do an dang sua
DESCRIPTION
do anTRANSCRIPT
Chương 1:
TỔNG QUANG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC BỘ CHỈNH LƯU
CÔNG SUẤT
1. Tổng quang về động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
1.1. Tổng quang về động cơ điện một chiều.
1.1.1. Khái quát.
Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều vẫn được coi là một loại
máy quan trọng. Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng
những điều kiện làm việc khác.
Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt , vì vậy máy
được dùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh
tốc độ như cán thép, hầm mỏ hay giao thông vận tải...
1.1.1.1. Phân loại.
Động cơ điện một chiều chia làm nhiều loại theo sự bố trí của cuộn kích
từ :
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
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.
1.1.1.2. Ưu nhược điểm động cơ điện một chiều.
- Ưu điểm:
+ Có nhiều phương pháp điều khiển tốc độ.
+ Có nhiều phương pháp hãm tốc độ.
- Nhược điểm:
+ Tốn nhiều kim loại màu.
+ Chế tạo, bảo quản khó khan.
+ Giá thành đắt hơn các máy điện khác.
1.1.2. Đặc tính cơ của máy điện một chiều:
Quan hệ giữa tốc độ và mômen động cơ gọi là đặc tính cơ của động cơ:
= f(M) hoặc n = f(M)
Quan hệ giữa tốc độ và mômen của máy sản xuất gọi là đặc tính cơ của máy
sản xuất:
c= f(Mc) hoặc nc= f(Mc)
Ngoài đặc tính cơ, đối với động cơ điện một chiều người ta còn sử dụng đặc
tính cơ điện. đặc tính cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong
mạch động cơ:
= f(I) hoặc n = f(I)
1.1.2.1. Phương trình đặc tính cơ.
Theo sơ đồ hình (1.1) ta có thể viết phương trình cân bằng điện áp của
mạch phần ứng như sau:
Uư = Eư + (Rư +Rf)Iư
Hình 1.1: Sơ đồ nối dây động cơ điện kích từ độc lập.
Trong đó:
Uư : điện áp phần ứng (V).
Eư : sức điện động phần ứng (V).
Rư : điện trở của mạch phần ứng.
Rf : điện trở phụ trong của mạch phần ứng.
Với: Rư = rư + rcf + rb + rct
Trong đó:
rư : điện trở cuộn dây phần ứng.
rcf: điện trở cuộn cực từ phụ.
RKTCKT
Rf
Uư
IKT
E
UKT
rb : điện trở cuộn bù.
rct : điện trở tiếp xúc chổi than.
Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:
Eư =
ka
pN
2
Trong đó:
P : số đôi cực từ chính.
N : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
a : số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần
ứng.
: từ thông kích từ dưới một cực từ.
: tốc độ góc, (rad/s).
k =a
pN2
: hệ số cấu tạo của động cơ.
Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n ( vòng/phút) thì:
Eư = Ke.n
Với: =55.960
2 nn
Vì vậy: Eư = na
pN 60
Ke =a
pN60
là hệ số sức điện động của động cơ .
Ke =55.9K 0.105K
Từ các biểu thức trên, ta có:
fu
R RU IK K
Đây là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác, mômen điện từ Mđt củađộng cơ được xác định bởi:
Mđt= K Iư
Suy ra: Iư = dtMK
Thay giá trị Iư vào phương trình đặc tính của động cơ ta được:
2 .( )u fu
dt
R RU MK K
Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục
động cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M. Nghĩa là Mđt= Mc= M.
Khi đó ta được:
2 .( )u fu R RU M
K K
Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ
độc lập.
Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thông = Const, thì các
phương trình đặc tính cơ điện và phương tình đặc tính cơ là tuyến tính. Đồ
thị của chúng được biểu điển trên hình (1-2) là những đường thẳng.
Theo các đồ thị trên, khi Iư =0 hoặc M = 0 ta có:
0uU
K
(0: gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ).
Còn khi = 0 ta có:
u nmu f
UI IR R
Và : M = KInm = Mnm Inm
Hình 1.2: a) Đặc tính cơ-điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
b) Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Inm,Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch.
Mặc khác từ phương trính đặc tính điện và phương trình đặc tính cơ
cũng có thê được viết dưới dạng:
0uU RI
K K
2 .( )
uU R MK K
0uU
K
uRIK
= 2)( KRM
(gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá
trị của M).
R=Rư + Rf : điện trở mạch phần ứng.
1.1.2.2. Xét các ảnh hưởng các tham số đến tính cơ.
Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc
tính cơ: Từ thông động cơ , điện áp phần ứng Uư, và điện trổ phần ứng động
cơ. Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số đó:
Ảnh hưởng của điện trở phần ứng:
Hình 1.3: Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng
Giả thiết rằng Uư=Uđm= Const và = đm= Const.
Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào
mạch phần ứng.
Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng:
0dm
dm
U ConstK
Độ cứng đặc tính cơ:
2
vardm
u f
KMR R
Khi Rf càng lớn càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc, ứng với
Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên:
2dm
TNu
KR
TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các
đường đặc tính có điện trở phụ. Như vậy khi thay đổi điện trở Rf ta được
một họ đặc tính biến trở như hình (1.3).
Ứng với mỗi phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ cơ càng giảm,
0
TN(Rn)
Rf1
Rf2
Rf3
Rf4Mc
đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên
người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều
chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản.
Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:
Giả thiết từ thông = đm= const, điện trở phần ứng Rư = const. Khi
thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm, ta có:
Tốc độ không tải:
0Ux Varx K dm
Độ cứng đặc tính cơ:
2
u
KConst
R
Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ
đặc tính cơ song song như trên (Hình 1.4).
Hình 1.4: Đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập khi giảm điện áp đặt
vào phần ứng
Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch, dòng
điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một
phụ tải nhất định. Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh
tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động.
Ảnh hưởng của từ thông:
Giả thiết điện áp phần ứng Uư= Uđm= Const. Điện trở phần ứng Rư =
Const. Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ Ikt động cơ.
Trong trường hợp này:
Tốc độ không tải:
VarxKxU
x
0
Độ cứng đặc tính cơ:
2K x VarRu
Do cấu tạo của động cơ điện, thự tế thường điều chỉnh giảm từ thông.
Khi từ thông giảm thì 0x tăng, còn giảm ta có một họ đặc tính cơ với
0x tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông. Ta nhận
thấy rằng khi thay đổi từ thông:
Dòng điên ngắn mạch:
Inm = dm
u
U ConstR
Mômen ngắn mạch:
Mnm=KxInm=Var
Các đặc tính cơ-điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông được
biểu diễn ở hình (1.5)a. Với dạng mômen phụ tải Mc thích hợp với chế độ
làm việc của động cơ,khi giảm từ thông,tốc độ động cơ tăng lên, như ở hình
(1.5)b.
Hình 1.5: a) đặc tính cơ-điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi
giảm từ thông
b) đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm
từ thông
1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Truyền động điện được dùng để dẫn động các bộ phận làm việc của các máy sản
xuất khác. Thường phải điều chỉnh tốc độ chuyển động của các bộ phận làm việc. Vì
vậy điều chỉnh tốc độ động cơ điện là biến đổi tốc độ một cách chủ động, theo yêu
cầu đặt ra cho các qui luật chuyển động của bộ phận làm việc mà không phụ thuộc
mômen phụ tải trên trục động cơ.
Xét riêng về phương diện tốc độ của động cơ điện một chiều là có nhiều ưu điểm
hơn với các loại động cơ khác, không những có thể điều chỉnh tốc độ dễ dàng, đa
dạng các phương pháp điều chỉnh, cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn
giản hơn, đồng thời đạt chất lượng điều chỉnh cao, dải điều chỉnh rộng.
1.2.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động
cơ:
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 điện một chiều kích từ độc lập.
Để điều chỉnh điện áp dặt vào phần ứng động cơ ta dùng các bộ nguồn điều
áp như: máy phát điện một chiều các bộ biến đổi van hoặc khuyếch đại từ,…Các
bộ biến đổi trên dùng để biến dòng xoay chiều và điều chỉnh giá trị sức điện
động của nó cho phù hợp với yêu cầu.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
Ta có tốc độ không tải lý tưởng:dm
EKodm
Un
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 dặc 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 trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi không tải lý tưởng.
- Nhược điểm: Phải có bộ nguồn có điện áp thay đổi được nên vốn đầu tư
cơ bản và chi phí vận hành cao.
1.2.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông
-
+
+ -
CKÑRKÑ
Iö
U
DMÑ
UKT
Hình 1.6: 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 = . .M uk I và sức điện động quay của động
MKK
RRKUn
ME
fu
E2
cơ. . .u EE k n
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 máy điện công suất
trung bình,người ta thường sử dụng các biến trở đặt trong mạch kích từ để thay
đồi từ thông do tổn hao công suất nhỏ. Đối với các máy điện công suất lớn thì
dung các bộ biến đổi đặc biệt như: máy phát khuyếch đại máy điện, khuyếch đại
từ bộ biến đổi van …
Thực chất của phương pháp này là giảm từ thông. Nếu tăng từ thông thì dòng
điện kích từ 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 tăng lên khi từ thông giảm : n= .E
Uk .
Bởi vì ứng với mỗi động cơ ta có một tốc độ lớn nhất cho phép. Khi điều
chỉnh tốc độ tuỳ thuộc vào điều kiện cơ khí, điều kiện cổ góp động cơ không thể
đổi chiều dòng điện và chịu được hồ điện quang, do đó động cơ không được làm
việc quá tốc độ cho phép .
Nhận xét: Do quá trình điều chỉnh tốc độ được thực hiện như trên mạch kích
từ nên tổn năng lượng ít, mang tính kinh tế, thiết bị đơn giản.
1.2.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần
ứng.
Trong phương pháp này điện trở phụ đựơc mắc nối tiếp với mạch phần ứng
của động cơ theo sơ đồ nguyên lý sau:
-
-
+
+
Iö Rf
CKRK
U
E
UKT
Hình 1.7: Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách 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 n1,
ta đóng thêm rf vào mạch phần ứng .Khi đó dòng điện phần ứng Iư đột ngột giảm
xuống, còn tốc độ động cơ do quán tính nên chưa kịp biến đổi. Dòng Iư 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 ày chỉ có thể điều chỉnh tốc độ n<ncb.
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.
Ưu điểm : Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng trong các động cơ
có cần trục, thang máy, máy nâng, máy xúc…
Nhược điểm : Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng
vào càng lớn, đặc tính cơ càng mền, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi
thay đổi phụ tải càng kém. Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp
thì tổn hao phụ càng tăng.
Thực tế có 2 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng điện
áp:
+ Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ.
+ Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ.
Vì vậy cần phải có những bộ biến đổi phù hợp để cung cấp mạch điện phần
ứng hoặc mạch kích từ của động cơ. Cho đến nay thường sử dụng những bộ biến
đổi dựa trên các nguyên tắc truyền động sau đây:
+ Hệ truyền động máy phát – động cơ (F – Đ).
+ Hệ truyền động chỉnh lưu thiristor – động cơ (T – Đ).
1.2.4. Hệ truyền động máy phát - động cơ (F - Đ).
Phần ứng của động cơ điện một chiều được cung cấp từ 1 máy phát điện.
Máy phát có 1 động cơ sơ cấp không đồng bộ 3 pha quay. Khi ta thay đổi IktF thì
Uu thay đổi và làm thay đổi tốc độ động cơ điện một chiều. Khi đảo chiều ItkF thì
động cơ điện một chiều cũng sẽ đảo chiều quay.
Hình 1.8: Hệ truyền động F-Đ.
+ Ưu điểm: Hệ này điều chỉnh tốc độ rất linh hoạt. Động cơ có thể chuyển
đổi qua các chế độ làm việc khi ta thay đổi tốc độ hoặc đảo chiều, khả năng điều
chỉnh vận tốc tương đối rộng, khả năng chịu quá tải khá tốt.
+ Nhược điểm: Hệ này sử dụng nhiều máy điện quay, trong đó ít nhất phải có
2 máy điện một chiều nên gây ra tiếng ồn lớn, công suất lắp máy lớn so với động
cơ chấp hành. Ngoài ra do máy điện một chiều có từ dư, đặc tính từ hoá trở nên
khó điều chỉnh tốc độ.
1.2.5. Hệ truyền động chỉnh thyristor-động cơ (T-Đ).
Thường sử dụng bộ chỉnh lưu có điều khiển thyristor. Tốc độ động cơ thay
đổi bằng cách thay đổi điện áp chỉnh lưu cấp cho phần ứng động cơ, để thay đổi
điện áp chỉnh lưu ta chỉ cần sử dụng mạch điều khiển, thay đổi thời điểm mở van
thyristor.
+ Ưu điểm: Là tác động nhanh, không gây ồn và dễ tự động hoá. Do các van
bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất cao, điều đó thuận lợi cho việc thiết
lập hệ thống điều chỉnh nhiều vòng, để nâng cao chất lượng đặc tính tĩnh và các
đặc tính của hệ thống.
+ Nhược điểm: Là do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng chỉnh lưu của
điện áp có biên độ đập mạch gây tổn hao phụ trong máy điện. Hệ số công suất
cos của hệ thống nói chung là thấp. Tính dẫn điện 1 chiều của van buộc ta
phải sử dụng 2 bộ biến đổi để cấp điện cho động cơ có đảo chiều quay.
1.3. Cơ sở lý thuyết của phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
kích từ độc lập bằng cách thay đổi điện áp phần ứng.
1.3.1. Sơ đồ thay thế tính toán.
Hình 1.9: Sơ đồ bộ biến đổi.
Từ phương trình đặc tính động cơ tổng quát:
02 .)(
MKR
KU uu
Ta thấy sự thay đổi Uu thì 0 sẽ thay đổi, còn const .
Vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau.
Như vậy muốn thay đổi điện áp phần ứng Uu ta phải có bộ nguồn cung cấp
điện một chiều thay đổi được điện áp ra.
Hình 1.10: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ở những điện
áp trên phần ứng khác nhau.
1.3.1.1. Bộ biến đổi F-Đ.
Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi F-Đ.
Là bộ biến đổi máy điện mà nguyên lý vận hành được giới thiệu ở phần
trước.
Phương trình đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ dùng máy phát:
MKR
KE
DD
F .)( 2
MKR
KUK
DD
KFF .)(
.2
Như vậy khi thay đổi UKF (hoặc iKF) ta sẽ được 1 họ đường đặc tính cơ
song song nhau ở cả 4 góc phần tư.
1.3.1.2. Bộ biến đổi T-Đ.
Hình 1.12: Sơ đồ bộ biến đổi T-Đ.
Là phương pháp biến đổi điện tử, bán dẫn.
Ta xét hệ T-Đ không đảo chiều:
Chế độ dòng liên tục: Ed = Ed0 . cos
IK
RRK
E
dm
CLu
dm
d .)(
cos.2
0
02
0 .)(
cos.M
KRR
KE
dm
CLu
dm
d
Vậy khi ta thay đổi góc điều khiển )0( thì Ed thay đổi từ Ed0
đến –Ed0 và ta sẽ được 1 hệ đặc tính cơ song song nằm ở mức bên phải của
mặt phẳng toạ độ.
2. Tổng quan về các phần tử bán dẫn công suất.
2.1. Diode công suất.
2.1.1. Cấu tạo.
Diode do hai lớp vật liệu p-n ghép lại thành. Diện tích mặt ghép có khi đạt vài
chục cm2 với mật độ dòng điện 10A/mm2.
2.2. Thyristor công suất.
2.2.1. Cấu tạo.
Là dụng cụ bán dẫn gồm 4 lớp bán đẫn loại P và N ghép xen kẽ nhau và có 3
cực Anốt, Catốt và cực điều khiển riêng G.
Ký hiệu:
ádasd
2.2.2. Nguyên lý hoạt động.
Khi thyristor được nối với nguồn một chiều E > 0 tức cực dương đặt vào anốt
cực âm đặt vào catốt, thì tiếp giáp J1, J3 được phân cực thuận còn miền J2 phân
cực ngược, gần như toàn bộ điện áp được đặt lên mặt ghép J2, điện trường nội tại
E1 của J2 có chiều từ N1 hướng tới P2. Điện trường ngoài tác động cùng chiều với
E1, vùng chuyển tiếp là vùng cách điện càng được mở rộng ra, không có dòng
điện chạy qua thyristor mặc dù nó được đặt dưới 1 điện áp dương.
Mở thyristor:
Nếu cho một xung điện áp dương Ug tác động vào cực G (dương so với K )
A - +- +- +
- +- +- +
- +- +- +J1 J2 J3
K
Ei
P1 P2 N2N1
G
thì các electron từ N2 chạy sang P2. Đến đây một số ít trong chúng chảy về
nguồn Ug và hình thành dòng điều khiển Ig chảy theo mạch G - J3 - K - G , còn
phần lớn điện tử dưới sức hút cuả điện trường tổng hợp của mặt J2 lao vào vùng
chuyển tiếp này. Chúng được tăng tốc do đó có động năng rất lớn sẽ bẻ gãy các
liên kết giữa các nguyên tử Si, tạo nên các điện tử tự do mới. Số điện tử này lại
tham gia bắn phá các nguyên tử Si khác trong vùng chuyển tiếp. Kết quả của các
phản ứng dây chuyền này làm xuất hiện càng nhiều điện tích chạy vào vùng N1
qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài, gây nên hiện tượng dẫn điện ào
ạt làm cho J2 trở thành mặt ghép dẫn điện bắt đầu từ một điểm nào đó ở xung
quanh cực rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép với tốc độ lan truyền khoảng
1m/100s.
Hình 1.12: Mở thyristor.
Một trong những biện pháp đơn giản nhất để mở Thiristor được trình bày trên
hình vẽ.
Khi đóng mở K, nếu Ig > Igst thì T mở ( Ig (1,1 1,2 ). Igst ).
1 (1,1 1,2) gst
ERI
Igst : Giá trị dòng điều khiển ghi trong sổ tay tra cứu thiristor:
R2 = 100 1000()
Có thể hình dung như sau: Khi đặt thiristor ở UAK > 0 thì thiristor ở tình trạng
sẵn sàn mở cho dòng chảy qua, nhưng nó còn đợi tín hiệu Ig ở cực điều khiển,
nếu Ig > Igst thì thiristor mở.
-E
+E
K T
R2
Rt
R1
CCRt2Rt1
+E
T
R
+E
T2T1K
BA
to t1 t2 t
i
Ta có công thức: Thiristor khoá +1AK
g gst
U VI I
thiristor mở.
Thời gian mở ton là thời gian cần thiết để thiết lập dòng điện chính chảy trong
thiristor, tính từ thời điểm phóng dòng Ig vào cực điều khiển. Thời gian mở
thiristor kéo dài khoảng 10 μs.
Khóa thyristor:
Một khi thiristor đã mở thì tín hiệu Ig không còn tác dụng nữa. Để khoá
thiristor có 2 cách :
+ Giảm dòng điện làm việc I xuống dưới giá trị dòng duy trì IH.
+ Đặt một điện áp ngược lên thiristor (biện pháp thường dùng).
Khi dặt điện áp ngược lên thiristor UAK < 0, hai mặt J1, J3 phân cực ngược, J2
phân cực thuận. Những điện tử trước thời điểm đảo cực tính UAK < 0 đang có
mặt tại P1, N1, P2, bây giờ đảo chiều hành trình, tạo nên dòng điện ngược chảy từ
Catốt về Anốt và về cực âm của nguồn điện áp ngoài.
a) b)
c) d)
Hình 1.13: khóa thyristor.
a) Đặt điện áp ngược lên thiristor.
b) Đồ thị biến đổi dòng điện khi dặt điện áp ngược lên thiristor.
P1 P2N1 N2
- +
E
A K
G
Ing
c) Khoá thiristor bằng điện áp ngược bằng cách đóng K.
d) Khoá thiristor một cách tự động.
Thời gian khoá toff được tính từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược đến
khi i bằng 0 (t2) đây là thời gian mà sau đó nếu đặt điện áp thuận lên thiristor thì
thiristor vẫn không mở, toff kéo dài khoảng vài chục μs. Trong bất kỳ trường hợp
nào cũng không được đặt thiristor dưới điện áp thuận khi thiristor chưa bị khoá
nếu không sẽ có nguy cơ gây ngắn mạch nguồn.
Ta có: Thiristor mở + UAK < 0 => Thiristor khoá.
Trên sơ đồ hình (c), việc khoá thiristor bằng điện áp ngược được thực hiện
bằng cách đóng khoá K. còn sơ đồ (d) cho phép khóa thiristor một cách tự động.
Trong mạch hình (c) khi mở thiristor này thì thiristor kia sẽ khoá lại. Giả thuyết
cho một xung điện áp dương đặt vào G1T1 mở dẫn đến xuất hiện 2 dòng điện :
+ Dòng thứ nhất chảy theo mạch : E - R1-T1 - -E.
+ Dòng thứ 2 chảy theo mạch :E - R2 -C-T1- -E.
Tụ C được nạp điện đến giá trị E, bản cực dương ở B, bản cực âm ở A. Bây
giờ nếu cho một xung điện áp dương tác động vào G2T2 mở nó sẽ đặt điện thế
điểm B vào catốt của T1. Như vậy là T1 bị đặt dưới điện áp Uc = -E và T1 bị khoá
lại.
T2 mở lại xuất hiện 2 dòng điện :
+ Dòng thứ nhất chảy theo mạch : + E - R1-C - T2 - -E
+ Dòng thứ hai chảy theo mạch : +E - R2 - T2 - -E.
Tụ C được nạp ngược lại cho đến giá trị E, chuẩn bị khoá T2 khi ta cho xung
mở T1.
Điện dung của tụ điện chuyển mạch:
Trong sơ đồ hình 1.13 (c, d) một câu hỏi được đặt ra là: Tụ điện C phải có giá
trị bằng bao nhiêu thì có thể khoá được thiristor ?
Như đã nói ở trên khi T1 mở cho dòng chảy qua thì C được nạp điện đến giá
trị E. bản cực “+” ở phía điểm B. tại thời điểm cho xung mở T2 (cả 2 thiristor
điều mở), ta có mạch tương đương:
Hình 1.14: Mạch tương đương.
Phương trình mạch điện:
cURiE 1. vớidtduCi c
Nên: cc U
dtduRCE 1.
Viết dưới dạng toán tử Laplace:
1. . 0c c cE C R P u p u u pP
Vì 0cu E nên:
.
ca E EU p
p p a p a
với
CRa
.1
1
Từ đó ta nhận được : 11 2. atc Tu t E e u
Thời gian toff là khoảng thời gian kể từ khi mở T2 cho đến khi UT1 bắt đầu trở
thành dương, vậy ta có :
CRteE offtoffa
1. .693,00.21
hoặc1.693,0 R
tC off
ucA
B
-
+
.
.
i
R1
E +
-
IER 1 sẽ nhận được biểu thức:
EtI
C off..44,1
(toff :s ; I : Ampe ; E : Volt ; C : F).
2.2.3. Đặc tính Volt-Ampe của thyristor.
Hình 1.15: Đặc tính Volt-Ampe của thyristor.
Đoạn 1: Ứng với trạng thái khoá của thiristor, chỉ có dòng điện rò chảy qua
thiristor khi tăng U lên đến Uch (điện áp chuyển trạng thái ), bắt đầu quá trình
tăng nhanh chống của dòng điện. Thiristor chuyển sang trạng thái mở.
Đoạn 2: Ứng với giai đoạn phân cực thuận của J2. Trong giai đoạn này mỗi
lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với mọt lượng giảm lớn của điện áp đặt lên
thiristor, đoạn này gọi là đoạn điện trở âm.
Đoạn 3: Ứng với trạng thái mở của thiristor. Khi này cả 3 mặt ghép đã trở
thàng đẫn điện. Dòng chảy qua thiristor chỉ còn bị hạn chế bởi điện trở mạch
ngoài. Điện áp rãi trên thiristor rất lớn khoảng 1V. Thiristor được giử ở trạng thái
mở chừng nào I còn lớn hơn dòng duy trì IH
Đoạn 4: Ứng với trạng thái thiristor bị đặt dưới điện áp ngược. Dòng điện rất
lớn, khoảng vài chục mA. Nếu tăng U đên Ung thì dòng điện ngược tăng lên
nhanh chống, mặt ghép bị chọc thủng, thiristor bị hỏng. Bằng cách cho Ig lớn
hơn 0 sẽ nhận được đặt tính Volt - Ampe với các Uch nhỏ dần đi.
Ia
3
4
2
1
IH
U
Ing
Ung I0
Uth Uch
3. Tổng quan về các bộ chỉnh lưu.
3.1. Định nghĩa.
Chỉnh lưu là dựa vào tính dẫn điện một chiều của các linh kiện bán dẫn (diod,
thyristor) để biến dòng điện xoay chiều công nghiệp thành dòng điện một chiều.
3.2. Các yêu cầu kĩ thuật của bộ chỉnh lưu.
Giá trị trung bình điện áp ra của bộ chỉnh lưu Ud (Ed) phải đáp ứng được các yêu
cầu của tải đó là: phải giữ ổn định cho tải hay phải thay đổi theo tải.
Hệ số san bằng của điện áp ra (Ksb) phải nhỏ hơn giá trị Ksbchophép trong đó Ksbchophép
là do tải quy định.
Ksb < Ksb cho phép
Công suất của bộ chỉnh lưu phải đáp ứng công suất của tải.
3.3. Phân loại các bộ chỉnh lưu.
Dựa vào khả năng điều chỉnh giá trị trung bình điện áp ra của bộ chỉnh lưu Ud(Ed),
thiết bị bán dẫn dùng làm van chỉnh lưu và hình dạng của điện áp ra mà ta phân lọai
các bộ chỉnh lưu như sau:
Phân loại theo thiết bị dùng làm van chỉnh lưu:
Dựa theo thiết bị dùng làm van chỉnh lưu ta có thể chia bộ chỉnh lưu ra 2 loại
sau:
+ Chỉnh lưu dùng diod (không điều chỉnh được giá trị điện áp ra).
+ Chỉnh lưu dùng Thiristor (điều chỉnh được giá trị điện áp ra).
Phân loại theo dạng sóng điện áp ra:
- Chỉnh lưu 1 pha (1 pha21 chu kì).
- Chỉnh lưu 2 pha (1 pha212 chu kì) gồm có 2 sơ đồ: sơ đồ hình tia và sơ đồ
hình cầu.
- Chỉnh lưu 3 pha (3 pha21 chu kì) hay sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia.
- Chỉnh lưu 6 pha (3 pha212 chu kì) sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha (sơ đồ cầu
đối xứng, không đối xứng, bộ biến đổi đảo dòng).
Trong pham vi đề tài này ta sẽ thiết kế bộ chỉnh lưu dùng sơ cầu ba pha dùng
Thiristor đối xứng.
3.4. Chỉnh lưu tia ba pha sử dụng diode.
3.5. Chỉnh lưu tia ba pha sử dụng thyristor.
3.6. Chỉnh lưu cầu ba pha sử dụng diode.
3.7. Chỉnh lưu cầu ba pha sử dụng thyristor.
3.7.1. Sơ đồ và dạng sóng.
Vẽ hình 1.16
Đây là chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển hai nửa chu kỳ gồm 6 thiristor chia
làm hai nhóm:
+ T1,T3,T5 là nhóm catôt nối chung.
+ T2,T4,T6 là nhóm anốt nối chung.
Điện áp các pha thứ cấp máy biến áp.
u2a = 22 .sinU
u2b = 222 .sin( )3
U
u2c = 242 .sin( )3
U
Góc mở α được tính từ giao điểm của các nửa hình sin.
Giả thiết dòng điện được san bằng tuyệt đối : L = ∞.
Hình vẽ bằng tay1.17
3.7.2. Nguyên lý hoạt động.
Giả thiết T5 và T6 đang cho dòng chảy qua :2
2
F c
G b
V uV u
Khi θ = θ1 =6 cho xung điều khiển mở T1. Thiristor này mở vì u2a >
0. Sự mở của T1 làm cho T5 bị khóa lại một cách tự nhiên vì u2a > u2c. Lúc này T6
và T1 cho dòng chạy qua.
Điện áp trên tải: ud = uab =u2a - u2b
Khi θ = θ2 =36 cho xung điều khiển mở T2. Thiristor này mở vì khi T6
dẫn dòng, nó đặt u2b lên anôt T2 mà u2b > u2c. Sự mở của T2 làm cho T6 bị khóa
lại một cách một cách tự nhiên vì u2b > u2c.
HÌNH VẼ BẰNG TAY CHU KỲ XUNG Dk 1.18
Các xung điều khiển lệch nhau một góc3
được lần lượt đưa đến các cực
điều khiển của các thiristor theo thứ tự 1,2,3,4,5,6,…
Trong mỗi nhóm,khi một thiristor mở,nó sẽ khoá ngay thiristor dẫn dòng
trước nó, theo tóm tắt sau đây:
Trị trung bình điện áp trên tải:
Đường bao phía trên biểu diến điện thế của điểm F là vF. Đường bao phía
dưới biểu diễn điện thế của điểm G là vG.
Điện áp trên mạch tải là ud =vF - vG là khoảng cách thẳng đứng giữa hai
đường bao.
Thời điểm Mở Khóa
1 = /6 + 2 = 3/6 + 3 = 5/6 + 4 = 7/6 + 5 = 9/6 + 6 =11/6 +
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T5
T6
T1
T2
T3
T4
Ud =
56
22
6
3 66 2 sin . os2
UU d c
Cũng có thể tính Ud=Ud1-Ud2, trong đó Ud1 là giá trị trung bình của ud1 do
nhóm catôt chung tạo nên, còn Ud2 là giá trị trung bình của ud2 do nhóm anôt tạo
nên.
Ud1 =
56
22
6
3 63 2 sin . os2 2
UU d c
Ud2 =
56
22
36
3 63 22 sin( ). os2 3
UU d c
Trùng dẫn
Hình 1.19: Sơ đồ khi 2 nguồn ea và eb bị nối ngắn mạch.
Hình 1.20: Hình biểu diễn hiện tượng trùng dẫn.
Giả thiết T1 và T2 đang dẫn dòng. Khi θ = θ1 cho xung điều khiển mở T3. Do
Lc ≠ 0 nên dòng iT3 không thể đột ngột tăng từ 0 đến Id và dòng iT1 cũng không
thể đột ngột giảm từ Id xuống 0. Cả ba thiristor T1, T2 và T3 đều dẫn dòng.
Hai nguồn ea và eb nối ngắn mạch.
Nếu chuyển gốc toạ độ từ 0 sang θ1,ta có:
252. .sin( )6ae U
22. .sin( )6be U
Điện áp ngắn mạch:
26. .sin( ) 2 cc c
diu U Xd
=ea-eb
Dòng điện ngắn mạch ic được xác định bởi phương trình :
26. os -cos +2c
c
Ui cX
Dòng điện chảy trong T1 là : iT1 = Id – ic.
Dòng điện chảy trong T3 là : iT3 = ic
Giả thiết quá trình trùng dẫn kết thúc khi θ = θ2,và ký hiệu μ = θ2 – θ1 là góc
trùng dẫn. Khi θ = μ, iT1 = 0, ta có biểu thức sau:
2
2os -cos +6c dX IcU
(*)
Hình dạng điện áp ud trong giai đoạn trùng dẫn.
Trong khoảng θ1 đến θ2 : T2 dẫn dòng,T1 và T3 cùng dẫn dòng,vậy có thể viết
phương trình sau:
12 Ta c c d
die e L udt
32 Tb c c d
die e L udt
1 3 2 onstT T T di i i I c
Từ ba phương trình trên rút ra:
2a b
d ce eu e
Do trùng dẫn (Lc ≠ 0) nên trị trung bình của điện áp tải bị giảm đi một lượng
∆Uμ.
Xác định ∆Uμ :
∆Uμ = 20 0
6 3 6 sin2 2
a bb
e ee d U d
∆Uμ = 23 6 os -cos +2U c
Thay (*) vào biểu thức rút ra :
∆Uμ =3 c dX I
Chương 2: THIẾT KẾ MẠNH ĐỘNG LỰC
1. Tính chọn van động lực.
2. ad