Đồ án Thiết kế hệ điều khiển CL

Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT Thiết kế hệ điều khiển CL LỜI MỞ ĐẦU Điều khiển là một lĩnh vực quan trọng trong đời sống xã hội. Bất kì ở vị trí nào, bất cứ làm một công việc gì mỗi chúng ta đều tiếp cận với điều khiển. Nó là khâu quan trọng quyết định sự thành bại trong mọi hoạt động của chúng ta. Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi nhưng động cơ điện một chiều vẫn tồn tại. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng. Vì động cơ điện một chiều có đặc tính làm việc rất tốt trên các mặt điều chỉnh tốc độ (phạm vi điều chỉnh rộng, thậm chí từ tốc độ bằng 0). Nhưng độ tin cậy khi sử dụng động cơ một chiều lại thấp hơn so với động cơ không đồng bộ do có hệ thống tiếp xúc chổi than. Hệ thống điều khiển chỉnh lưu - động cơ một chiều cũng là một ứng dụng của kỹ thuật điều khiển. Chỉnh lưu có điều khiển dùng Tiristo để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ. Chỉnh lưu cũng có thể dùng làm nguồn điện chỉnh điện áp kích từ cho động cơ. Hệ thống này thường được dùng cho các động cơ điện được cấp điện từ lưới xoay chiều. Đồ án thiết kế hệ điều khiển CL - Đ một chiều gồm 6 chương: Chương1: Khái quát về điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều Chương 2: Khái quát về nguồn chỉnh lưu. Chương 3: Thiết kế nguồn chỉnh lưu động lực. Chương 4: Tính toán đặc tính điều khiển của động cơ. Chương 5: Thiết kế mạch điều khiển. Chương 6: Hệ thống điều khiển với phản hồi. Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT Nội dung đồ án chắc chắn còn rất nhiều vấn đề cần bổ xung hoàn thiện, em rất mong ý kiến đánh giá và nhận xét của các thầy cô cùng các bạn sinh viên. Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. 1.1 Đại cương về động cơ điện một chiều 1. Cấu tạo động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều chia thành 2 phần chính: a. Phần tĩnh ( stato) Gồm các bộ phận chính sau: - Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường, gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ. + Lõi sắt cực từ làm bằng thép kĩ thuật điện dày ( 0,5 –1)mm ép lại và tán chặt. + Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện. Trong các máy công suất nhỏ, cực từ chính là một nam châm vĩnh cửu. Trong các máy công suất trung bình và lớn, cực từ chính là nam châm điện. - Cực từ phụ: đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện điều kiện làm việc của máy điện và đổi chiều + Lõi thép cực từ phụ có thể là một khối hoặc có thể được ghép bởi các lá thép tùy theo chế độ làm việc. + Xung quanh cực từ phụ được đặt dây quấn cực từ phụ, dây quấn cực từ phụ được nối với dây quấn phần ứng. - Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy. b. Phần quay ( rôto) Bao gồm các bộ phận chính sau: - Lõi thép phần ứng: dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kĩ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây lên. Trong máy điện nhỏ, lõi thép phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong máy điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. - Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng đồng có bọc cách điện. Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT Trong máy điện công suất nhỏ, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện tròn. Trong máy điện công suất vừa và lớn, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện hình chữ nhật. - Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. - Cơ cấu chổi than: dùng để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. 2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư. Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực Fđt tác dụng làm cho rôto quay. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau, do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi. Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện động Eư.. Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên sức điện đông Eư còn được gọi là sức phản diện Phương trình điện áp là: 3. Phân loại động cơ điện một chiều Cũng như máy phát, động cơ điện được phân loại theo cách kích thích từ thành các động cơ điện sau: a. Động cơ điện kích từ độc lập Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ được cấp điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho mạch phần ứng. b. Động cơ kích từ nối tiếp Động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng. c. Động cơ kích từ hỗn hợp Động cơ kích từ hỗn hợp gồm 2 dây quấn kích từ: dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp trong đó dây quấn kích từ song song là chủ yếu. −−− .IREU += Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT 2.1 Khái quát về điều khiển động cơ một chiều 1. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều Tùy theo cách kích thích từ, động cơ điện một chiều có những tính năng khác nhau biểu diễn bằng các đường đặc tính làm việc, đặc tính cơ khác nhau. Trong các đặc tính đó, quan trọng nhất là đặc tính cơ. Đặc tính cơ dùng để xác định điểm làm việc xác lập hoặc là khảo sát điểm làm việc ổn định trong hệ thống truyền động điện. Đặc tính cơ của động cơ điện là mặt phẳng tọa độ giữa ω với momen ω = f(M). Trong đồ án thiết kế này ta chỉ quan tâm tới loại động cơ một chiều kích từ độc lập a. Phương trình đặc tính cơ Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn ứng quay trong từ trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức phản điện động có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Phương trình điện áp ở mạch phần ứng động cơ: U = E + Iư ( Rư + Rf) Trong đó: + Uư : điện áp phần ứng ( V ) + E: sức điện động phần ứng ( V ) + Rư : điện trở của mạch phần ứng (Ω) + Rf : điện trở phụ của mạch phần ứng + Iư : dòng điện mạch phần ứng. Sức điện động Eư của phần ứng động cơ là tỷ lệ với tốc độ quay của rôto : E = k.Φ.ω Trong đó: + k = a pN π2 hệ số cấu tạo của động cơ + Φ: từ thông qua một cực từ (Wb) + ω: tốc độ góc của rôto, 55,9 n=ω ( rad/s) + p: số đôi cực từ chính + N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng + a: số đôi mạch nhánh song song I- Rf KT RKT IKT -+ + - Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT + n: tốc độ quay (vòng/phút) Mặt khác, mômen điện từ của động cơ: Mđt = k.Φ.Iư Φ=→ k M I dt− Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì Mcơ = Mđt = M Từ các phương trình trên ta có: đặc tính cơ của động cơ điện một chiều Khi toàn bộ các thông số điện của động cơ là định mức và không mắc thêm điện trở phụ vào mạch điện trở thì phương trình đặc tính cơ là: Đặc tính cơ của phương trình này gọi là đặc tính cơ tự nhiên. Tốc độ ωo = Uư/k.Φ là tốc độ không tải lý tưởng. Khi phụ tải tăng dần từ Mc = 0 đến Mc = Mđm thì tốc độ động cơ giảm dần từ ωo xuống ωđm nên phương trình đặc tính cơ có dạng: Với: Δω = ( )2−Φk R _độ sụt tốc trên đặc tính cơ. b. Đặc tính cơ Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông Φ = const thì phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập tuyến tính có dạng hàm bậc nhất y = ax + b nên đường biểu diễn trên hệ tọa độ M0ω là một đường thẳng cắt trục 0ω tại ωo với độ dốc âm. 2. Điều khiển tốc độ động cơ một chiều a. Chỉ tiêu điều khiển tốc độ Điều khiển tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản xuất. Để đánh giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu sau: ( ) Mk RR k U f 2 −− .. Φ +−Φ=ω ( ) Mk R k U 2 −− .. Φ−Φ=ω ωωω Δ−= o M Mđ m ω ωđ m ωo Δω ĐTT N 0 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT - Sai số tốc độ Sai số tĩnh tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt và được đánh giá thông qua: Mong muốn: sai số ωđ = ω s% càng nhỏ càng tốt. - Tính liên tục ( độ trơn của dải điều chỉnh) ωi + 1 ≈ ωi: hệ thống điều khiển liên tục ωi + 1 ≠ ωi : hệ thống điều khiển nhảy cấp Mong muốn γ → 1: hệ truyền động có thể làm việc ổn định ở mọi giá trong suốt dải điều chỉnh. - Dải điều khiển tốc độ Dải điều khiển tốc độ ( D) là tỉ số giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với mômen tải đã cho: Mong muốn D càng lớn càng tốt - Ngoài ra còn các chỉ tiêu khác như: chỉ tiêu kinh tế, kích thước… b. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều Về việc điều chỉnh tốc độ, động cơ một chiều có nhiều ưu điểm so với các loại động cơ khác: điều chỉnh dễ dàng, chất lượng điều chỉnh cao trong một dải rộng…. Xét phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều: Ta thấy rằng việc điều chỉnh động cơ điện một chiều có thể thực hiện được bằng cách thay đổi các đại lượng: Rư , Φ, Uư Thực tế có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều: 100 ω ωω ×−= d ds% i i ω ωγ 1+= min max ω ω=D ( ) Mk R k U 2 −− .. Φ−Φ=ω Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT Rf = 0 Rf1 Rf2 ω0 ω M 0 M2 M1 Mc ∗ Phương pháp 1: Thay đổi điện trở phần ứng Đây là phương pháp kinh điển dùng để điều khiển tốc độ động cơ trong nhiều năm. - Nguyên lý điều khiển Trong phương pháp này người ta giữ U = Uđm; Φ = Φđm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng. Độ cứng của đường đặc tính cơ: Ta thấy khi điện trở càng lớn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó càng mềm hơn. Ứng với Rf = 0 ta có độ cứng tự nhiên βTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ. Như vậy, khi ta thay đổi Rf ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên. - Đặc điểm của phương pháp + Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn. + Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm). + Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục. - Đánh giá các chỉ tiêu + Tính liên tục: phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà phải điều khiển nhảy cấp. + Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải. Tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh D = ωmax / ωmin càng nhỏ. Phương pháp này có thể điều chỉnh trong dải D = 3 : 1 ( ) f dm RR kM + Φ−=Δ Δ= − 2. ωβ Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT + Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn. + Chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản. ∗ Phương pháp 2: Thay đổi từ thông Φ - Nguyên lý điều khiển Giả thiết U= Uđm; Rư = const . Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kích từ. Thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ. Bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa (Φ = Φmax) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông Φ tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức. → Khi giảm Φ thì tốc độ không tải lý tưởng Φ= k U dm oω tăng, còn độ cứng đặc tính cơ ( ) uR k 2Φ−=β giảm, ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên. Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và tăng vượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi. Vì vậy muốn giữ cho dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì ta phải giảm Mt theo cùng tỉ lệ. - Đặc điểm của phương pháp + Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng. + Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức. + Việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch. + Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển với công suất không đổi. M Φđ m Φ2 Φ1 ωo ωo1 ωo2 ω 0 Mc1 Mc2 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT - Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển + Sai số tốc độ lớn: đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên. + Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy. Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3 :1 + Tính liên tục: vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ nên ta có thể điều khiển liên tục với Φ ≈ 1 + Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên tục và kinh tế ( vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ = (1 – 10)%Iđm của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp). → Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển. ∗ Phương pháp 3: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp. - Nguyên lý làm việc Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn (máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển…) Ở phương pháp này: U = var; Φđm = const; Rf = 0 Khi thay đổi phần ứng ( thay đổi theo chiều giảm điện áp), vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lí tưởng ωo = U /k.Φ thay đổi tùy thuộc vào giá trị điện áp phần ứng. Do đó ta thu được họ đặc tính mới song song và thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên tức là vùng điều khiển tốc độ nằm dưới tốc độ định mức. - Đặc điểm của phương pháp + Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng thấp. + Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh. + Độ cứng đặc tính cơ cao và được giữ không đổi trong toàn dải điều chỉnh. ĐTT N ω0 ω02 ω01 ω M U1 U2 0 Mc Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT + Chỉ thay đổi tốc độ về phía giảm + Rất dễ tự động hóa khi dùng chỉnh lưu có điều khiển. + Phương pháp này điều khiển với mômen không đổi vì Φ và Iư đều không đổi. - Đánh giá chi tiêu điều khiển + Sai số tốc độ lớn ( sai số tốc độ bằng sai số tốc độ của đặc tính cơ tự nhiên) + Tính liên tục: điện áp của động cơ được điều khiển bằng bộ biến đổi. Các bộ biến đổi hiện nay đều có công suất bé nên có thể điều chỉnh liên tục. + Dải điều chỉnh có thể đạt được D = 10:1 → Đây là phương pháp duy nhất có thể điều chỉnh liên tục tốc độ động cơ trong vùng tốc độ thấp hơn tốc độ định mức đối với động cơ một chiều. ⇒ Qua việc xét ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ta thấy phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là triệt để và có nhiều ưu điểm hơn cả nên ta chọn phương pháp này để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều. ª Các bộ biến đổi để điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ ∗ Hệ thống F - Đ ( máy phát - động cơ) Hệ thống F - Đ là một trong các phương án điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng. - Nguyên lý điều khiển Theo sơ đồ thì động cơ Đ1 biến đổi điện năng xoay chiều của lưới thành cơ năng trên trục của nó rồi truyền sang trục của máy phát F, máy phát F biến đổi cơ năng đó thành điện năng một chiều để cung cấp cho động cơ Đ, động cơ một chiều chuyển thành cơ năng trên trục làm quay máy sản xuất. F Đ MF ĐC MSX Đ ∼ Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT Để điều khiển tốc độ động cơ cần điều khiển điện áp đặt trên hai đầu động cơ, thông qua sức điện động của máy phát: E = kMF.Φ.ωMF. Khi máy phát F được quay với tốc độ ωMF cố định, sức điện động của máy phát EMF phụ thuộc vào dòng kích từ IkMF theo luật đường cong từ hóa: EMF = kMF.ωMF. α.IkMF Xét phương trình đặc tính cơ: ( ) Mk RR I k k DD DMF kMF DD MFMF . 2 −− Φ +−Φ= αωω Ta thấy khi điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát ta điều chỉnh được tốc độ không tải của hệ thống: kMF DD MFMF o Ik k .Φ= αωω còn độ cứng đặc tính cơ: ( ) FD DD DF RR k −− 2 + Φ=−β thì giữ nguyên. Do đó các đường đặc tính cơ là một họ đường thẳng song song. Trong mạch lực của hệ F - Đ không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có những đặc tính động rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc. Hệ F - Đ có các đặc tính cơ điền đầy cả 4 góc phần tư của mặt phẳng tọa độ. - Đặc điểm của hệ F - Đ + Ưu điểm Sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn. Phạm vi điều chỉnh tăng (cỡ 30:1; chỉ khi dùng trong mạch kín). Điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong phạm vi điều chỉnh. Việc điều chỉnh tiến hành trên các mạch kích từ nên tổn hao nhỏ. Hệ điều chỉnh đơn giản. + Nhược điểm Dùng nhiều máy điện quay trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp 3 lần công suất tải yêu cầu. Vốn đầu tư cao, cồng kềnh tốn diện tích ω IkMFđ m IkMF 2 IkMF 1 IkMF = 0 Đ C TS Đ N Đ C TS I 0 ωo Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT Hiệu suất của hệ thấp ( không quá 75%) Điều chỉnh sâu bị hạn chế Hiện nay người ta có khuynh hướng thay thế hệ F - Đ bằng hệ thống CL - Đ ∗ Hệ thống CL - Đ một chiều Hệ thống CL - Đ một chiều dùng bộ biến đổi là một loại nguồn điều áp một chiều. Khi nối nó vào mạch phần ứng với động cơ điện một chiều kích từ độc lập ta sẽ được hệ thống CL - Đ. Khác với máy phát điện một chiều, bộ biến đổi trực tiếp biến dòng xoay chiều thành dòng một chiều không qua một khâu trung gian cơ học nào. Hiện nay các Tiristo được dùng phổ biến để tạo ra các bộ chỉnh lưu có điều khiển bởi các tính chất ưu việt của chúng: gọn nhẹ, tổn hao ít, tác động nhanh… - Nguyên lý điều khiển Động cơ điện một chiều nhận năng lượng từ lưới xoay chiều thông qua bộ chỉnh lưu. Bộ chỉnh lưu biến đổi điện lưới xoay chiều thành điện một chiều cấp điện cho phần ứng của động cơ điện một chiều. Khi điều khiển góc mở của các Tiristo ( tức là Tirito chỉ được mở khi điện áp anod dương hơn catod) ta điều khiển được điện áp phần ứng tức là điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều. - Các chế độ làm việc Chế độ dòng điện liên tục Khi mômen tải tăng Mt ↑ thì dòng điện Iđc ↑ dẫn đến năng lượng điện từ tăng. Khi điện áp nguồn nhỏ hơn sức điện động thì năng lượng của cuộn dây lớn làm cho năng lượng xả ra đủ sức để duy trì dòng điện đến thời điểm mở van kế tiếp. Khi ở chế độ dòng điện liên tục, điện áp chỉnh lưu UCL = Udo.cosα . Chế độ dòng điện gián đoạn Do mạch của động cơ có điện cảm và điện cảm ấy có tích lũy và xả năng lượng. Nếu dòng điện nhỏ, lượng tích lũy năng lượng của cuộn dây nhỏ nên xả năng lượng nhỏ. Vì vậy khi điện áp của lưới nhỏ hơn T ∼ Ư Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT sức điện động của động cơ, năng lượng của cuộn dây xả ra để đảm bảo anod dương hơn catod không đủ duy trì tính chất liên tục của dòng điện. Lúc này, dòng điện qua van trở về 0 trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn. Chế độ biên liên tục Khi chuyển từ trạng thái dòng liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn, hệ sẽ phải qua một trạng thái giới hạn, đó là trạng thái biên liên tục. + Đặc tính cơ của hệ thống Chế độ dòng điện liên tục Phương trình đặc tính cơ: Thay đổi góc điều khiển α = ( 0 - π),điện áp của chỉnh lưu biến thiên từ Udo – ( - Udo) và ta được họ đặc tính song song nằm ở nửa bên phải của hệ trục tọa độ {M, ω}. Những đặc tính đó không tồn tại ở nửa mặt bên trái là do các van không cho dòng điện phần ứng đổi chiều. Khi đó tốc độ không tải lí tưởng tùy thuộc vào góc điều khiển α Và độ cứng đặc tính cơ: ( ) CL dm RR k + Φ= ¦ 2 β là không đổi. → Các đường đặc tính của hệ CL - Đ mềm hơn các đặc tính cơ của hệ F - Đ Chế độ dòng điện gián đoạn Phương trình đặc tính cơ: ( ) ( ) ( )( )γλ γλλγαγαγω g gU k oom dm cotexp1 cotexpsinsin.cos1 2 − +−− Φ= Khi làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn, đường đặc tính cơ không là đường thẳng, là đường cong có độ cứng thấp hơn. Biên giới vùng dòng điện gián đoạn là đường phân cách giữa vùng dòng điện liên tục và vùng dòng điện gián đoạn chính là tập hợp các đường trạng thái biên {Mblt; ωblt} khi thay M kk RR k U M kk RR k U e CL e do e CL e CL . ... cos. . .. 2 − 2 − Φ +−Φ=Φ +−Φ= μμ αω dme do o k U Φ= . cos. αω 0 Biên liên tục ω ωo 1ωo 2 Ibl t ωbl t I α = 0 α = π/2 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT đổi góc α = ( 0 - π ) gần đúng là đường elip có các trục chính là các trục tọa độ - đường cong nét đứt trên hình vẽ. - Đặc điểm của hệ CL - Đ + Ưu điểm: Độ tác động nhanh cao, tổn thất ít, giảm tiếng ồn, hiệu suất lớn. Có khả năng điều chỉnh trơn (γ ∼ 1) với phạm vi điều chỉnh rộng ( D ∼ 102 – 103) Có thể thiết lập hệ tự động vòng kín để mở rộng dải điều chỉnh và cải thiện điều kiện làm việc của hệ. + Nhược điểm: Khả năng linh hoạt khi chuyển đổi trạng thái làm việc không cao, khả năng quá tải về dòng và áp của các van kém. Sức điện động của bộ biến đổi có biên độ đập mạch lớn gây tổn hao phụ trong động cơ và làm xấu điều kiện chuyển mạch trên cổ góp của động cơ làm xấu điện áp nguồn. Khi điều chỉnh sâu hệ số công suất cosγ thấp nhất. ∗ Hệ thống băm áp động cơ Bộ băm áp một chiều dùng để biến đổi trị số điện áp, dòng điện một chiều dựa trên nguyên lý đóng ngắt có chu kì nguồn điện một chiều. - Nguyên lý điều khiển Khi khóa K đóng dòng điện tăng làm tăng tốc độ động cơ và tích lũy năng lượng điện từ cho điện cảm trong mạch. Trong thời gian khóa cắt, năng lượng điện từ đã tích lũy sẽ phóng qua Vo để duy trì dòng điện phần ứng. - Các chế độ làm việc Chế độ dòng điện liên tục Khi dòng và điện cảm trong mạch đủ lớn thì nănsg lượng điện từ đủ duy trì dòng điện cho đến khi bắt đầu chu kì mới. Khi đó dòng phần ứng có dạng liên tục. Điện áp một chiều được điều chỉnh bằng bộ băm áp cung cấp cho phần ứng của động cơ. Điện áp môt chiều được băm với điện áp trung bình: 11 .UUT UTB γθ == Vo Ư K+ - Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT Ta điều chỉnh thông qua chu kì T. Chu kì càng nhỏ ( tần số càng lớn f = 1 /T) thì vùng gián đoạn càng nhỏ, chất lượng điều khiển càng cao. → Điều khiển băm áp có chất lượng tốt hơn điều khiển chỉnh lưu khi tần số f cao. Chế độ dòng điện gián đoạn Nếu dòng điện và điện cảm có giá trị nhỏ thì đường cong có dạng gián đoạn. Nếu dòng điện và điện cảm có giá trị giới hạn nào đó thì dòng điện có thể giảm đến 0 đúng vào thời điểm đầu của chu kì tiếp theo. Khi đó ta có dòng biên liên tục. - Đặc tính cơ của hệ thống Với dòng điện liên tục: Phương trình đặc tính cơ Để điều khiển tốc độ ta điều khiển hệ số γ tức là điều khiển độ rộng xung điện áp θ trong chu kì điện áp. Trong vùng liên tục, đặc tính cơ là tập hợp các đường thẳng song song với tốc độ không tải lý tưởng dm o k U Φ= γω và độ cứng đặc tính cơ: ( ) baRR k + Φ= ¦ 2 β Với dòng điện gián đoạn Đặc tính cơ là các đường cong. Cũng như trong hệ CL - Đ, ở chế độ này do mômen điện từ gián đoạn mà đặc tính cơ trở nên rất mềm. Biên giới liên tục là đường có dạng nửa hình elip nằm ở góc phần tư thứ nhất và có dạng nét đứt trên hình vẽ. - Đặc điểm: + Ưu điểm Vốn đầu tư nhỏ, hệ đơn giản, chắc chắn. Độ cứng đặc tính cơ cao, xấp xỉ đặc tính cơ tự nhiên. + Nhược điểm Điện áp dạng xung gây ra tổn thất phụ lớn trong động cơ Hệ thống có thể làm việc ở trạng thái dòng gián đoạn với những đặc tính kém ổn định và tổn thất năng lượng nhiều. M kk RR k U M kk RR k U e ba ee ba e ba . .. . . .. 2 ¦1 2 ¦ Φ +−Φ=Φ +−Φ= μμ γω ω γ = 0 γ = 1 I, M ωo Iblt ωblt 0 Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT Đồ án tốt nghiệp Bộ môn TBĐ - ĐT CHƯƠNG II KHÁI QUÁT VỀ NGUỒN CHỈNH LƯU Bộ chỉnh lưu là bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều. Bộ biến đổi này có thể là chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh lưu có điều khiển. Các bộ chỉnh lưu có điều khiển có thể trao đổi năng lượng theo 2 phía: khi năng lượng truyền từ lưới xoay chiều sang tải bộ nguồn làm việc ở chế độ chỉnh lưu, khi năng lượng truyền theo chiều ngược lại từ tải một chiều về lưới xoay chiều thì bộ nguồn làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới. Dưới đây ta xét một số sơ đồ chỉnh lưu thường gặp: 1. Chỉnh lưu cả chu kì với biến áp trung tính a. Sơ đồ động lực Theo hình dạng sơ đồ thì biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt nhau, mỗi cuộn làm việc ở nửa chu kì. b. Đường cong c. Nguyên lý + Để điều khiển được điện áp và dòng điện tải ta điều khiển góc mở α của Tiristo hay thời điểm mở. Tiristo muốn mở được phải có 2 điều kiện: điện áp anod dương hơn so với catod và có dòng điện điều khiển. + Khi Tiristo T1 được mở sẽ có dòng điện chạy qua tải và duy trì T1 ở trạng thái dẫn tới lúc dòng điện bằng không, lúc đó điện áp đổi dấu và kích mở T2 ngay lập tức, T2 chuyển sang dẫn. 0 α1 α2 α3 Ud Id t Tải điện cảm lớn T2 U1 RU2 U