Điều khiển tốc độ động cơ dùng bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển bán phần

ập. Dòng điện kích từ của máy lấy từ nguồn điện khác không liên hệ với phần ứng của máy. H 1.9 : MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Dòng điện phần ứng Iư bằng dòng điện tải I. Phương trình dòng điện là : Iư = I ( 1.18 ) Phương trình cân bằng điện áp là: U = Eư – RưI ( 1.19 ) Mạch kích từ : Ukt = Ikt(Rkt + Rđc) ( 1.20 ) Trong đó : Rư là điện trở dây quấn phần ứng . Rkt là điện trở dây quấn kích từ Rđc là điện trở điều chỉnh Khi dòng điện tải I tăng , dòng điện phần ứng tăng , điện áp U giảm xuống do hai nguyên nhân sau : Tác dụng của từ trường phần ứng làm cho từ thông giảm , kéo theo sức điện động Eư giảm . Điện áp rơi trong mạch phần ứng RưIư tăng. Máy phát kích từ độc lập có ưu điểm về hiệu chỉnh điện áp , thường gặp trong các hệ thống máy phát - động cơ để truyền động máy cán , máy cắt kim loại , thiết bị tự động trên tàu thủy , máy bay song có nhược điểm là cần có nguồn điện kích từ riêng. Máy điện một chiều kích từ song song . Dây quấn kích từ nối song song với mạch phần ứng. Để thành lập điện áp cần thực hiện một quá trình tự kích từ . Lúc đầu , máy không có dòng điện kích từ , từ thông trong máy do từ dư của cực từ tạo ra , bằng khoảng 2÷ 3% từ thông định mức . Khi quay phần ứng , trong dây quấn phần ứng sẽ có sức điện động cảm ứng do từ thông dư sinh ra . Sức điện động này khép mạch qua dây quấn kích từ ( điện trở mạch kích từ ở vị trí nhỏ nhất ), sinh ra dòng điện kích từ , làm tăng trường cho máy . Quá trình tiếp tục cho đến khi điện áp ổn định . Để máy có thể thành lập điện áp , cần thiết phải có từ dư và chiều từ trường dây quấn kích từ phải cùng chiều từ trường dư . Nếu không còn từ dư , ta phải mồi để tạo từ dư , nếu chiều hai từ trường ngược nhau , ta phải đổi cực tính dây quấn kích từ hoặc đổi chiều quay phần ứng . Phương trình cân bằng điện áp là : Mạch phần ứng : U = Eư – RưIư (1.21 ) Mạch kích từ : U = Ikt (Rkt + Rđc) ( 1.22 ) Phương trình dòng điện : Iư = I + Ikt ( 1.23 ) Khi dòng điện tải tăng , dòng điện phần ứng tăng , ngoài hai nguyên nhân làm điện áp U đầu cực giảm , như máy phát điện kích từ độc lập , ở máy kích từ song song , còn thêm một nguyên nhân nữa là khi U giảm , làm cho dòng điện kích từ giảm , từ thông và sức điện động càng giảm , chính vì thế đường đặc tính ngoài dốc hơn so với máy kích từ độc lập . Từ dương đặc tính ta thấy , khi ngắn mạch , điện áp U = 0, dòng kích từ bằng không , sức điện động trong máy chỉ do từ dư sinh ra vì thế dòng điện ngắn mạch In nhỏ hơn dòng điện định mức . Để điều chỉnh điện áp ta phải điều chỉnh dòng điện kích từ, đường đặc tính điều khiển Ikt = f(I), khi U, n không đổi . H 1.10: MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG Máy điện một chiều kích từ nối tiếp . Dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng . Dòng điện kích từ là dòng điện tải , do đó khi tải thay đổi , điện áp thay đổi rất nhiều , trong thực tế không sử dụng máy kích từ nối tiếp . Dạng đường đặc tính ngoài được giải thích như sau : Khi tải tăng , dòng điện Iư tăng , từ thông và Eư tăng , do đó U tăng , khi I = (2 + 2,5)Iđm, máy bão hòa thì I tăng Ugiảm . H 1.11:MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP Máy điện một chiều 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 thường là chủ yếu. Khi nối thuận , từ thông của dây quấn kích từ nối tiếp cùng chiều với từ thông của dây quấn kích từ song song , khi tải tăng , từ thông cuộn nối tiếp tăng làm cho từ thông của máy tăng lên , sức điện động của máy tăng, điện áp đầu cực của máy được giữ hầu như không đổi . Đây là ưu điểm rất lớn của máy kích từ hỗn hợp . Khi nối ngược chiều từ trường của dây quấn kích từ nối tiếp ngược với từ trường của dây quấn kích từ song song , khi tải tăng , điện áp giảm rất nhiều . Đường đặc tính ngoài dốc nên được sử dụng làm máy hàn điện một chiều . H1.12 :MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ HỖN HỢP 1.2.7 Phân loại động cơ điện một chiều Dựa vào phương pháp kích từ , việc phân loại động cơ điện một chiều , giống như đã xét với máy điện một chiều . Sức điện động của động cơ điện một chiều là : Eư = n ( 1.24 ) Đối với động cơ dòng điện Iư ngược chiều với sức điện động , nên Eư còn gọi là sức phản điện . Mômen điện từ của động cơ tính theo công thức Mđt = Iư ( 1.25 ) Đối với động cơ , mômen điện từ là mômen quay , cùng chiều với tốc độ quay n. Động cơ điện kích từ song song Để mở máy ta dùng biến trở mở máy Rmở. Để điều chỉnh tốc độ , thường điều chỉnh Rđc để thay đổi Ikt, do đó thay đổi từ thông . Phương pháp này sử dụng rất rông rãi , song cần chú ý , khi giảm từ thông, có thể dòng điện phần ứng Iư tăng quá trị số cho phép , vì thế cần có bộ phận bảo vệ , cắt điện không cho động cơ làm việc khi từ thông giảm quá nhiều . Đường đặc tính cơ n = f(M) . Đường đặc tính cơ là đường quan hệ giữa tốc độ n và mômen quay M khi điện áp U và điện trở mạch phần ứng và mạch kích từ không đổi . n = - M ( 1.26 ) Mặt khác từ biểu thức mômen điện từ M = kMIư , rút ra Iư = , thay vào biểu thức tốc độ ta có : n = -M (1.27) Nếu thêm điện trở Rp vào mạch phần ứng thì ta có phương trình: n = - M ( 1.28 ) b) Đặc tính làm việc . Đường đặc tính làm việc được xác định khi điện áp và dòng điện kích từ không đổi . Đó là các quan hệ giữa tốc độ n , mômen M, dòng điện phần ứng Iư và hiệu suất theo công suất cơ trên trục P2. Ta có nhận xét , động cơ điện kích từ song song có đặc tính cơ cứng ,và tốc độ hầu như không đổi khi công suất trên trục P2 thay đổi, chúng được dùng trong các máy cắt kim loại, các máy công cụ .v.vKhi có yêu cầu cao về điều khiển tốc độ , ta dùng động cơ kích từ độc lập. Động cơ kích từ nối tiếp Để mở máy ta dùng biến trở mở máy Rmở . Chú ý rằng , khi điều chỉnh từ thông , ta mắc biến trở song song với dây quấn kích từ nối tiếp . Đường đặc tính cơ n = f(M). Khi máy không bão hòa , dòng điện phần ứng Iư và từ thông tỷ lệ với nhau nghĩa là : Iư = kI ( 1.29 ) Do đó : M = kMIư = kMkI = ( 1.30 ) Hoặc là : = ( 1.31) Trong đó k = ( 1.3 2 ) Ta có : n = - (1.33 ) đặt =a, = b , cuối cùng ta có : n = - bRư ( 1.34) Từ phương trình trên ta thấy đặc tính cơ có dạng hypecbôn . Đường đặc tính cơ mềm , mômen tăng thì tốc độ động cơ giảm . Khi không tải hoặc tải nhỏ , dòng điện và từ thông nhỏ , tốc độ động cơ rất lớn có thể gây hỏng động cơ về mặt cơ khí , vì thế không cho phép động cơ kích từ nối tiếp mở máy không tải hoặc tải nhỏ. H 1.13 : ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ KÍCH TỪ NỐI TIẾP VÀ KÍCH TỪ HỖN HỢP c) Đường đặc tính làm việc . Động cơ được phép làm việc với tốc độ n nhỏ hơn tốc độ giới hạn ngh . Động cơ kích từ nối tiếp khi chưa bão hòa , mômen quay tỷ lệ với bình phương dòng điện , và tốc đọ giảm theo tải , động cơ kích từ nối tiếp thích hợp trong chế độ tải nặng nề , được sử dụng nhiều trong giao thông vận tải hay các thiết bị cầu trục . Động cơ kích từ hỗn hợp Các dây quấn kích từ có thể nối thuận ( từ trường hai dây quấn cùng chiều ) làm tăng từ thông hoặc nối ngược(từ trường hai dây quấn ngược chiều ) làm giảm từ thông. Đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp khi nối thuận sẽ là trung bình giữa đặc tính cơ của động cơ kích từ song song và nối tiếp . Các động cơ làm việc nặng nề , dây quấn kích từ nối tiếp là dây quấn kích từ chính , còn dây quấn kích từ song song là phụ và được nối thuận . Dây quấn kích từ song song bảo đảm tốc độ động cơ không tăng quá lớn khi mômen nhỏ. Động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích từ nối tiếp là kích từ phụ , và nối ngược có đặc tính rất cứng , nghĩa là tốc độ quay hầu như không đổi khi mômen thay đổi . Thật vậy , khi mômen quay tăng , dòng điện phần ứng tăng , dây quấn kích từ song song làm tốc độ giảm một ít , nhưng vì có dây quấn kích từ nối tiếp được nối ngược , làm giảm từ thông trong máy , sẽ tăng tốc độ động cơ lên như cũ . Ngược lại khi nối thuận , sẽ làm cho đặc tính cơ của động cơ mềm hơn , mômen mở máy lớn hơn , thích hợp với máy ép ,máy bơm, máy nghiền ,máy cán v.v. Động cơ vạn năng Trong công nghiệp cũng như trong các thiết bị điện sinh hoạt , người ta sử dụng rộng rãi động cơ có vành góp dùng được với dòng điện một chiều và cả dòng điên xoay chiều , nên gọi là động cơ vạn năng . Động cơ vạn năng thường có hai cực từ với dây quấn kích từ nối tiếp . Dòng kích từ là dòng phần ứng , nên từ thông và dòng điện phần ứng sẽ biến thiên đồng thời với nhau, bảo đảm chiều mômen quay động cơ không đổi . Động cơ vạn năng thích hợp với chế độ làm việc năng nề , nên nhiều nước sử dụng loại động cơ này trên đường sắt với lưới điện xoay chiều tần số 50 Hz . Động cơ DC kích từ vĩnh cửu Kích từ bằng nam châm vĩnh cửu từ thông không đổi vận tốc điều khiển tối đa bằng định mức . Công suất cho đến 5kW; Không bị sự cố mất kích từ . Động cơ DC servo motor Servo motor được thiết kế để vận hành với đáp ứng quá độ có chất lượng cao , điều khiển chính xác và hạn chế hiện tượng phóng tia lửa điện khi chuyển mạch. 1.3 Bộ chỉnh lưu Khái niệm chung : Bộ chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.Bộ chỉnh lưu được áp dụng làm nguồn điện một chiều có điều khiển cấp cho các thiết bị mạ, thiết bị hàn một chiều; nguồn điện cho các truyền động động cơ điện một chiều; nguồn cung cấp cho mạch kích từ của máy điện một chiều hoặc máy điện đồng bộ. bộ chỉnh lưu còn dùng để chuyển đổi điện áp xoay chiều thành dạng một chiều để truyền tải đi xa (HVDC). Bộ chỉnh lưu còn tạo thành một bộ phận trong thiết bị biến tần, cycloconventer dùng trong truyền động điện động cơ xoay chiều Công suất của các bộ chỉnh lưu có thể từ vài trăm W đến hàng chục MW. 1.3.1 Các bộ chỉnh lưu điều khiển chứa Diode- quy tắc phân tích mạch chỉnh lưu tổng quát Các diode xuất hiện trong bộ chỉnh lưu điều khiển dưới dạng mạch điều khiển bán phần hoặc dạng diode không ( diode zero), hoặc trong dạng bộ chỉnh lưu không điều khiển. Các diode dùng thay thyristor trong mạch làm giảm giá thành mạch động lực lẫn mạch điều khiển, hạn chế thành phần xoay chiều của dòng chỉnh lưu , điều này dẫn đến chất lượng dòng điện phẳng hơn. Do đó, tăng hiệu suất cũng như hệ số công suất nguồn điện. ở một vài dạng mạch, việc đưa thêm diode vào mạch làm tăng khả năng điều khiển góc trong thực tế đạt đến giá trị lý tưởng ( vídụ max=). Phân tích hoạt động của bộ chỉnh lưu chứa diode có thể dựa trên ba bước chính: 1. Tách dạng mạch chỉnh lưu cầu thành hai nhóm mạch tia mắc nối tiếp. Mỗi nhóm mạch tia gồm hai hoặc nhiều nhánh mạch tia mắc song song . Mỗi nhánh của mạch tia có thể gồm: Nguồn điện mắc nối tiếp với linh kiên: linh kiên có thể ở dạng điều khiển (SCR) hoặc không điều khiển (diode). Linh kiện : trường hợp này, nguồn điện được giả thiết bằng 0. 2. Với giả thiết dòng điện qua tải liên tục và bỏ qua tác dụng cảm kháng trong của nguồn, thực hiện phân tích giản đồ đóng ngắt các linh kiện trong từng nhóm mạch tia theo quy tắc phân tích bộ chỉnh lưu mạch tia như sau: Quy tắc 1: dấu quy ước chọn cho các điện áp pha nguồn có cực dương tiếp xúc với anode linh kiện. Trong nhóm mạch chỉnh lưu mạch tia nhiều pha, tại thời điểm đang xét giữa các thyristor được kích đồng thời, diode và linh kiện đang dẫn điện thì linh kiên nào mắc vào nguồn áp ba pha có trị tức thời lớn nhất trong tất cả các pha nguồn sẽ chuyển sang trạng thái đóng, tất cả các linh kiện còn lại bị ngắt. ( diode được xem như một dạng đặc biệt của thyristor có chế độ kích đóng liên tục). Quy tắc 2: trong trường hợp ,dấu hiệu áp pha nguồn ngược lại với quy tắc 1. trong nhóm mạch chỉnh lưu mạch tia nhiều pha, tại thời điểm đang xét, giữa các thyristor được kích đồng thời , diode và linh kiện đang dẫn điện thì linh kiện nào mắc vào nguồn áp pha có trị tức thời nhỏ nhất trong tất cả pha nguồn sẽ chuyển sang trạng thái đóng, tất cả các linh kiện còn lại bị ngắt. Khi một nhánh của mạch tia chỉ chứa linh kiện thì điện áp nguồn của nhánh đó bằng 0. Một linh kiện đang dẫn điện sẽ bị ngắt khi có linh kiện khác mắc vào nguồn áp tức thời lớn hơn được kích đóng. 3. Kết hợp giản đồ đóng ngắt linh kiện của các nhóm mạch tia để tạo thành giản đồ đóng ngắt linh kiện của bộ chỉnh lưu cầu. theo giản đồ đóng ngắt đó, ta xác định điện áp tải chỉnh lưu cầu và giải phương trình mạch để xác định dòng tải. Nếu dòng tải bị gián đoạn thì khoảng có dòng gián đoạn sẽ được thay thế bằng trạng thái không dẫn điện và dạng áp trên tải trong khoảng này được thay thế bằng sức điện động tồn tại trong mạch ( Ud = E, nếu có) hoặc bằng không (Ud=0, nếu tải RL), còn trong khoảng thời gian dòng liên tục, điện áp tải phụ thuộc vào áp nguồn và góc kích và giữ nguyên các kết quả phân tích theo quy tắc. 1.3.2 Bộ chỉnh lưu cầu một pha bán phần Phân loại: Ta có hai loại mạch như sau: Mạch đối xứng ( H 1.14a )óThay các SCR trong một nhóm bằng các diode. Mạch không đối xứng (H1.14b)óThay các SCR trong một nhánh bằng các diode. a)dạng mạch đối xứng b)dạng mạch không đối xứng H1.14: Bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển bán phần Nhóm mạch tia anode V1,V3 với các pha nguồn tương ứng là u và 0 , dấu quy ước thỏa mãn quy tắc 1. Nhóm cathode gồm V2,V4 với các pha nguồn tương ứng là u và 0, dấu nguồn thỏa mãn quy tắc 2. Giản đồ đóng ngắt linh kiện V1,V2,V3,V4 được suy ra trên H1.14 H1.15 Trạng thái áp và dòng của bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển bán phần với cấu trúc đối xứng và diode chuyển mạch. Tổng hợp giản đồ đóng ngắt linh kiện của hai nhóm mạch tia, ta có giản đồ đóng ngắt cho mạch cầu ( xem H1.15). Từ đó, quá trình điện áp và dòng điện được dẫn giải như sau: Trạng thái V1,V2 : ud = u Trạng thái V2,V3: ud = 0 Trạng thái V3,V4: ud = -u Trạng thái V4,V1: ud=0 Phương trình dòng điện áp dụng cho các trạng thái là: Trị trung bình điện áp tải: (2.32) Nếu giả thiết dòng qua tải lọc phẳng id = Id, ta có: Trị trung bình dòng qua linh kiện: (2.33) Trị hiệu dụng dòng điện qua nguồn: (2.34) . CHƯƠNG 2 HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ DC –BỘ CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN BÁN PHẦN 2.1 Hệ thống truyền động điện và các phần tử - định nghĩa Một hệ thống truyền động điện là một hệ thống máy móc được thiết kế với nhiệm vụ biến đổi cơ năng thành điện năng và bao gồm cả khả năng điều khiển bằng điện cho quá trình biến đổi này. Các hệ thống truyền động điện được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất công nghiệp , trong giao thông vận tải, trong các thiết bị điện dân dụng Ước tính khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi các hệ truyền động điện. Hệ truyền động điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc với tốc độ thay đổi được ( hệ điều tốc ). Hiện nay, khoảng 75-80% các hệ truyền động điện với tốc độ không đổi; với các hệ thống này, tốc độ hoạt động của động cơ hầu như không cần điều khiển trừ các quá trình khởi động và hãm. Phần còn lại chiếm khoảng 20-25%, là các hệ thống có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ để phối hợp được đặc tính động cơ và đặc tính tải yêu cầu. với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi xử lý hiện nay, các hệ điều tốc sử dụng kỹ thuật điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi và là công cụ không thể thiếu được trong quá trình tự động hóa và sản xuất. Bộ biến đổi Mạch động lực Tải Động cơ Nguồn Tín hiệu điều khiển Khối điều khiển Khối hồi tiếp H2.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống truyền động điện Tải trong H 2.1 ở đây là một cơ cấu máy được thiết kế để hoàn thành một chức năng nhất định. Ví dụ: máy công cụ, máy nghiền giấy, cầu trục thông thường, tải được biểu diễn qua quan hệ giữa tốc độ và mô men của nó. Quan hệ giữa tốc độ và mô men của tải được gọi là đặc tính cơ của tải. Quan hệ giữa tốc độ và mômen của động cơ được gọi là đặc tính cơ của động cơ. M M B M B’ A’ a) ω b) A ω c) ω H2.2 Các dạng đặc tính cơ của động cơ động cơ DC kích từ độc lập ; b) động cơ không đồng bộ c)động cơ đồng bộ Ngoài ra, đặc tính cơ điện là quan hệ giữa tốc độ và dòng điện của động cơ. Ta có đặc tính cơ tự nhiên của động cơ nếu động cơ được vân hành ở chế độ định mức, ví dụ : đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ nhận được khi động cơ được cung cấp điện áp và tần số định mức. Để lựa chọn một hệ thống truyền động điện thích hợp cho một ứng dụng nào đó, trước tiên đặc tính cơ của tải phải được khảo sát kỹ lưỡng. Tiếp đến, động cơ được lựa chọn cho hệ thống trên cơ sở đảm bảo thỏa mãn các yêu cầu về mômen và tốc độ của tải, đồng thời dòng điện động cơ không vượt quá các giới hạn cho phép của động cơ và của nguồn. Thông thường đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không thể thỏa mãn yêu cầu của tải. Vì vậy, một bộ biến đổi công suất dùng bán dẫn được sử dụng và đặt giữa động cơ và nguồn như H2.1. Bộ biến đổi bao gồm mạch động lực và khối điều khiển. Bộ biến đổi giữ nhiệm vụ điều khiển dòng công suất từ nguồn đến động cơ sao cho đặc tính cơ và đặc tính tốc độ của dòng điện của động cơ tương hợp với yêu cầu của tải. Khối điều khiển của bộ biến đổi có thể sử dụng kỹ thuật mạch tương tự, mạch số hoặc mạch kỹ thuật vi xử lý và hoạt động với mức điện áp và công suất thấp hơn nhiều so với mức điện áp của mạch động lực trong bộ biến đổi. Vì các lý do an toàn và tránh nhiễu phát sinh do việc đóng ngắt các linh kiện công suất, mạch động lực và mạch điều khiển thường cách ly về điện. Việc đo và hồi tiếp một số thông số của hệ thống như dòng qua bộ biến đổi, tốc độ, góc quay của động cơđược thực hiện khi có yêu cầu về điều khiển vòng kín hoặc bảo vệ hệ thống. Các tín hiệu hồi tiếp được thực hiện qua mạch hồi tiếp được thực hiện qua mạch hồi tiếp và thường sử dụng các cảm biến thích hợp để cách ly giữa mạch động lực và mạch điều khiển của hệ thống. 2.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ DC 2.2.1 Các thông số đánh giá chất lượng Độ cứng đăc tính cơ được định nghĩa : = ( 2.1 ) Với ta có đặc tính cơ cứng ; nhỏ ta có đặc tính cơ mềm . Độ ổn định tốc độ ( speed regulation ) : đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt , xác định bởi công thức : = ; % = 100 ( 2.2 ) Trong đó : là tốc độ đặt là tốc độ thực Độ trơn điều chỉnh tốc độ được định nghĩa : = ( 2.3 ) Trong đó : lần lượt là các giá trị tốc độ xác lập ổn định ở cấp thứ i và i+1. Từ đây ta có thể phân loại : Hệ truyền động là vô cấp nếu → 1, nghĩa là hệ có thể làm việc ổn định ở mọi giá trị trong suốt dải điều chỉnh tốc độ . Hệ truyền động là có cấp khi hệ chỉ có thể làm việc ổn định tại một số giá trị của tốc độ trong dải điều chỉnh tốc độ . Dải điều chỉnh tốc độ Dải điều chỉnh tốc độ hoặc phạm vi điều chỉnh tốc độ là tỷ số giữa tốc độ lớn nhất max và giá trị tốc độ nhỏ nhất min khi điều chỉnh D = ( 2.4 ) Giá trị của max thường bị hạn chế bởi độ bền cơ khí và cấu tạo của động cơ . Giá trị min bị hạn chế bởi yêu cầu về mômen khởi động , khả năng quá tải và sai số tốc độ cho phép . Như vậy , đối với truyền động điện , độ cứng đặc tính cơ ảnh hưởng lớn đến dải điều chỉnh tốc độ . Dải điều chỉnh tốc độ càng cao đòi hỏi độ cứng đặc tính cơ của hệ thống bộ biến đổi – động cơ càng lớn . Đặc tính cơ tĩnh của động cơ một chiều Với động cơ DC kích từ độc lập ,dòng phần ứng và dòng kích từ có thể điều khiển độc lập với nhau. Với động cơ kích từ song song , phần ứng và cuộn kích từ được đấu với nguồn cung cấp . Vì vậy , với loại động cơ này , dòng phần ứng hoặc dòng kích từ chỉ có thể được điều khiển độc lập bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng hoặc mạch kích từ . Tuy nhiên, đây là cách điều khiển có hiệu suất thấp . Với động cơ kích từ nối tiếp , dòng phần ứng cũng là dòng kích từ , và do đó , từ thông động cơ là một hàm của dòng phần ứng . Với động cơ kích từ hỗn hợp , cần đấu nối sao cho sức từ động (mmf- magnetomotive force) của cuộn nối tiếp cùng chiều với sức từ động của cuộn song song . Phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều là : E = K ( 2.5 ) V = E + RưIư ( 2.6 ) M = KIư ( 2.7 ) Trong đó : - từ thông trên mỗi cực (Wb); Iư – dòng phần ứng (A) ; V – điện áp phần ứng (V); Rư – điện trở phần ứng (Ω); - tốc độ góc trục động cơ (rad/s); M – mômen do động cơ sinh ra ( Nm); K – hằng số , phụ thuộc cấu trúc động cơ. Từ công thức (2.5) và (2.7) , ta có : = - Iư ( 2.8) Lưu ý là các công thức từ (2.1) đến (2.5) có thể áp dụng cho tất cả các loại động cơ một chiều đã kể ở trên. Với loại động cơ kích từ độc lập , nếu điện áp kích từ được duy trì không đổi , có thể gỉa thiết rằng từ thông động cơ cũng không đổi khi mômen thay đổi . Khi đó,ta có : K = const (2.9) Như vậy theo ( 2.8) , đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập là một đường thẳng , như vẽ trên hình 2.3 . Tốc độ không tải của động cơ xác định bởi điện áp cung cấp V và từ thông kích từ K . Tốc độ động cơ suy giảm khi mômen tải tăng và độ ổn định tốc độ phụ thuộc vào điện trở phần ứng Rư . Trong thực tế , do phản ứng phần ứng , từ thông động cơ giảm khi mômen tăng , dẫn đến tốc độ suy giảm ít hơn là tính toán theo công thức (2.8). Với mômen tải lớn, từ thông có thể suy giảm đến mức độ dốc đặc tính cơ trở nên dương dẫn đến hoạt động không ổn định . Vì vậy , cuộn bù thường hay được sử dụng để làm giảm hiệu ứng khử từ của phản ứng phần ứng . Với động cơ công suất trung bình , độ sụt tốc khi tải định mức so với khi không tải khoảng 5%. Với động cơ một chiều kích từ nối tiếp , từ thông là một hàm của dòng phần ứng . Nếu giả thiết động cơ hoạt động trong vùng tuyến tính của đặc tính từ hóa , có thể xem là từ thông tỷ lệ bậc nhất với dòng phần ứng nghĩa là : = KktIư (2.10) Thay (2.10) vào (2.5) , (2.8),(2.9) ta đươc: M = K.Kkt. (2.11) = - ( 2.12) = - (2.13) Lưu ý là Ru lúc này là tổng điện trở mach phần ứng và mạch điện trở cuộn kích từ . H 2.3 : Đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập H 2.4 Đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp. Đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp được vẽ trên hình 2.4 . Có thể thấy rằng tốc độ động cơ suy giảm theo chiều mômen tải . Tuy nhiên, trong thực tế, các động cơ tiêu chuẩn thường được thiết kế làm việc tại điểm cánh chỏ ( knee-point) của đặc tính từ hóa khi mang tải định mức . với tải trên định mức , mạch từ động cơ bão hòa , khi đó từ thông không thay đổi nhiều theo chiều dòng tải Iư dẫn đến đặc tính cơ tiện cận vối đường thẳng . Động cơ một chiều kích từ nối tiếp thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi mômen khởi động cao và có thể quá tải nặng . Với mômen tải tăng, từ thông động cơ cũng tăng theo . Như vậy , với cùng một lượng gia tăng của mômen như nhau , dòng phần ứng Iư của động cơ một chiều kích từ nối tiếp sẽ tăng hơn so với động cơ kích từ độc lập . Do đó , trong điều kiện quá tải nặng , sự quá tải của nguồn cung cấp và sự quá nhiệt của động cơ cũng ít hơn so với khi dùng đôngj cơ kích từ độc lập . Theo công thức (2.14) , tốc độ động cơ kích từ nối tiếp tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của mômen . Vì vậy , tốc độ động cơ khi không tải có thể tăng lên rất cao , chỉ bị hạn chế bởi từ dư của động cơ và có thể gấp hàng chục lần tốc độ định mức . Điều này là không cho phép với máy điện thường chỉ cho phép hoạt động gấp hai lần tốc độ định mức . Do đó , động cơ kích từ nối tiếp không được dùng với các ứng dụng trong đó mômen tải có thể nhỏ đến mức làm tốc độ động cơ vượt quá mức giới hạn cho phép . Đặc tính của động cơ một chiều kích từ hỗn hợp có dạng như biểu diễn trên hình 2.4 . Tốc độ không tải của động cơ phụ thuộc vào dòng kích từ qua cuộn song song , trong khi độ dốc đặc tính cơ phụ thuộc vào sự phối hợp giữa cuộn sốngng và cuộn nối tiếp . Động cơ kích từ hỗn hợp được sử dụng trong những ứng dụng cần có đặc tính cơ tương tự động cơ kích từ nối tiếp đồng thời cần hạn chế tốc độ không tải ở một giá trị giới hạn thích hợp. Cũng cần lưu ý là các đặc tính cơ trên hình (2.4) là đặc tính cơ tự nhiên của động cơ , nghĩa là các đặc tính này nhận được khi động cơ hoạt động với điện áp cung cấp và từ thông định mức , và không có điện trở phụ nào trong mach phần ứng hoặc kích từ . Từ công thức (2.9) biểu diễn quan hệ tốc độ - mômen động cơ , có thể thấy rằng tốc độ động cơ có thể được điều khiển bằng 3 phương pháp sau : Điều khiển điện áp phần ứng Điều khiển từ thông Điều khiển điện trở phần ứng Phương pháp điều khiển điện áp phần ứng Đặc tính cơ tĩnh của động cơ kích từ độc lập và kích từ nối tiếp khi điều chỉnh điên áp cung cấp cho phần ứng động cơ được vẽ trên hình 2.5a,b . Các đặc tính này suy ra từ (2.9) với điện áp V thay đổi . Bằng cách thay đổi điện áp phần ứng , động cơ có thể làm việc tại bất kì tốc độ - mômen nào giữa đường đặc tính cơ tự nhiên và trục mômen . Vì điện áp phần ứng chỉ có thể điều chỉnh dưới định mức , phương pháp này chỉ để điều khiển động cơ hoạt động với các đặc tính thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên . Tính chất quan trọng của phương pháp này là độ cứng đặc tính cơ không thay đổi khi tốc độ động cơ được điều chỉnh . Điều này khiến hệ có khả năng đáp ứng với tải có mômen hằng số vì dòng phần ứng cực đại cho phép Iưmax – tương ứng với nó là mômen tải cực đại cho phép – của động cơ giữ không đổi với mọi vận tốc . a) b) H 2.5 : Các đặc tính cơ khi điều khiển điện áp phần ứng của động cơ a) động cơ kích từ độc lập b) động cơ kích từ nối tiếp Điện áp phần ứng động cơ có thể được điều khiển bằng cách sử dụng : -Máy phát DC (Hệ máy phát –Động cơ) - Bộ chỉnh lưu có điều khiển (AC→ DC) - Bộ chopper (Bộ biến đổi xung áp ) (AC→ DC) Điều khiển từ thông Điều khiển từ thông được sử dụng khi cần tăng tốc độ làm việc của động cơ cao hơn tốc độ định mức . Phương pháp này có đặc điểm là độ cứng đặc tính cơ giảm nhanh khi thay đổi từ thông. Tốc độ cao nhất của động cơ đạt được khi khi giảm từ thông bị hạn chế : Sự không ổn định của động cơ gây ra bởi ảnh hưởng của phản ứng phần ứng , Giới hạn về mặt cơ khí của động cơ : các động cơ thông thường cho phép tốc độ đạt đến 1,5-2 lần tốc độ định mức . Một số động cơ chế tạo đặc biệt cho phép tốc độ đạt tới 6 lần định mức . Đối với động cơ kích từ độc lập và song song , công suất cực đại cho phép của động cơ gần như không đổi với mọi tốc độ khi điều khiển từ thông (xem hình 2.6). Có thể thấy điều này nếu giả thiết là dòng cực đại cho phép , Iưmax của động cơ không thay đổi khi điều chỉnh từ thông và điện áp cung cấp cho phần ứng , V- là định mức . Khi đó sức điện động của động cơ . E =V –RưIư – là hằng số . Vì vậy , công suất điện từ cực đại cho phép của động cơ là EIưmax sẽ là hằng số và mômen cực đại cho phép của động cơ sẽ biến thiên tỷ lệ nghich với tốc độ . Lưu ý là trong thực tế , giả thiết dòng phần ứng cực đại cho phép Iumax không thay đổi khi giảm từ thông chỉ là gần đúng . Tác động của phản ứng phần ứng càng lớn khi từ thông càng giảm , do đó , dòng phần ứng cực đại cho phép cần giảm xuống để không sinh ra tia lửa điện quá mức trên cổ góp . Điều này dẫn đến việc giá trị thực tế của Iưmax sẽ giảm xuống khi tốc độ tăng cao. Với động cơ DC kích từ độc lập , việc điều khiển kích từ được thực hiện bằng cách thay đổi điện áp kích từ với bộ chỉnh lưu có điều khiển hoặc bộ chooper , tùy theo nguồn cung cấp được sử dụng là AC hoặc DC . Với động cơ công suất nhỏ , cũng có thể mắc nối tiếp biến trở vào mạch kích từ để điều khiển từ thông. Với động cơ DC kích từ nối tiếp , việc điều khiển từ thông được thực hiện bằng cách mắc điện trở song song với cuộn kích từ . Một số động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ nhiều đầu ra , và do đó có thể thay đổi từ thông bằng cách thay đổi số vòng dây cuộn kích từ . Điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông kích từ Phương pháp này được sử dụng khi cần điều chỉnh tốc độ động cơ trong một dải rộng trên và dưới tốc độ định mức . Tốc độ dưới tốc độ định mức được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp phần ứng trong khi giữ kích từ ở giá trị định mức . Tốc độ trên định mức được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp kích từ . Giới hạn của mômen và công suất ra khi điều khiển hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông kích từ được vẽ trên hình 2.6. H 2.6 :Giới hạn mômen và tốc độ khi điều chỉnh hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông Điều khiển điện trở phần ứng Hình 2.7 biểu diễn đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập và nối tiếp khi điều khiển tốc độ bằng cách them điện trở phụ vào phần ứng . Khuyết điểm chính của phương pháp này là hệ thống rất kém và độ cứng đặc tính cơ thấp , nhất là khi hoạt động ở chế độ thấp . Do đó , phương pháp này hiện nay ít khi được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ , trừ các trường hợp : -Khởi động động cơ . Thay đổi tốc độ động cơ trong môt thời gian ngắn trong chế độ ngắn hạn hoặc ngắn hạn lặp lại. Hình 2.7 : Đặc tính đông cơ DC khi thêm điện trở phụ vào phần ứng. a) Động cơ kích từ nối tiếp b)Động cơ kích từ song song. 2.3 Khởi động động cơ Dòng điện phần ứng của động cơ DC trong quá trình quá độ , như chế độ khởi động, cần được giới hạn để tránh phát sinh tia lửa điện qua mức trên cổ góp động cơ . Thông thường , với động cơ không có cuộn bù , dòng này giới hạn ở mức hai lần dòng điện định mức . Với động cơ có cuộn bù hoặc cấu tạo đặc biệt , dòng này cho phép lên đến 3,5 lần dòng định mức . Khi cấp điện áp định mức trực tiếp trong chế độ khởi động , dòng phần ứng động cơ DC có thể lên đến cỡ 20 lần dòng định mức . Dòng khởi động này gây ra phát sinh tia lửa điện quá mức trên cổ góp và phát nhiệt trong cuộn dây phần ứng . Dòng khởi động động cơ , do đó ,cần được hạn chế bằng cách giảm điện áp đặt lên phần ứng . Trong thực tế các bộ biến đổi dùng để điều khiển tốc độ động cơ cũng được sử dụng để hạn chế dòng động cơ khi khởi động . Các bộ biến đổi này thường có chức năng hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ . Trong các ứng dụng sử dụng bộ biến đổi , một bộ điện trở khởi động được thêm vào mạch phần ứng động cơ khi khởi động để hạn chế dòng . Các điện trở trong bộ biến đổi khởi động lần lượt được cắt ra ( hoặc nối tắt ) trong quá trình khởi động , và được tính chọn sao cho dòng qua động cơ được hạn chế ở mức cho phép , trong khi vẫn bảo đảm mômen động cơ sinh ra đủ để gia tốc động cơ . 2.4 Các trạng thái hãm Trong chế độ hãm động cơ hoạt động ở chế độ máy phát : nhận năng lượng từ tải và biến thành điện năng . Tùy theo cách tiêu tán năng lượng này , ta có các phương pháp hãm khác nhau : Hãm tái sinh Hãm động năng Hãm ngược Hãm tái sinh ( Regenerative braking) Trong chế độ hãm tái sinh , động cơ nhận năng lượng từ tải , biến thành điện năng và tra về lưới . Đây là phương pháp hãm có hiệu suất cao nhất . Động cơ DC kích từ độc lập Mạch tương đương của động cơ DC kích từ độc lập trong chế độ hãm tái sinh được biểu diễn ở hinh 2.8 Hình 2.8: Mạch tương đương của động cơ kích từ độc lập ở chế độ hãm tái sinh Trong chế động hãm tái sinh , sức điện động E cần phải lớn hơn nguồn cung cấp V và dòng qua động cơ chảy theo hướng ngược lại so với chế độ động cơ .Khi sử dụng bộ biến đổi bán dẫn , cần lưu ý là ở chế độ hãm tái sinh , hệ thống bộ biến đổi - động cơ phải có khả năng tải dòng theo cả hai chiều , hoặc phải đảo chiều được điện áp ra. Để thực hiện được điều này , bộ biến đổi phải có cấu hình và quy luật điều khiển thích hợp Bằng cánh điều khiển điện áp phần ứng , dòng phần ứng và tương ứng là mômen hãm có thể được điều khiển theo yêu cầu truyền động điện . Động cơ kích từ nối tiếp Động cơ kích từ nối tiếp không thể dùng ở chế độ hãm tái sinh bằng cách nối mạch đơn giản như động cơ DC kích từ độc lập . Phương pháp thường được sử dụng cho động cơ kích từ nối tiếp trong chế độ hãm tái sinh là nối động cơ với một động cơ kích từ song song . Cuộn kích từ lúc này được nối tiếp với một điện trở phụ để hạn chế dòng kích từ trong một phạm vi an toàn . Một phương khác là sử dụng bộ biến đổi chopper với cấu hình thích hợp và đấu nối lại cuộn kích từ để động cơ hoạt động tương tự một động cơ kích từ độc lập . Hãm động năng ( Dynamic braking ) Việc hãm động năng với động cơ DC được thực hiện bằng cách ngắt nguồn cung cấp ra khỏi động cơ và nối phần ứng động cơ qua một điện trở thích hợp . Động cơ lúc này hoạt động như một máy phát tạo ra mômen hãm . Sơ đồ đấu dây của động cơ DC kích từ độc lập ở chế độ hãm động năng được trình bày ở hình 2.10 H 2.10: sơ đồ đấu dây khi hãm động năng động cơ DC kích từ độc lập. Trong trường hợp hãm động năng kích từ độc lập , đặc tính cơ của động cơ khi hãm có thể tính toán bằng công thức (2.8) với V = 0 và giá trị thích hợp của Rư ( kể đến điện trở hãm trong mạch phần ứng ). Trong trường hợp hãm động năng tự kích từ , việc tính toán đặc tính cơ cần kể đến đặc tính từ hóa của động cơ vì đoạn bão hòa của đặc tính từ hóa có ảnh hưởng đến đặc tính cơ khi hãm . Hãm ngược Đối với động cơ DC kích từ độc lập hoặc song song , chế độ hãm ngược xảy ra khi cực tính nguồn hoặc phần ứng động cơ đảo chiều khi động cơ đang hoạt dộng . Dòng qua động cơ sẽ có chiều ngược với chiều dòng điện ở chế độ động cơ và sinh ra mômen hãm .Đối với động cơ kích từ nối tiếp việc hãm ngược được thực hiện bằng cách đảo cực tính phần ứng hoặc cuộn kích từ . Thông thường , cần thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để hạn chế dòng hãm ở giá trị cho phép . Đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập và kích từ nối tiếp khi hãm ngược nhận được bằng cách thay đổi V bằng –V trong các công thức (2.8) hoặc (2.13) . Mômen hãm khác zero khi tốc độ là zero. Khi hãm ngược dùng để hãm dừng động cơ cần ngắt nguồn cung cấp khi tốc độ gần bằng không , nếu không , động cơ sẽ gia tốc theo chiều ngược lại . Hãm ngược là phương pháp cho hiệu suất thấp , vì năng lượng của tải và nguồn đều tiêu hao hết trên điện trở phần ứng và điện trở hãm. CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG BỘ CHỈNH LƯU - ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 3.1 Các thông số đánh giá chất lượng của hệ Khi động cơ hoạt động với bộ chỉnh lưu có điều khiển , dòng qua động cơ không phải là hằng số , cũng như dòng AC cung cấp cho bộ biến đổi cũng không phải là dạng sin. Điều này ảnh hưởng lớn đến chất lượng đáp ứng của hệ thống và ảnh hưởng lên nguồn cung cấp . Một số thông số sau đây thường dùng để đánh giá chất lương đáp ứng của động cơ , cũng như ảnh hưởng của hệ thống lên nguồn AC cung cấp . Các thông số đánh giá chất lượng đáp ứng của động cơ Đặc tính cơ của động cơ Tính chất của dòng điện qua động cơ : là có thể liên tục hoặc gián đoạn . Điều này ảnh hưởng lên đặc tính cơ và đáp ứng quá độ của hệ thống Dòng phần trung bình Iư ; khi động cơ hoạt động với bộ biến đổi , dòng phần ứng trung bình là : Iư = dt (3.1) Trong đó : Iư – dòng phần ứng tức thời (biến thiên theo t); T – chu kì biến thiên của dòng phần ứng iư Trong động cơ DC kích từ độc lập , mômen động cơ sinh ra tỷ lệ với dòng phần ứng trung bình Dòng phần ứng hiệu dụng Iưhd : được cho bởi công thức : Iưhd = (3.2) Nhiệt sinh ra trong phần ứng động cơ tỷ lệ với dòng phần ứng hiệu dụng . 5 – Dòng phần ứng đỉnh iưm : Sự chuyển mạch gây ra tia lửa điện ở cổ góp động cơ DC phụ thuộc vào giá trị đỉnh của dòng phần ứng. Các thông số đặc trưng ảnh hưởng của hệ lên nguồn xoay chiều cung cấp Hệ số công suất ngõ vào của bộ biến đổi , PF, được định nghĩa : ( 3.3) Nếu điện áp ngỏ vào là dạng sin không méo , chỉ có thành phần hài cơ bản của dòng ngỏ vào tạo ra công suất ở ngỏ ra của bộ biến đổi . Vì vậy có thể viết biểu thức trên như sau : PF = (3.4) Hệ số méo dạng , THD ( Total Harmonic Dictortion ) , định nghĩa như sau : (3.5) THD(%) = THD .100 Trong đó : In – giá trị hiệu dụng dòng hài bậc n; Ih – giá trị hiệu dụng tổng của các dòng hài . Gọi I là dòng tức thời ngõ vào bộ biến đổi , dòng này có thể phân tích thành hài cơ bản và các hài bậc cao theo phân tích Fourier như sau: Trong đó: I0 = an = bn = In = 3.2 Điện áp ngõ ra bộ chỉnh lưu ở chế độ dòng liên tục Chỉnh lưu một pha bán song có điều khiển : Vd = (1+ cos ) ( 3.6 ) Trong đó : Vd – điện áp trung bình ngỏ ra bộ chỉnh lưu ; Vs – trị hiệu dụng áp pha nguồn xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu ; - góc kích Chỉnh lưu một pha cầu điều khiển bán phần: Vd =(1+ cos ) ( 3.7 ) Chỉnh lưu một pha cầu điều khiển hoàn toàn : Vd = cos ( 3.8 ) Chỉnh lưu ba pha tia có điều khiển : Vd = cos ( 3.9 ) Chỉnh lưu ba pha cầu điều khiển bán phần : Vd = ( 1+ cos) ( 3.10 ) Chỉnh lưu ba pha cầu điều khiển toàn phần : Vd = cos (3.11) 3.3 Động cơ kích từ độc lập với bộ chỉnh lưu Phương trình biểu diễn quan hệ giữa các giá trị tức thời của điện áp chỉnh lưu , sức điện động động cơ và dòng phần ứng là : vd = RưIư +L +E ( 3.12 ) Trong đó vd, iư là các giá trị tức thời của điện áp chỉnh lưu và dòng phần ứng. Lưu ý là E được giả thiết không đổi theo thời gian trong phương trình trên , do trong thực tế thường gặp quán tính cơ của hệ thống lớn hơn nhiều so với quán tính điện từ nên tốc độ động cơ có thể xem là không đổi . Ở chế độ xác lập , tùy thuộc thông số động cơ , cấu hình bộ chỉnh lưu , góc kích và mômen tải , dòng phần ứng của động cơ có thể liên tục hoặc gián đoạn . Ở chế độ dòng gián đoạn, đặc tính cơ của động cơ rất dốc . Thêm vào đó ,trong thực tế ngay cả khi không tải , dòng qua động cơ cũng có giá trị nào đó ( thường khoảng 5-10% Iđm ) do mômen ma sát luôn có trong hệ thống . Vì vậy , với thông số động cơ và bộ biến đổi cho trước , có thể xác dịnh được cuộn kháng cần thêm vào phần ứng để đảm bảo động cơ luôn hoạt động ở dòng liên tục với mọi giá trị của dòng phần ứng lớn hơn dòng không tải và trong suốt dải điều chỉnh của góc kích . Trong chế độ dòng điện liên tục , phương trình đặc tính cơ của động cơ là : M ( 3.13 ) Quan hệ giữa tốc độ và dòng phần ứng động cơ : Iư (3.14) Trong đó tùy thuộc vào cấu hình bộ chỉnh lưu , giá trị của Vd theo góc kích tính theo công thức cho trong mục 3.2 ở trên . Thay đổi góc kích từ 0 đến , trong chế độ dòng liên tục , ta được một họ đặc tính cơ của động cơ là những đường thẳng nằm song song nhau trong nữa bên phải của mặt phẳng ( , Iư )do dòng điện ngỏ ra của cầu chỉnh lưu chỉ cho phép dẫn theo một chiều . ở chế độ dòng gián đoạn , biểu thức (3.13) và (3.14) không thể áp dụng . Khi đó quan hệ giữa tốc độ và mômen ( hoặc dòng điện ) thường phải giải bằng máy tính . Vùng dòng điện gián đoạn có thể giảm đi bằng cách : Tăng số pha của bộ chỉnh lưu ( ví dụ : dùng cầu chỉnh lưu ba pha thay vì chỉnh lưu một pha ) Tăng điện kháng trong mạch phần ứng ( ví dụ : thêm điện kháng phụ vào mạch kích từ ). 3.4 Động cơ kích từ nối tiếp hoạt động với bộ chỉnh lưu Nếu bỏ qua từ dư của động cơ , quan hệ giưa từ thông và dòng phần ứng là : = Kkt.iư ( 3.15) Mômen tức thời của động cơ là : M = K..iư = K.Kkt. (3.16) Mômen trung bình do động cơ sinh ra là : (3.17) Vậy , mômen do động cơ kích từ nối tiếp sinh ra tỉ lệ với bình phương giá trị hiệu dụng dòng phần ứng . Nếu giả thiết điện cảm trong mạch phần ứng đủ lớn có thể bỏ qua nhấp nhô của dòng phần ứng , thì Iư = Iưhd. Khi đó mômen động cơ sẽ tỷ lệ với bình phương của dòng phần ứng trung bình . lúc này đặc tính cơ của động cơ có thể suy ra từ công thức (2.12) hoặc (2.13) , trong đó , giá trị của V được thay bằng điện áp trung bình ngõ ra Vd. Với hệ thống bộ chỉnh lưu – đông cơ DC kích từ nối tiếp , dòng điện phần ứng có thể ở chế độ liên tục trong một dải rộng của đặc tính cơ . Có thể giải thích điều này nếu lưu ý rằng sức điện động của động cơ DC kích từ nối tiếp tỷ lệ với dòng phần ứng ( giả thiết tốc độ động cơ là không đổi). Khi mômen tải giảm ,dòng phần ứng tải giảm tương ứng , dẫn đến sức điện động của động cơ giảm theo và do đó , làm cho dòng điện có thể duy trì ở chế độ liên tục . CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM PSIM Thiết kế mạch điện đòi hỏi sự chính xác để đánh giá tính năng của mạch. Tuy nhiên, việc thi công mạch không phải lúc nào cũng thuận lợi, dễ dàng, thành công nhanh chóng, nhất là khi ta chưa biết trước các đặc tuyến, kết quả ngõ ra, dạng sóng khi thi công thực tế. Vì vậy thử nghiệm, mô phỏng trước khi thi công là công việc hết sức quan trọng góp phần làm giảm sai sót xảy ra, khả năng thành công cao, thu được kết quả như ý muốn. Hiện nay có nhiều phần mềm mô phỏng mạch nhưng PSIM là một phần mềm tương đối mạnh, đặc biệt được thiết kế cho lĩnh vực điện tử công suất và truyền động điện. Với ưu điểm như thời gian mô phỏng nhanh, giao diện dễ dàng, xử lý dạng sóng tối ưu,PSIM hỗ trợ cho việc mô phỏng , phân tích các bộ chuyển đổi công suất, điều khiển có hồi tiếp, hệ thống truyền động động cơ. Sơ đồ bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba mô phỏng sau khi gắn cảm biến tốc độ, và cảm biến mômen: H 4.1 : Sơ đồ động cơ – bộ chỉnh lưu khi mô phỏng Các tham số khi mô phỏng: Total time (Simulation control): 15s ( tổng thời gian mô phỏng) Tần số f = 50 Hz Góc lệch pha ( phase angle) = 1200 Thyristor Các thông số động cơ và nguồn khi mô phỏng Hình 4.2 : các thông số mô phỏng của động cơ Hình 4.3 : Các thông số của nguồn Các tham số của động cơ và của tải có mômen không đổi được mặc định Sau khi chạy Run simulation, ta có các dạng sóng sau: KHI MÔMEN TẢI BẰNG 50 GIẢN ĐỒ ÁP NGUỒN GIẢN ĐỒ DÒNG NGUỒN GIẢN ĐỒ DÒNG ĐIỆN PHẦN ỨNG GIẢN ĐỒ ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG GIẢN ĐỒ VẬN TỐC ĐỘNG CƠ KHI ỔN ĐỊNH GIẢN ĐỒ MÔMEN GIẢN ĐỒ DÒNG ĐIỆN PHẦN ỨNG KHI CHO ĐỘNG CƠ THAY ĐỔI TỐC ĐỘ GIẢN ĐỒ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHI CHO TỐC ĐỘ THAY ĐỔI KHI MÔMEN TẢI BẰNG 100 GIẢN ĐỒ ĐIỆN ÁP KHI TĂNG MÔMEN TẢI LÊN GIÁ TRỊ 100 GIẢN ĐỒ VẬN TỐC KHI MÔMEN TẢI TĂNG ĐẾN GIÁ TRỊ 100 GIẢN ĐỒ MÔMEN TẢI CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG Yêu cầu đặt ra: Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển bán phần dùng để dùng để điều khiển vận tốc động cơ DC bằng phương pháp điều khiển phần ứng Giới thiệu chi tiết các khối điều khiển: 5.1 Mạch kích Là phần tử quan trọng trong các thiết bị được điều khiển bằng thyristor. Việc lựa chon mạch kích thyristor phụ thuộc vào mạch nguồn công suất chứa thyristor. Thông thường, đối với mạch thyristor mắc vào nguồn điện xoay chiều, phương pháp điều khiển thyristor là điều khiển pha ( phase control). Khi nguồn cung cấp ở dạng một chiều ( mạch bộ biến đổi điện áp một chiều, mạch bộ nghịch lưu), phương pháp điều khiển thường gặp là phương pháp điều chế độ rộng xung. Dù Thyristor xuất hiện trong mạch ở cấu hình nào cũng vậy, xung kích đưa vào mạch cổng G của Thyristor từ mạch điều khiển phải vào thời điểm có áp khóa thuận trên nó. Mạch kích Thyristor có các chức năng sau: điều khiển thời điểm kích, cung cấp dòng điện đủ lớn và cách ly mạch điều khiển ( gồm các tín hiệu điện áp thấp) khỏi mạch công suất. Đóng thyristor Thyristor trong điều kiện không có xung kích đưa vào có thể chuyển sang trạng thái dẫn điện bằng cách tác động điện áp khóa UAK đủ lớn thỏa mãn điều kiện: UAK >UBO Giá trị áp thông dòng UBO được cho trong sổ tay tra cứu linh kiện và thường rất lớn ( hàng ngàn volt). Trường hợp dẫn điện này không được dùng để điều khiển kích đóng SCR và thường là các sự cố gây quá điện áp làm cho Thyristor đóng ngoài ý muốn. Thyristor trong điều kiện không có xung kích cũng có thể chuyển sang trạng thái đóng khi điện áp khóa đặt giữa anode và cathode tăng với độ lớn đủ dốc thõa man điều kiện :. Giá trị được cho trong sổ tra cứu linh kiện. Đây là trường hợp kích dẫn ngoài ý muốn. Thyristor cũng có thể chuyển sang trạng thái dẫn điện bằng cách tác động xung dòng kích vào cổng G khi đang ở trạng thái chịu áp khóa, tức là : UAK>0,IG>0 Độ lớn dòng IG thường được cho trong sổ tay tra cứu hoặc xác định bằng đo đạc, thử nghiệm. Phương pháp này đóng thường được áp dụng trong thực tiễn. Với các thyristor đặc biêt, việc điều khiển kích dóng có thể thực hiện bằng tác động xung ánh sáng hoặc tác dụng của điện trường ( điện áp UG). Thông tin linh kiện Mạch cách ly: Các mạch phát ra tín hiệu để điều khiển mạch công suất dùng bán dẫn phải được cách ly về điện. Điều này có thể thực hiện bằng opto hoặc biến áp xung. Biến áp xung: Gồm một cuộn dây sơ cấp và có thể nhiều cuộn thứ cấp.Với nhiều cuộn dây phía thứ cấp.với nhiều cuộn dây phía thứ cấp,ta có thể kích đóng cho nhiều transistor mắc nối tiếp hoặc song song. Biến áp cần có cảm kháng tản nhỏ và đáp ứng nhanh.trong trường hợp xung điều khiển có cạnh tác động kéo dài hoặc tần số thấp, biến áp xung sớm đạt trạng thái bảo hòa và ngõ ra của nó không phù hợp với yêu câu điều khiển. Opto: Dùng nguồn phát ra tụ hồng ngoại dùng diode (IR-led)và mạch thu dùng phototransistor. Do đó,thỏa mãn yêu cầu cách ly về điện, đồng thời đáp ứng của opto tốt hơn biến áp xung. H 5.1. Cấu tạo của opto Giới thiệu IC 555: IC 555 ( vi mạch dịnh thì và họ của nó được ứng dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điện tử dân dụng cũng như điện tử công nghiệp, vì nếu kết hợp với các linh kiện RC bên ngoài một cách thích hợp thì nó có thể thực hiện nhiều chức năng như định thì ,tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích hay điều khiển các linh kiện bán dẫn công suất như transistor ,SCR, triac H 5.2.Sơ đồ chân cà cấu trúc bên trong của IC555 Vi mạch 555 được chế tạo thông dụng nhất là vỏ plastic như hình trên. Chân 1: GND ( nối đât) Chân 2: trigger Input ( ngõ vào xung nảy Chân 3: output ( ngõ ra) Chân 4: Reset ( hồi phục) Chân 5: control voltage ( điện áp điều khiển ) Chân 6: threshold ( thềm – ngưỡng) Chân 7: discharge ( xả điện) Chân 8: +Vcc ( nguồn dương) Bên trong vi mạch 555 có hơn 20 transistor và có nhiều điện trở thực hiện các chức năng như hình trên gồm có: Cầu phân áp gồm ba điện trở 5k nối từ nguồn +Vcc xuống max cho ra hai điện áp chuẩn là 1/3Vcc và 2/3Vcc. Op-am (1) là mạch khuyếch đại so sánh có ngõ In nhân điện áp chuẩn 2/3 Vcc còn ngõ In+ thì nối ra ngoài chân 6. tùy thuộc điện áp của chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3 Vcc mà op-am (1) có điện áp ra mức cao hay thấp để làm tín hiệu R ( reset) điều khiển Flip-Flop( F/F). Op-Amp (2) là mạch khuyếch đại so sánh ngõ IB+ nhận điện áp chuản 1/3 VCC còn ngõ IN- thì nối ra ngoài chân 2. tùy thuộc điện áp chân 2 so với điện áp chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3 Vcc mà op-amp (2) có điện áp ra mức cao hay thấp để làm tín hiệu S(set) điều khiển (Flip-Flop) Mạch F-F là mạch lưỡng ổn kích một bên khi chân Set ( S). Sơ đồ mạch nguồn 5VDC và 12VDC H 5.3. Sơ đồ mạch nguồn 5VDC H 5.4. Sơ đồ nguồn 12VDC Sơ đồ mạch kích H 5.5. Sơ đồ mạch kích 5.2 Mạch động lực H 5.6. Sơ đồ mạch động lực CHƯƠNG 6 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 6.1 Giới thiệu tóm tắt các đặc trưng của DSP TMS320x240 Vi điều khiển TMS320x240 có các đặ trưng sơ lược sau: TMS320F240 lõi CPU: Gồm 32 bit đơn vị xử lý số học trung tâm (CALU), 32 bit thanh ghi tích lũy và một bộ nhân 16 bit x 16 bit tạo kết quả 32 bit. Có 8 thanh ghi phụ với một đơn vị số học cho địa chỉ gián tiếp của bộ nhớ dữ liệu và ba bộ dịch tỷ lệ. * Bộ nhớ gồm : - 544 words x 16 bit của on –chip dữ liệu và DẨM, 16 Kwords x 16 bit của ROM chương trình trên on chip hoặc flash EEPROM. - 224 Kwords x 16 bit không gian bộ nhớ địa chỉ cực đại gồm 64 Kwords của không gian chương trình , 64 Kwords của không gian dữ liệu , 64 Kwords của không gian xuất / nhập , 32 Kwords của không gian toàn cục . * Chương trình điều khiển - Điều khiển đường dẫn 4 tiêu chuẩn ( 4-level), tám vùng stack. - Sáu ngắt ngoài : ngắt bảo vệ điều khiển công suất, reset., ngắt ngoài NMI, và ngắt mặt nạ INT1 – INT6. * Công suất : - Kỹ thuật CMOS tĩnh - Bốn chế độ giảm công suất để giảm tiêu dùng công suất . - Mô phỏng: IEEEStandard 1149 , kiểm tra xử láy giao tiếp cổng với mức mô phỏng quét cơ bản trên on-chip. - Tốc độ : thờigian chu kỳ lệnh là 50ns (20 Míp), với phần lớn có một chu kì . * Quản lý sự kiện : - Mạch điều chế độ rộng xung (PWM) - Ba bộ định thì đa dụng ( timer genenal purose ) 16 bit với 6 chế độ chọn là chế độ đếm lên liên tục ( continuous up counting ), chế độ đếm lên và đếm xuống liên tục ( continuous up/down counting), chế độ đếm lên xuống có hướng ( director up / down counting) , chỉ đếm lên (single up counting), chế độ đếm lên và xuống đơn ( Single up /down counting) , chế độ giữ và dừng ( hold/stop). - Ba bộ so sánh toàn phần ( full compare unit ) có khả năng tạo trễ , ba bộ so sánh đơn ( simple compare unit ). - Bốn bộ chụp ( capture unit ), trong đó hai bộ dùng để giao tiếp với encoder - Mạch đếm xung vào của encoder QEP. * Bộ biến đổi analog- digital 10 bit kép ( ADC) . * 28 chân I/O đa hợp hai chức năng. * Mô-đun vòng khóa pha PLL (phase –locked loop). *Mô-đun thời gian kiểm tra ( watchdog timer ) với thời gian ngắt thực ( real-time interrupt – RTI). * Có hai cổng giao tiếp là giao tiếp truyền thông nối tiếp (SCI) và giao tiếp ngoại vi nối tiếp (SPI). *Các công cụ : - Biên dịch, hợp ngữ , liên kết, và gỡ rối nguồn C - Sản phẩm mô phỏng đầy dãy : tự mô phỏng và mô-đun tương ứng với bộ mô phỏng (JTAG). - Điều khiển động cơ số , 3 thành phần và cung cấp khả năng phát triển logic mờ. 6.2 Chương trình điều khiển #include "f2407_c.h" float pwm_duty1=0; float pwm_duty2=0; float apdongbo=0; float anpha=0; float apnew1=0; float apold1=0; float apnew2=0; float apold2=0; float ADC0=0; float ADC1=0; void init_adc(void) { *ADCTRL1 = 0x4000; *CHSELSEQ1 = 0x0010; *MAX_CONV = 0x0001; *ADCTRL2 = 0x0000; *ADCTRL1 = 0x2F40; *ADCTRL2 = *ADCTRL2 | 0x2000; } void gen_pwm(void) { apnew1=apdongbo; if(apnew1>0) { if(apold1=0) { pwm_duty1=anpha* 6250/180; *CMPR1 = pwm_duty1; } } apold1=apnew1; apnew2=apdongbo; if(apnew2=0) { if(apold2>0) { pwm_duty2=anpha* 6250/180; *CMPR2 = pwm_duty2; } } apold2=apnew2; } void readADC(void) { ADC0=*RESULT0>>6; anpha=ADC0 * 180/1024; ADC1=*RESULT1>>6; apdongbo=ADC1* 3.3/1024; } void main(void) { *SCSR1 = 0x00FD; *SCSR2 = (*SCSR2 | 0x000B) & 0x000F; *WDCR = 0x00E8; *WSGR = 0x0040; *MCRA = 0x0140; *MCRB = 0xFE00; *MCRC = 0x0000; *T1CON = 0x0000; *T2CON = 0x0000; *GPTCONA = 0x0000; init_adc(); *T1CNT = 0x0000; *T1PR = 12500; *DBTCONA = 0x0000; *ACTRA = 0x0011; *COMCONA = 0x8200; *T1CON = 0x1740; *IMR = 0x0000; *IFR = 0x003F; *IMR = 0x0004; *EVAIFRA = 0xFFFF; *EVAIFRB = 0xFFFF; *EVAIFRC = 0xFFFF; *EVAIMRA = 0x0000; *EVAIMRB = 0x0001; *EVAIMRC = 0x0000; *EVBIFRA = 0xFFFF; *EVBIFRB = 0xFFFF; *EVBIFRC = 0xFFFF; *EVBIMRA = 0x0000; *EVBIMRB = 0x0000; *EVBIMRC = 0x0000; while(1) { readADC(); gen_pwm(); } } CHƯƠNG 7 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Mô hình sản phẩm 2)Dạng sóng ngỏ ra ở chân số 3 của IC555 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Truyền động điện - Phan Quốc Dũng - Tô Hữu Phúc, Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM [2] Điện tử công suất 1 - Nguyễn Văn Nhờ, Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM [3] Thí nghiệm điện tử công suất 1 – Phòng thí nghiệm điện công nghiệp - Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM