i thiet ke che tao bo chinh luu cau mot pha co dieu khien doc
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (525.22 KB, 54 trang )
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
-
--------o0o---------
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
---------***---------
ĐỀ TÀI MÔN HỌC
Nhóm sinh viên thực hiện : 1. Mai
Đức Khải
2. Nguyễn Hữu Khải
Khoá học
Ngành đào tạo
: 2017-2018
: Điện Tử Công Nghiệp
Tên đề tài:
Thiết kế chế tạo mạch điều khiển tốc độ động cơ DC dùng chỉnh lưu cầu 1 pha
bán điều khiển
Số liệu cho trước:
- Động cơ có các thông số Uđm= 220V(DC),Pđm =200W,Iđm= 1A
N=2000 V/ph.
- Các trang thiết bị máy móc
- Tài liệu chuyên môn
Nội dung cần hoàn thành:
1.
2.
3.
4.
5.
Phân tích, lựa chọn phương án
Lý thuyết và các vấn đề liên quan .
Phân tích, lựa chọn thiết bị.
Lập trình điều khiển và mô phỏng.
Sản phẩm của đề tài : Quyển thuyết minh và các bản vẽ,
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Đỗ Công Thắng
1
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn
........................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.....
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
Ngày ... Tháng... Năm 2017
Giáo Viên Hướng Dẫn
2
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
Nhận xét của giáo viên phản biện
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
Ngày ... Tháng... Năm 2017
Giáo viên phản biện
3
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
Lời nói đầu
Ngày nay, điện tử công suất đã và đang đóng 1 vai trò rất quan trọng trong quá
trình công nghiệp hoá đất nước. Sự ứng dụng của điện tử công suất trong các hệ thống
truyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việc dễ dàng tự
động hoá cho các quá trình sản xuất. Các hệ thống truyền động điều khiển bởi điện tử
công suất đem lại hiệu suất cao. Kích thước, diện tích lắp đặt giảm đi rất nhiều so với
các hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ, máy phát - động cơ ...
Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điện tử công suất chúng
em đã được giao thực hiện đề tài: “Thiết kế chế tạo mạch điều khiển tốc độ động
cơ DC dùng chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển
Với sự hướng dẫn của Thầy: Đỗ Công Thắng, chúng em đã tiến hành nghiên
cứu và thiết kế đề tài.
Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạn nên
không thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy cô đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiện
hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn.
Nhóm sinh viên thực hiện
1.Mai Đức Khải
2.Nguyễn Hữu Khải
4
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT CHUNG VỀ
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1. Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều
Như ta đã biết máy phát điện một chiều có thể dùng làm máy phát điện hoặc động
cơ điện. Động cơ điện một chiều là thiết bị quay biến đổi điện năng thành cơ năng.
Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Động cơ điện một chiều được
sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và giao thông vận tải. Động cơ điện một chiều
gồm những loại sau đây:
- Động cơ điện một chiều kích từ song song
- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần : Phần tĩnh (stator) và phần động (rôtor)
1.2.1. Phần tĩnh (stator)
Gồm các phần chính sau:
a. Cực từ chính:
Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích
từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện. Cực từ
được gắn chặt vào vỏ nhờ các bulông. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc
cách điện.
b. Cực từ phụ:
Cực từ phụ đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều
c. Gông từ:
Dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy.
d. Các bộ phận khác
- Nắp máy
- Cơ cấu chổi than.
1.2.2. Phần quay (rotor)
Gồm các bộ phận sau:
5
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
a. Lõi sắt phần ứng:
Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ. thông thường dùng những lá thép kỹ thuật điện
dày 0,5 mm phủ cách điện ở hai đầu rồi ép chặt lại. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh
để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào
b. Dây quấn phần ứng:
Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua. Thường làm
bằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện tròn,
trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn được
cách điện với rãnh của lõi thép.
c. Cổ góp:
Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điện
xoay chiều thành một chiều. cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cách điện
với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn. Đuôi vành
góp có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các
phiến góp được dễ dàng.
d. Các bộ phận khác:
- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy.
- Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy
thường làm bằng thép Cacbon tốt.
1.3. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều:
b
A
F® t
+
n
I
a
I
c
F® t
B
d
-
Hình 1:Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều
Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phần ứng có
dòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực điện từ
Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái.
6
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
Khi phần ứng quay được nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ 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 chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Ở động cơ điện một chiều sức điện động E ư ngược chiều với dòng điện I ư nên Eư
còn gọi là sức phản điện động.
Phương trình cân bằng điện áp: U= Eư+Rư.Iư
Trong đó:
Rư: điện trở phần ứng
Iư: dòng điện phần ứng
Eư: sức điện động
Theo yêu cầu của đề bài ta xét hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều kích
rừ độc lập. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có dòng điện kích từ không phụ
thuộc vào dòng điện phần ứng nghĩa là từ thông của động cơ không phụ thuộc vào phụ
tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ.
+
-
U
I
E
KT
IKT
+
UKT
-
Hình2 : Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
1.4. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập
Đặc tính cơ là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen (M) của động cơ.
7
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
Ứng với chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông...) động cơ vận hành ở chế độ định
mức với đặc tính cơ tự nhiên (Mđm , wđm).
Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các thông số nguồn hay nối
thêm điện trở phụ, điện kháng vào động cơ.
Để đánh giá, so sánh các đặc tính cơ người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ β
được tính như sau ∆β =
∆M
∆ω
β lớn (đặc tính cơ cứng) tốc độ thay đổi ít khi M thay đổi
β nhỏ (đặc tính cơ mềm) tốc độ giảm nhiều khi M tăng.
đặc tính cơ tuyệt đối cứng.
1.4.1.Sơ đồ nguyên lý:
+
-
U
+
E
CKT
Rf
RKT
.Sơ đồ nguyên lý
IKT
CKT
E
-
U
Rf
RKT
Hình 3: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều
. Khi nguồn điện 1 chiều có công suất lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ
thường mắc song song với mạch phần ứng.
Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và
mạch kích từ mắc vào 2 nguồn một chiều độc lập
1.4.2.Phương trình đặc tính cơ:
Trường hợp Rf= 0:
U= E + Iư.Rư
(1)
Trong đó:
8
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
E= Ke. Φ .n
Ke =
p.n
60a
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
(2)
: hệ số sức điện động của động cơ
a: số mạch nhánh song song của cuộn dây
K=
p.n
: hệ số cấu tạo của động cơ
2 aπ
ω : tốc độ góc tính bằng rad/s
p: số đôi cực chính
N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
Thế (2) vào (1) ta có: ω =
Uu
R
− u Iu
K .φ K .φ
U
R
u
u
n= K .φ − K .φ I u
e
e
Hoặc:
(3)
(4)
Phương trình (4) biểu diễn mối quan hệ n= f(I ư) gọi là phương trình đặc tính cơ
điện.
Mặt khác: M= M= K.Ф.Iư (5): là mômen điện từ của động cơ.
U
R
u
u
Suy ra: n= K .φ − K .φ .K .M
e
e
Φ
là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1
chiều kích từ độc lập.
U
R
u
u
M = ω 0 − ∆ω
Hoặc: ω = K .φ −
( K .φ ) 2
trong đó: ω 0 : tốc độ không tải lý tưởng
∆ω : độ sụt tốc độ
1.4.3.Ảnh hưởng của các thông số tới tốc độ động cơ:
Từ phương trình đặc tính cơ: ω =
U u Ru + R f
−
M ta nhận thấy muốn thay đổi tốc
K .φ ( K .φ ) 2
độ ω ta có thể thay đổi φ , Rf , U.
• Trường hợp Rf thay đổi (Uư= Uđm= const; Ф= Фđm= const):
9
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
( Kφ dm ) 2
∆M
Độ cứng đặc tính cơ: β =
= − R + R giảm. Nếu Rf càng lớn thì tôcf độ động
∆ω
u
f
cơ càng giảm đồng thời dòng ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên
người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng và điều chỉnh tốc độ động
cơ ở phía dưới tốc độ cơ bản.
• Trường hợp thay đổi U< Uđm
Tốc độ không tải ω0 =
U
( Kφ ) 2
∆M
−
=
giảm trong khi độ cứng đặc tính cơ β =
=
Kφ
Ru
∆ω
const. Khi thay đổi điện áp ta thu được 1 họ các đường đặc tính song song. Phương
pháp này được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng khởi động.
• Ảnh hưởng của từ thông:
Muốn thay đổi Φ ta thay đổi dòng kích từ Ikt khi đó tốc độ không tải ω =
cứng đặc tính cơ: β =
U dm
tăng. Độ
Kφ
( Kφ ) 2
∆M
−
=
giảm.
Ru
∆ω
1.5. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
1.5.1. Khái niệm chung:
1.5.1.1. Định nghĩa:
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông
số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông… Từ
đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu. Có
hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:
Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ
trục động cơ đến cơ cấu máy sản suất.
Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của
cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh. Vì vậy, ta khảo sát sự điều chỉnh tốc độ
theo phương pháp thứ hai.
10
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc độ khi phụ tải
thay đổi của động cơ điện.
Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so
với các loại động cơ khác. Không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà
cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lại đạt chất lượng
điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng.
1.5.1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ:
Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứ vào các
chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện:
a. Hướng điều chỉnh tốc độ:
Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ lớn hơn hay bé
hơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơ điện trên đường đặc tính cơ tự
nhiên.
b.Phạm vi điều chỉnh tốc độ (dãy điều chỉnh):
Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất n max và tốc độ bé nhất n min
mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức: D = nmax/nmin.
Trong đó:
- nmax: Được giới hạn bởi độ bền cơ học.
- nmin: Được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ, thông thường người ta chọn
nmin làm đơn vị.
Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu của từng hệ
thống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh.
c. Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ:
Độ cứng: β = ∆M/∆n. Khi β càng lớn tức ∆M càng lớn và ∆n nhỏ nghĩa là độ ổn
định tốc độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều. Phương pháp điều chỉnh tốc độ tốt nhất
là phương pháp mà giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng của đường đặc tính cơ. Hay nói
cách khác β càng lớn thì càng tốt.
d. Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ:
11
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ. Độ liên tục khi điều chỉnh tốc
độ γ được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau:
ni
γ= n
i +1
Trong đó: ni : Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i.
ni + 1: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 ).
Với ni và ni + 1 đều lấy tại một giá trị moment nào đó.
γ tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục. Lúc này hai cấp
tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điều chỉnh tốc độ vô cấp.
γ ≠ 1 : Hệ thống điều chỉnh có cấp.
e. Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ:
Hệ thống truyền động điện có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suất làm việc
của động cơ η là cao nhất khi tổn hao năng lượng ∆Pphụ ở mức thấp nhất.
f. Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ:
Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện có tính kinh tế cao nhất là một hệ thống
điều chỉnh phải thỏa mãn tối đa các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Đồng thời hệ thống
phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành thấp nhất, sử dụng thiết bị phổ
thông nhất và các thiết bị máy móc có thể lắp ráp lẫn cho nhau.
1.5.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng:
Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện áp
trên mạch phần ứng thì dòng điện, moment sẽ không thay đổi. Để tránh những biến
động lớn về gia tốc và lực động trong hệ điều chỉnh nên phương pháp điều chỉnh tốc độ
bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng thường được áp dụng cho động cơ một
chiều kích từ độc lập.
Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồn điều áp như:
máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ… Các bộ biến đổi trên
dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng một chiều và điều chỉnh giá trị
sức điện động của nó cho phù hợp theo yêu cầu.
12
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
n=
R +Rf
U
− u
M
K E Φ K E K M Φ2
Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
Ta có tốc độ không tải lý tưởng: n0 = Uđm/KEΦđm. Độ cứng của đường đặc tính cơ:
Khi thay đổi điện áp đặt lên phần ứng của động cơ thì tốc độ không tải lý tưởng sẽ
thay đổi nhưng độ cứng của đường đặc tính cơ thì không thay đổi.
β=
dM
K K Φ2
=− E M
dn
Ru + R f
Như vậy: Khi ta thay đổi điện áp thì độ cứng của đường đặc tính cơ không thay đổi.
Họ đặc tính cơ là những đường thẳng song song với đường đặc tính cơ tự nhiên:
n
n0
ncb
n1
n2
n3
TN ( Uđm )
MC
U1
U2
U3
Uđm > U1 > U2 > U3
ncb > n1 > n2 > n3
M
Hình 4: Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng thực chất là
giảm áp và cho ra những tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản n cb. Đồng thời điều chỉnh nhảy
cấp hay liên tục tùy thuộc vào bộ nguồn có điện áp thay đổi một cách liên tục và ngược
lại.
Theo lý thuyết thì phạm vi điều chỉnh D = ∞. Nhưng trong thực tế động cơ điện một
chiều kích từ độc lập nếu không có biện pháp đặc biệt chỉ làm việc ở phạm vi cho phép:
Umincp =
U đm
nghĩa là phạm vi điều chỉnh:
10
13
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
D = ncb/nmin = 10/1. Nếu điện áp phần ứng U < U mincp thì do phản ứng phần ứng sẽ làm
cho tốc độ động cơ không ổn định.
•
Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào
phần ứng động cơ sẽ giữ nguyên độ cứng của đường đặc tính cơ nên được dùng
nhiều trong máy cắt kim loại và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb.
• Ưu điểm: Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để, vô cấp có nghĩa là có thể điều
chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi ở không tải lý tưởng.
• Nhược điểm: Phải cần có bộ nguồn có điện áp thay đổi được nên vốn đầu tư cơ
bản và chi phí vận hành cao.
1.5.3. Điều chỉnh tốc độ bằng các thay đổi từ thông:
+
•
•
U
-
Iư
Eư
Ckt
+
•
Rkt
Ukt
•
•
-
Hình 5: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh moment
điện từ của động cơ M = KMφIư và sức điện động quay của động cơ
Eư = KEφn. Thông thường, khi thay đổi từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên
giá trị định mức.
Đối với các máy điện nhỏ và đôi khi cả các máy điện công suất trung bình, người ta
thường sử dụng các biến trở đặt trong mạch kích từ để thay đổi từ thông do tổn hao
công suất nhỏ. Đối với các máy điện công suất lớn thì dùng các bộ biến đổi đặc biệt
như: máy phát, khuếch đại máy điện, khuếch đại từ, bộ biến đổi van…
14
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
Thực chất của phương pháp này là giảm từ thông. Nếu tăng từ thông thì dòng điện
kích từ Ikt sẽ tăng dần đến khi hư cuộn dây kích từ. Do đó, để điều chỉnh tốc độ chỉ có
thể giảm dòng kích từ tức là giảm nhỏ từ thông so với định mức. Ta thấy lúc này tốc độ
U
tăng lên khi từ thông giảm: n = K .Φ
E
Mặt khác ta có: Moment ngắn mạch Mn = KM Φ In nên khi Φ giảm sẽ làm cho Mn
giảm theo.
β =−
K E K M Φ2
R
Độ cứng của đường đặc tính cơ:
Khi Φ giảm thì độ cứng β cũng giảm, đặc tính cơ sẽ dốc hơn. Nên ta có họ đường
đặc tính cơ khi thay đổi từ thông như sau:
n
n1
n2
ncb
0
Φ1
MC M2
φñm > φ1 > φ2
Φ2
M1
ncb < n1 < n2
Φ đm
M
Mn
Hình 6: Họ đặc tính cơ khi thay đổi từ thông
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh được
tốc độ vô cấp và cho ra những tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản.
Theo lý thuyết thì từ thông có thể giảm gần bằng 0, nghĩa là tốc độ tăng đến vô cùng.
Nhưng trên thực tế động cơ chỉ làm việc với tốc độ lớn nhất:
nmax
3
nmax = 3.ncb tức phạm vi điều chỉnh: D = n =
1
cb
Bởi vì ứng với mỗi động cơ ta có một tốc độ lớn nhất cho phép. Khi điều chỉnh tốc
độ tùy thuộc vào điều kiện cơ khí, điều kiện cổ góp động cơ không thể đổi chiều dòng
điện và chịu được hồ quang điện. Do đó, động cơ không được làm việc quá tốc độ cho
phép.
15
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều
chỉnh tốc độ vô cấp và cho những tốc độ lớn hơn ncb. Phương pháp này được dùng để
điều chỉnh tốc độ cho các máy mài vạn năng hoặc là máy bào giường. Do quá trình điều
chỉnh tốc độ được thực hiện trên mạch kích từ nên tổn thất năng lượng ít, mang tính
kinh tế.
1.5.4. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng:
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng
có thể được dùng cho tất cả động cơ điện một chiều. Trong phương pháp này điện trở
phụ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ theo sơ đồ nguyên lý như sau:
+
•
•
U
Iö
•
Rf
E
•
Ckt Rkt
+
•
-
UKT
•
-
Hình 7: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên
mạch phần ứng.
Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
n=
Ru +R f
U
−
M
K E Φ K E K M Φ2
Khi thay đổi giá trị điện trở phụ R f ta nhận thấy tốc độ không tải lý tưởng: và độ
cứng của đường đặc tính cơ:
n0 =
U dm
= const
K E Φ dm
; β = − KE KM Φ
2
dm
Ru + R f
16
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
sẽ thay đổi khi giá trị Rf thay đổi. Khi Rf càng lớn, β càng nhỏ nghĩa là đường đặc tính
cơ càng dốc. Ứng với giá trị Rf = 0 ta có độ cứng của đường đặc tính cơ tự nhiên được
tính theo công thức sau:
βTN = −
K E K M Φ2 dm
Ru
Ta nhận thấy βTN 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 giá trị Rf ta được họ đặc tính cơ như sau:
n
n0
ncb
n1
TN
Rf1
n2
Rf2
n3
0
0 < Rf1 < Rf2 < Rf3
ncb > n1 > n2 > n3
MC
M, I
Rf3
Hình 8:Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng.
Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng
được giải thích như sau: Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với tốc độ n 1 ta đóng
thêm Rf vào mạch phần ứng. Khi đó dòng điện phần ứng I ư đột ngột giảm xuống, còn
tốc độ động cơ do quán tính nên chưa kịp biến đổi. Dòng I ư giảm làm cho moment động
cơ giảm theo và tốc độ giảm xuống, sau đó làm việc xác lập tại tốc độ n2 với n2 > n1.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ này chỉ có thể điều chỉnh tốc độ n < n cb. Trên thực tế
không thể dùng biến trở để điều chỉnh nên phương pháp này sẽ cho những tốc độ nhảy
cấp tức độ bằng phẳng γ xa 1 tức n1 cách xa n2, n2 cách xa n3…
Khi giá trị nmin càng tiến gần đến 0 thì phạm vi điều chỉnh:
ncb
D= n
≈∞
min
17
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
Trong thực tế, Rf càng lớn thì tổn thất năng lượng phụ tăng. Khi động cơ làm việc ở
tốc độ n = ncb/2 thì tổn thất này chiếm từ 40% đến 50%. Cho nên, để đảm bảo tính kinh
tế cho hệ thống ta chỉ điều chỉnh sao cho phạm vi điều chỉnh:
D=
(2 ÷ 3)
1
Khi giá trị Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm. Đồng thời dòng điện ngắn
mạch In và moment ngắn mạch Mn cũng giảm. Do đó, phương pháp này được dùng để
hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản. Và tuyệt đối không được
dùng cho các động cơ của máy cắt kim loại.
Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch
phần ứng chỉ cho những tốc độ nhảy cấp và nhỏ hơn ncb.
Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cho cần trục,
thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép.
Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng vào càng
lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi phụ tải thay đổi
càng kém. Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổn hao phụ càng
tăng.
1.5.5. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng các rẽ mạch phần ứng:
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch
phần ứng có sơ đồ nguyên lý như sau:
+
U
•
•
•
RS
E
•
-
Rn
IS
•
Iư
•
In
•
Ckt
Rkt
tttt
T
Hình 9: Sơ đồ nguyên lý phương pháp
điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng.
18
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
Một hệ thống khi điều chỉnh cần tốc độ nhỏ hơn n cb và điều chỉnh nhảy cấp. Hệ
thống có độ cứng tương đối lớn và thiết bị vận hành đơn giản thì người ta dùng phương
pháp rẽ mạch phần ứng hay còn gọi là phân mạch.
Theo phương pháp rẽ mạch phần ứng thì phần ứng động cơ nối song song với điện
trở và nối nối tiếp với một điện trở khác. Phương pháp này giống với phương pháp thay
đổi điện trở trên mạch phần ứng nhưng điện áp phần ứng lại không thay đổi. Do đó,
phương pháp này đòi hỏi phải:
- Điện áp đặt vào phần ứng động cơ không thay đổi.
- Vì dòng kích từ không thay đổi nên khi điều chỉnh tốc độ, từ thông không đổi làm
cho moment phụ tải cho phép được giữ không đổi và bằng trị số định mức.
Ta có phương trình đặc tính cơ:
R S Rn
RS
R S + Rn
U
n=
−
M
K E Φ R S + Rn
KE KM Φ2
R S Rn
Ru +
RS
R S + Rn
n = n0
−
M
R S + Rn
KE K MΦ2
Ru +
⇒ n' 0 = n0
RS
< n0
R S + Rn
Từ phương trình trên, ta nhận thấy tốc độ động cơ nĐ < ncb. Mặt khác ta có:
Ru + Rn > Ru +
RS
> Ru
R S + Rn
β R f = β Rn < β PM < β TN
Độ cứng của đường đặc tính cơ rẽ mạch phần ứng βPM nhỏ hơn độ cứng của đặc tính
cơ tự nhiên βTN nhưng lại lớn hơn độ cứng của đặc tính cơ có điện trở phụ βRf với điện
trở phụ chính là Rn.
Để điều chỉnh tốc độ động cơ trong trường hợp này ta tiến hành như sau:
• Giữ nguyên Rn, thay đổi giá trị RS:
19
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
- Khi RS = 0: Đây là trạng thái hãm động năng với tốc độ hãm động năng
nHĐN = 0.
− Khi : R S = ∞ : I A =
U dm
Rn
Ta có họ đặc tính cơ như sau :
n
n0
RS2
RS1
TN
n3
n2
n1
RS1 < RS2
n1 < n2
IA
MC
•
I
RS = 0
RS = ∞
Hình 10: Họ đặc tính cơ khi Rn = const, RS thay đổi.
Như vậy, khi giữ nguyên Rn, thay đổi giá trị RS thì vùng điều chỉnh tốc độ bị hạn chế
và modun độ lớn đặc tính cơ tăng dần khi tốc độ giảm.
• Giữ nguyên RS, thay đổi giá trị Rn:
Khi Rn = 0: RS không ảnh hưởng đến đường đặc tính cơ. Lúc này ta xem R S như
là tải nối song song với động cơ. Ta có được đường đặc tính cơ tự nhiên.
Khi Rn = ∞: Động cơ điện bị hở mạch nên không có điện áp rơi trên phần ứng
động cơ. Đây là trạng thái hãm động năng với RHĐN = RS. Ta có : IB = Uđm/RS.
Ta có họ đặc tính cơ như sau: n
n0
nc
TN ( RN =
0)
b
n1
Rn1
n2
0
n2 < n1 < ncb
Rn2
I
IB
MC
20
Hình11: họ đặc tính cơ khi RS = const, Rn thay đổi.
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
Vậy, khi giữ nguyên RS và thay đổi Rn thì phạm vi điều chỉnh không bị hạn chế
như trường hợp trên. Nhưng khi tốc độ giảm xuống thì độ cứng đường đặc tính cơ lại bị
giảm xuống.
• Ngoài ra còn có phương pháp thay đổi đồng thời giá trị của RS và Rn:
Phương pháp này thường được sử dụng trong thực tế. So với phương pháp điều
chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng ta nhận thấy: Khi tốc độ và
moment động cơ như nhau nghĩa là khi công suất cơ như nhau dòng điện nhận từ lưới
trong sơ đồ rẽ mạch phần ứng luôn luôn lớn hơn trong sơ đồ điều chỉnh bằng điện trở
phụ trên mạch phần ứng một lượng bằng dòng điện chạy qua RS.
Phương pháp này chỉ dùng cho cần trục, cầu trục, thang máy, máy cán thép. Đồng thời
tuyệt đối không dùng cho máy cắt kim loại.
Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng thì điều
chỉnh tốc độ nhảy cấp và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb.
Ưu điểm:
- Với cùng một tốc độ yêu cầu thì độ cứng của đường đặc tính cơ phân mạch có
độ cứng lớn hơn đặc tính cơ dùng điện trở phụ trên mạch phần ứng.
- Thiết bị vận hành đơn giản.
21
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
CHƯƠNG 2
CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CÔNG SUẤT
I) Điode
a.Cấu tạo
- Điode gồm hai lớp bán dẫn loại P và N dược ghép tĩnh điện với nhau, thông
thường diode được tạo bởi hai lớp bán dẫn Silic loại P và N, bán dẫn loại P là loại bán
dẫn dẫn điện bởi các hạt lỗ trống mang điện tích dương. Bán dẫn loại N dẫn điện bởi
các hạt mang điện tích âm.
- Kí hiệu của điode:
A
K
P
-
-+
+
+
N
b.Nguyên lý hoạt động của điode
Khi ghép hai bán dẫn loại P và N lại với nhau thì tại mặt ghép sẽ hình thành một
lớp tiếp xúc P-N kí hiệu là J. Tại lớp tiếp xúc các điện tử âm tự do từ lớp bán dẫn loại N
chuyenr sang lớp bán dẫn loại P chúng tái hợp với các lỗ trống trở nên trung hòa về
điện. Phía lớp bán dẫn loại P do mất lõ trống nên trở thành điện tích âm. Phía bán dẫn
loại N do mất các điện tử nên mang điện tích dương. Do vậy một điện trường ở lớp tiếp
xúc P-N được hình thành và hướng từ P sang N. Điện trường này giống như một bức
rào ngăn không cho lỗ trống từ P sang N và từ N sang P
Khi nối P sang N một nguồn điện một chiều để tạo sự phân cực, cực dương của
nguồn nối vào lớp bán dẫn P, cực âm nối vào lớp N thì sẽ có một điện trường ngoài
hướng từ P sang N. Điện trường này mạnh hơn điện trường lớp tiếp xúc và ngược chiều
22
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
điện trường lớp tiếp xúc. Chính điện trường này giúp lỗ trống tiếp tục từ P sang N và
điện tử từ N sang P tạo thành dòng điện thuận qua lớp tiếp xúc P sang N.
Nếu nối với nguồn điện mọt chiều để phân cực ngược tức là dương nguồn nối với
bán dẫn N, âm nguồn nối với Anôt thì sẽ có một điện trường ngoài hướng từ N sang P
cùng chiều với điện trường lớp tiếp xúc, sẽ cản trở sự chuyển dịch của lỗ trống từ P
sang N và điện tử từ N sang P, vùng cách điện càng rộng ra, không có dòng điện nào
chạy qua được các mặt ghép P-N. Ta nói mặt ghép bị phân cực ngược.
P
-
-+
+
+
P
N
-
-+
+
+
ENG
-
E+NG -
Phân cực thuận
N
+
Phân cực ngược
Hình 2: Phân cực cho diode
c. Đặc tính vôn-ampe
Đặc tính vôn-ampe của diode biểu thị quan hệ f(u,i) giữa dòng điện qua diode và
điện áp đặt vào hai cực của diode
Đặc tính vôn-ampe gồm hai nhánh
A
U
ngmax
Dòng rò
0
UD0
23
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
Hình 3: Đặc tính vôn-ampe của diode
+ Nhánh thuận ứng với phân áp thuận: Dòng điện đi qua diode vượt một ngưỡng U n cỡ
0,1 đến 0,5 v và chưa lớn lắm thì đặc tính có dạng Parabol (nhánh 1). Khi điện áp lớn
hơn thì đặc tính như đường thẳng (2).
+ Nhánh ngược ứng với phân áp ngược: Lúc đầu điện áp ngược tăng thì dòng điện
ngược rất nhỏ cũng tăng nhưng rất chậm (3) tới điện áp ngược U=12v thì dòng điện
ngược có trị số nhỏ vài mA và gần như giữ nguyên. Sau đó khi điện áp ngược đủ lớn
U>Ungmax thì dòng điện ngược tăng nhanh (4) và cuối cùng diode bị đánh thủng (5). Để
đảm bảo an toàn cho diode làm việc với điện áp ngược 0,8Ungmax. Qua đặc tính Vônampe cho thấy tùy theo điều kiện phân áp mà diode có thể dẫn dòng hay không dẫn
dòng, diode là một van bán dẫn chính nhờ tính chất này được sử dụng để chỉnh lưu
dòng điện xoay chiều thành một chiều.
II) Thysistor
a. Cấu tạo, ký hiệu
- Cấu tạo: Thysistor là thiết bị gồm 4 lớp bán dẫn P 1,N1,P2,N2 ghép lại tạo ra ba lớp tiếp
xúc J1,J2,J3
- Ký hiệu:
A
P1
N
P2
1
N
K
G
A
K
2
G
b. Nguyên lý làm việc
- Khi đặt thysistor vào điện áp một chiều, A nốt nối vào cực dương, Katốt nối vào
cực âm của nguồn. Khi đó J1, J3 được phân cực thuận J2 bị phân cực ngược, gần như
toàn bộ điện áp nguồn đặt lên mặt ghép J2. Điện trường Ei của J2 có chiều từ N1 sang P2.
Điện trường ngoài tác dụng cùng chiều với Ei, vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện
càng mở rộng ra, không có dòng chảy qua thysistor, mặc dù nó dược đặt điện áp.
24
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ
- Để mở thysistor ta đặt một xung điện áp U g tác động vào cực G (dương so với K)
các điện tử từ N2 sang P2 và một số ít chúng chảy vào nguồn Ug và hình thành dòng điều
khiển ig chảy theo mạch G-J3-K-G, còn phần điện tử chịu sức hút của điện trường tỏng
hợp của mặt ghép J2 lao vào vùng chuyển tiếp này, chúng được tăng tốc bắn phá J 2,
vùng chuyển tiếp J2 bị trọc thủng làm xuất hiện ngày càng nhiều điện tử chảy vào N 1
qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài gây nên hiện tượng dẫn điện ồ ạt, J 2 trở
thành mặt ghép dẫn điện bắt đầu từ một điểm nào đó ở xung quanh cực G rồi phát tán ra
toàn bộ mặt ghép nên thysistor được mở.
A
P1
N
P2
1
N
K
2
G
Rt
Rt
R1
K
_
+
+
_E
T
E
R2
Hình 4: mở thysistor
Mở thysistor bằng cách ấn công tắc K là đơn giản nhất. một thysistor đã mở
thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển ig là không còn cần thiết nữa.
- Khóa Thysistor
Có hai cách để khóa thysistor:
+ Cách 1: Giảm dòng điện ở A nốt xuống đến giá trị của dòng điện duy trì khi
thysistor được phân áp thuận thì lớp J2 có điện trở lớn làm cho dòng qua Thysistor rất
nhỏ lúc đó thysistor sẽ bị khóa lại.
+ Cách 2: Đặt một điện áp ngược lên thysistor ( biện pháp thường dùng) khi đặt
điện áp ngược lên T có UAk< 0 hai mặt ghép J1 và J3 bị phân cực ngược J2 phân cực
25
