do đó sẽ gây ra nhiều tổn thất làm cho hiệu suất hoạt động của hệ thống giảm đi rõ rệt. Ngoài ra do các máy phát điện một chiều có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ. b. Hệ chỉnh lưu điều khiển - Động cơ điện một chiều (CL - Đ). 1. Hệ chỉnh lưu điều khiển động cơ không đảo chiều . - Sơ đồ nguyên lý như sau: Uđk KL kt U1 U2 BA T1 T2 T3 a a a iđ = iư Uđ Đ XF U2a U2b U2c Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý của hệ CL - Đ không đảo chiều dùng bộ chỉnh lưu tia 3 pha Khi đặt điện áp nguồn xoay chiều vào biến áp, các điện áp pha thứ cấp U2a, U2b,U2c xoay chiều hình sin đặt lên anốt của các tiristor T1, T2, T3. Nếu các tiristor này nhận được xung điện áp dương trên cực điều khiển vào lúc anod của chúng dương hơn catod thì chúng sẽ thông cho dòng điện chảy qua phần ứng động cơ. Đồ thị biểu diễn quan hệ điện áp theo thời gian là những đường cong phức tạp bao gồm cả thành phần xoay chiều và một chiều. Tuy nhiên chỉ có thành phần một chiều mới tạo ra dòng điện thuần một chiều và momen động cơ còn thành phần xoay chiều có ảnh hưởng xấu đến quá trình chuyển mạch của cổ góp động cơ và làm tăng phát nóng nên ta phải tìm cách hạn chế nó. Do vậy người ta thường mắc thêm vào mạch phần ứng động cơ một cuộn kháng san bằng có điện cảm xác định. Thành phần một chiều Ud chính là giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu. Nếu dòng iư là liên tục thì Ud có biểu thức: Với: a - góc mở của tiristor tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên tức thời điểm bằng nhau của điện áp thứ cấp máy biến áp ở hai pha liên tiếp. Udo - điện áp chỉnh lưu lớn nhất, ứng với a = 0. Phương trình đặc tính cơ của hệ: Thay Ud = Udocosa, ta có: hoặc: trong đó: KCL = Udo/Uđkmax = const Đặc tính cơ của động cơ trong hệ CL - Đ ở trạng thái dòng điện liên tục là những đường thẳng song song như trên hình vẽ. Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc góc mở a của tiristor tức phụ thuộc điện áp điều khiển Uđk: w womax woi 0 -woi -womax Uđkmax; a = 0; +Udo M HN ĐN TS -Uđkmax Uđk = 0; a = p/2; Ed = 0 Độ cứng đặc tính cơ có giá trị không đổi: Vùng dòng điện gián đoạn Hình 1.10. Đặc tính cơ của động cơ trong hệ CL - Đ không đảo chiều Trong vùng phụ tải nhỏ (M đ 0; Iư đ 0) dòng điện động cơ sẽ không duy trì được liên tục mà sẽ có dạng xung đập mạch rời rạc. Trong vùng này đặc tính cơ sẽ cong và rất dốc, được biểu thị bằng đường nét liền trong elíp. 2. Hệ chỉnh lưu điều khiển - động cơ đảo chiều Để cho động cơ có thể làm việc được cả hai chiều quay ở trạng thái động cơ cũng như ở trạng thái hãm với phụ tải bất kỳ, nghĩa là có thể làm việc được trong cả bốn góc phần tư của mặt phẳng [M, w] ta phải sử dụng hệ CL - Đ đảo chiều. Vì trong mạch điện có các van bán dẫn nên việc đảo chiều động cơ trong hệ này phức tạp hơn trong hệ máy phát - động cơ cả về mạch động lực lẫn nguyên lý điều khiển. Có ba phương pháp thiết lập hệ CL - Đ đảo chiều: đảo chiều dòng kích từ; đảo chiều dòng điện phần ứng bằng tiếp điểm công tắc tơ; đảo chiều dòng điện phần ứng nhờ bộ chỉnh lưu thuận nghịch. * Phương pháp đảo chiều dòng kích từ động cơ Ta dùng một bộ chỉnh lưu không thuận nghịch cấp cho phần ứng động cơ và đặt các tiếp điểm công tắc tơ đảo chiều trong mạch kích từ. Cũng có thể sử dụng hai nhóm chỉnh lưu (thuận - nghịch) làm nguồn kích từ động cơ. N T T N + _ Ukt Đ Ikt Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý hệ CL - Đ đảo chiều bằng phương pháp đảo chiều dòng kích từ Phương pháp này đơn giản, thiết bị ít nhưng vì mạch kích từ có hằng số thời gian lớn nên việc đóng, cắt, đổi ch