Luận văn Nghiên cứu về điện tử công suất và ứng dụng của điện tử công suất để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

LỜI NÓI ĐẦU

Trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngày

càng có nhiều thiết bị bán dẫn công suất hiện đại được sử dụng không

chỉ trong lĩnh vực sản xuất mà cả trong việc phục vụ đời sống sinh

hoạt của con người. Sự ra đời và phát triển của các linh kiện bán dẫn

công suất như: diode, transistor, tiristor, triac… Cùng với việc hoàn

thiện mạch điều khiển chúng đã tạo nên sự thay đổi sâu sắc, vượt bậc

của kỹ thuật biến đổi điện năng và của cả ngành kỹ thuật điện nói

chung.

Hiện nay, mạng điện ở nước ta chủ yếu là điện xoay chiều với

tần số điện công nghiệp. Để cung cấp nguồn điện một chiều có giá trị

điện áp và dòng điện điều chỉnh được cho những thiết bị điện dùng

trong các hệ thống truyền động điện một chiều, người ta đã hoàn thiện

bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng tiristor.

Vì những lý do trên, đề tài “ Nghiên cứu về điện tử công suất

và ứng dụng của điện tử công suất để điều chỉnh tốc độ động cơ một

chiều kích từ độc lập “ sẽ đi sâu vào nghiên cứu các hệ thống truyền

động có dùng điện tử công suất để điều chỉnh tốc độ động cơ một

chiều kích từ độc lập.

Luận văn được trình bày gồm ba chương:

Chương I: Giới thiệu về điện tử công suất.

Chương II: Nghiên cứu và trình bày các phương pháp

điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập

Chương III: Các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ

một chiều kích từ độc lập có dùng điện tử công suất.

Do điều kiện thời gian, kiến thức còn hạn hẹp, nên tập luận văn

sẽ không tránh khỏi những thiếu sót về mặt nội dung lẫn hình thức.

Sinh viên thực hiện rất mong nhận được sự quan tâm, chỉ bảo của quý

thầy cô, bạn bè để tập luận văn được hoàn thiện hơn.

Sinh viên thực hiện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM.

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC.

-----------0O0----------

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên : VÕ NGỌC TOẢN

Lớp : 95KĐĐ

Ngành : Điện - Điện tử

1. Tên đề tài: Nghiên cứu về điện tử công suất và ứng dụng của điện tử công suất để

điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập.

2. Các số liệu ban đầu:

.................................................................................................................................................

3. Nội dung các phần thuyết minh, tính toán:

.................................................................................................................................................

4. Các bản vẽ:

.................................................................................................................................................

Chương I

GIỚI THIỆU VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

I. DIODE CÔNG SUẤT:

I. 1 Cấu tạo:

- +

N

P

Anốt

q

P

N

d

- 0 

Kat

ố

t

Hình 1. 1

( a )

( b )

a). Cấu tạo của diode.

b). Ký hiệu của diode.

Diode công suất là linh kiện bán dẫn có hai cực, được cấu tạo bởi một lớp

bán dẫn N và một lớp bán dẫn P ghép lại.

Silic là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm IV trong bảng hệ thống tuần

hoàn. Silic có 4 điện tử thuộc lớp ngoài cùng trong cấu trúc nguyên tử. Nếu ta kết

hợp thêm vào một nguyên tố thuộc nhóm V mà lớp ngoài cùng có 5 điện tử thì 4

điện tử của nguyên tố này tham gia liên kết với 4 điện tử tự do của Silic và xuất

hiện một điện tử tự do. Trong cấu trúc tinh thể, các điện tử tự do làm tăng tính

dẫn điện. Do điện tử có điện tích âm nên chất này được gọi là chất bán dẫn loại N

(negative), có nghĩa là âm.

Nếu thêm vào Silic một nguyên tố thuộc nhóm III mà có 3 nguyên tử

thuộc nhóm ngoài cùng thì xuất hiện một lổ trống trong cấu trúc tinh thể. Lỗ

trống này có thể nhận 1 điện tử, tạo nên điện tích dương và làm tăng tính dẫn

điện. Chất này được gọi là chất bán dẫn loại P (positive), có nghĩa là dương.

Trong chất bán dẫn loại N điện tử là hạt mang điện đa số, lỗ trống là thiểu

số. Với chất bán dẫn loại P thì ngược lại.

Ở giữa hai lớp bán dẫn là mặt ghép PN. Tại đây xảy ra hiện tượng khuếch

tán. Các lỗ trống của bán dẫn loại P tràn sang N là nơi có ít lỗ trống. Các điện tử

của bán dẫn loại N chạy sang P là nơi có ít điện tử. Kết quả tại mặt tiếp giáp phía

P nghèo đi về diện tích dương và giàu lên về điện tích âm. Còn phía bán dẫn loại

N thì ngược lại nên gọi là vùng điện tích không gian dương.

Trong vùng chuyển tiếp (-) hình thành một điện trường nội tại. Ký hiệu

là E_ivà có chiều từ N sang P hay còn gọi là barie điện thế (khoảng từ 0,6V đến

0,7V đối với vật liệu là Silic). Điện trường này ngăn cản sự di chuyển của các

điện tích đa số và làm dễ dàng cho sự di chuyển của các điện tích thiểu số

(điện tử của vùng P và lổ trống của vùng N). Sự di chuyển của các điện tích thiểu

số hình thành nên dòng điện ngược hay dòng điện rò.

I. 2 Nguyên lý hoạt động:

E_i

N

P

N

P

U

+ -

( a )

- +

( b )

Hình 1. 2

a). Sự phân cực thuận diode.

b). Sự phân cực ngược diode.

Khi đặt diode công suất dưới điện áp nguồn U có cực tính như hình vẽ,

chiều của điện trường ngoài ngược chiều với điện trường nội E_i. Thông thường

U > E_ithì có dòng điện chạy trong mạch, tạo nên điện áp rơi trên diode khoảng

0,7V khi dòng điện là định mức. Vậy sự phân cực thuận hạ thấp barie điện thế.

Ta nói mặt ghép PN được phân cực thuận.

Khi đổi chiều cực tính điện áp đặt vào diode, điện trường ngoài sẽ tác động

cùng chiều với điện trường nội tại E_i. Điện trường tổng hợp cản trở sự di chuyển

của các điện tích đa số. Các điện tử của vùng N di chuyển thẳng về cực dương

nguồn U làm cho điện thế vùng N vốn đã cao lại càng cao hơn so với vùng P. Vì

thế vùng chuyển tiếp lại càng rộng ra, không có dòng điện chạy qua mặt ghép

PN. Ta nói mặt ghép PN bị phân cực ngược. Nếu tiếp tục tăng U, các điện tích

được gia tốc, gây nên sự va chạm dây chuyền làm barie điện thế bị đánh thủng.

Đặc tính volt-ampe của diode công suất được biểu diễn gần đúng bằng biểu

thức sau: I = I_S[ exp (eU/kT) – 1 ]

Trong đó:

( 1. 1 )

- I_S: Dòng điện rò, khoảng vài chục mA

- e = 1,59.10^{- 19}Coulomb

- k = 1,38.10^{- 23}: Hằng số Bolzmann

- T = 273 + t⁰: Nhiệt độ tuyệt đối (⁰K)

- t⁰: Nhiệt độ của môi trường (⁰C)

- U : Điện áp đặt trên diode (V)

I

1

U

U_Z

U_

2

Hình 1. 3 Đặc tính volt-ampe của diode.

Đặc tính volt-ampe của diode gồm có hai nhánh:

1. Nhánh thuận

2. Nhánh ngược

Khi diode được phân cực thuận dưới điện áp U thì barie điện thế E_igiảm

xuống gần bằng 0. Tăng U, lúc đầu dòng I tăng từ từ cho đến khi U lớn hơn

khoảng 0,1V thì I tăng một cách nhanh chóng, đường đặc tính có dạng hàm mũ.

Tương tự, khi phân cực ngược cho diode, tăng U, dòng điện ngược cũng

tăng từ từ. Khi U lớn hơn khoảng 0,1V dòng điện ngược dừng lại ở giá trị vài

chục mA và được ký hiệu là I_S. Dòng I_Slà do sự di chuyển của các điện tích thiểu

số tạo nên. Nếu tiếp tục tăng U thì các điện tích thiểu số di chuyển càng dễ dàng

hơn, tốc độ di chuyển tỉ lệ thuận với điện trường tổng hợp, động năng của chúng

tăng lên. Khi U  = U_Zthì sự va chạm giữa các điện tích thiểu số di chuyển với

tốc độ cao sẽ bẻ gảy được các liên kết nguyên tử Silic trong vùng chuyển tiếp và

xuất hiện những điện tử tự do mới. Rồi những điện tích tự do mới này chịu sự

tăng tốc của điện trường tổng hợp lại tiếp tục bắn phá các nguyên tử Silic. Kết

quả tạo một phản ứng dây chuyền làm cho dòng điện ngược tăng lên ào ạt và sẽ

phá hỏng diode. Do đó, để bảo vệ diode người ta chỉ cho chúng hoạt động với giá

trị điện áp: U = (0,7  0,8)U_Z.

Khi diode hoạt động, dòng điện chạy qua diode làm cho diode phát nóng,

chủ yếu ở tại vùng chuyển tiếp. Đối với diode loại Silic, nhiệt độ mặt ghép cho

phép là 200⁰C. Vượt quá nhiệt độ này diode có thể bị phá hỏng. Do đó, để làm

mát diode, ta dùng quạt gió để làm mát, cánh tản nhiệt hay cho nước hoặc dầu

biến thế chảy qua cánh tản nhiệt với tốc độ lớn hay nhỏ tùy theo dòng điện.

Các thông số kỹ thuật cơ bản để chọn diode là:

- Dòng điện định mức I_đm(A)

- Điện áp ngược cực đại U_ngmax( V )

- Điện áp rơi trên diode U ( V )

I. 3 Ứng dụng:

Ứng dụng chủ yếu của diode công suất là chỉnh lưu dòng điện xoay chiều

thành dòng điện một chiều cung cấp cho tải.

Các bộ chỉnh lưu của diode được chia thành hai nhóm chính:

- Chỉnh lưu bán kỳ hay còn gọi là chỉnh lưu nửa sóng.

- Chỉnh lưu toàn kỳ hay còn gọi là chỉnh lưu toàn sóng.

II. TRANSISTOR CÔNG SUẤT:

II. 1 Cấu tạo:

Transistor là linh kiện bán dẫn gồm 3 lớp: PNP hay NPN.

C

P

N

B

C

P

B

E

( b )

E

( a )

Về mặt vật lý, transistor gồm 3 phần: phần phát, phần nền và phần thu.

Hình 1. 4 Transistor PNP:

Vùng nền (B) rất mỏng.

a). Cấu tạo

Transistor công suất có cấu trúc và ký hiệu như sau:

b). Ký hiệu

I_C

C

B

I_B

C

U_CE

N

P

N

B

U_BE

E   B

E

C

I_E

B

Hình(1a. )6 Transistor công suất

( b )

b). Ký hiệu

( b )

E

a). Cấu trúc

E

( a )

II. 2 Nguyên lý hoạt động:

Hình 1. 5 Transistor NPN:

a). Cấu tạo

E

C

b). Ký hiệu

P

p



N



N

p

Emite

I_E

Colecto



E

C



Base

I_C

I_E

+

-



Hình 1. 7 Sơ đồ phân cực transistor.

R_EU_EE

U_CC

R_C

Điện thế U_EEphân cực thuận mối nối B - E (PN) là nguyên nhân làm cho

vùng phát (E) phóng điện tử vào vùng P (cực B). Hầu hết các điện tử (electron)

sau khi qua vùng B rồi qua tiếp mối nối thứ hai phía bên phải hướng tới vùng N

(cực thu), khoảng 1 electron được giữ lại ở vùng B. Các lỗ trống vùng nền di

chuyển vào vùng phát.

Mối nối B - E ở chế độ phân cực thuận như một diode, có điện kháng nhỏ

và điện áp rơi trên nó nhỏ thì mối nối B - C được phân cực ngược bởi điện áp

U_CC. Bản chất mối nối B - C này giống như một diode phân cực ngược và điện

kháng mối nối B - C rất lớn.

Dòng điện đo được trong vùng phát gọi là dòng phát I_E. Dòng điện đo

được trong mạch cực C (số lượng điện tích qua đường biên CC trong một đơn vị

thời gian là dòng cực thu I_C).

Dòng I_Cgồm hai thành phần:

- Thành phần thứ nhất (thành phần chính) là tỉ lệ của hạt electron ở cực

phát tới cực thu. Tỉ lệ này phụ thuộc duy nhất vào cấu trúc của transistor và là

hằng số được tính trước đối với từng transistor riêng biệt. Hằng số đã được định

nghĩa là . Vậy thành phần chính của dòng I_Clà I_E. Thông thường  = 0,9 

0,999.

- Thành phần thứ hai là dòng qua mối nối B - C ở chế độ phân cực ngược

lại khi I_E= 0. Dòng này gọi là dòng I_CBO– nó rất nhỏ.

- Vậy dòng qua cực thu: I_C= I_E+ I_CBO

.

* Các thông số của transistor công suất:

- I_C: Dòng colectơ mà transistor chịu được.

- U_CEsat: Điện áp U_CEkhi transistor dẫn bão hòa.

- U_CEO: Điện áp U_CEkhi mạch badơ để hở, I_B= 0 .

- U_CEX: Điện áp U_CEkhi badơ bị khóa bởi điện áp âm, I_B< 0.

- t_on: Thời gian cần thiết để U_CEtừ giá trị điện áp nguồn U giảm xuống

U_CESat 0.

- t_f: Thời gian cần thiết để i_Ctừ giá trị I_Cgiảm xuống 0.

- t_S: Thời gian cần thiết để U_CEtừ giá trị U_CESattăng đến giá trị điện áp

nguồn U.

- P: Công suất tiêu tán bên trong transistor. Công suất tiêu tán bên trong

transistor được tính theo công thức: P = U_BE.I_B+ U_CE.I_C.

- Khi transistor ở trạng thái mở: I_B= 0, I_C= 0 nên P = 0.

- Khi transistor ở trạng thái đóng: U_CE= U_CESat

.

Trong thực tế transistor công suất thường được cho làm việc ở chế độ

khóa: I_B= 0, I_C= 0, transistor được coi như hở mạch. Nhưng với dòng điện gốc ở

trạng thái có giá trị bão hòa, thì transistor trở về trạng thái đóng hoàn toàn.

Transistor là một linh kiện phụ thuộc nên cần phối hợp dòng điện gốc và dòng

điện góp. Ở trạng thái bão hòa để duy trì khả năng điều khiển và để tránh điện

tích ở cực gốc quá lớn, dòng điện gốc ban đầu phải cao để chuyển sang trạng thái

dẫn nhanh chóng. Ở chế độ khóa dòng điện gốc phải giảm cùng qui luật như

dòng điện góp để tránh hiện tượng chọc thủng thứ cấp.

I_C

a

I_C

U_CE

( b )

I_C

b



U_CE

( a )

Hình 1. 8 Trạng thái dẫn và trạng thái bị khóa

a). Trạng thái đóng mạch hay ngắn mạch I_Blớn, I_Cdo tải giới

hạn.

b). Trạng thái hở mạch I_B= 0.

Các tổn hao chuyển mạch của transistor có thể lớn. Trong lúc chuyển

mạch, điện áp trên các cực và dòng điện của transistor cũng lớn. Tích của dòng

điện và điện áp cùng với thời gian chuyển mạch tạo nên tổn hao năng lượng

trong một lần chuyển mạch. Công suất tổn hao chính xác do chuyển mạch là hàm

số của các thông số của mạch phụ tải và dạng biến thiên của dòng điện gốc.

* Đặc tính tĩnh của transistor: U_CE= f (I_C).

Để cho khi transistor đóng, điện áp sụt bên trong có giá trị nhỏ,

người ta phải cho nó làm việc ở chế độ bão hòa, tức là I_Bphải đủ lớn để I_Ccho

điện áp sụt U_CEnhỏ nhất. Ở chế độ bão hòa, điện áp sụt trong transistor công suất

bằng 0,5 đến 1V trong khi đó tiristor là khoảng 1,5V.

U_CE

Vùng

tuyến

tính

Vùng gần bão hòa

Vùng bão hòa

I_C

Hình 1. 9 Đặc tính tĩnh của transistor: U_CE= f ( I_C).

II. 3 Ứng dụng của transistor công suất:

Transistor công suất dùng để đóng cắt dòng điện một chiều có cường độ

lớn. Tuy nhiên trong thực tế transistor công suất thường cho làm việc ở chế độ

khóa.

I_B= 0, I_C= 0: transistor coi như hở mạch.

II. 4 Transistor Mos công suất:

Transistor trường FET (Field – Effect Transistor) được chế tạo theo công

nghệ Mos (Metal – Oxid – Semiconductor), thường sử dụng như những chuyển

mạch điện tử có công suất lớn. Khác với transistor lưỡng cực được điều khiển

bằng dòng điện, transistor Mos được điều khiển bằng điện áp. Transistor Mos

gồm các cực chính: cực máng (drain), nguồn (source) và cửa (gate). Dòng điện

máng - nguồn được điều khiển bằng điện áp cửa – nguồn.



Điện

= 9V

= 7,5V

= 6V

= 4,5V

Máng

trở

hằng

số

Dòng

iện

Cửa

máng



= 3V

 Nguồn

Điện áp máng – nguồn

( a )

( b )

Hình 1. 10 Transistor Mos công suất:

a). Họ đặc tính ra.

b). Ký hiệu thông thường kênh N.

Transistor Mos là loại dụng cụ chuyển mạch nhanh. Với điện áp 100V tổn

hao dẫn ở chúng lớn hơn ở transistor lưỡng cực và tiristor, nhưng tổn hao chuyển

mạch nhỏ hơn nhiều. Hệ số nhiệt điện trở của transistor Mos là dương. Dòng điện

và điện áp cho phép của transistor Mos nhỏ hơn của transistor lưỡng cực và

tiristor.

III. TIRISTOR:

III. 1 Cấu tạo:

Tiristor là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn PNPN liên tiếp tạo nên anốt, katốt

và cực điều khiển.

A

P₁

J₁

N₁

J₂

G

P₂

G

J₃

N₂

K

Hình 1. 11

( a )

( b )

a). Cấu tạo của tiristor.

b). Ký hiệu của tiristor.

Trong đó:

- A: anốt.

- K: katốt.

- G: cực điều khiển.

- J₁, J₂, J₃: các mặt ghép.

Tiristor gồm 1 đĩa Silic từ đơn thể loại N, trên lớp đệm loại bán dẫn P có

cực điều khiển bằng dây nhôm, các lớp chuyển tiếp được tạo nên bằng kỹ thuật

bay hơi của Gali. Lớp tiếp xúc giữa anốt và katốt là bằng đĩa môlipđen hay

tungsen có hệ số nóng chảy gần bằng với Gali. Cấu tạo dạng đĩa kim loại để dễ

dàng tản nhiệt.

III. 2 Nguyên lý hoạt động:

Đặt tiristor dưới điện áp một chiều, anốt nối vào cực dương, katốt nối vào

cực âm của nguồn điện áp, J₁, J₃phân cực thuận, J₂phân cực ngược. Gần như

toàn bộ điện áp nguồn đặt trên mặt ghép J₂. Điện trường nội tại E_icủa J₂có chiều

từ N₁hướng về P₂. Điện trường ngoài tác động cùng chiều với E_ivùng chuyển

tiếp cũng là vùng cách điện càng mở rộng ra không có dòng điện chạy qua tiristor

mặc dù nó bị đặt dưới điện áp.

I

I_H

U_Z

U

0

U_ch

Hình 1. 12 Đặc tính volt-ampe của tiristor.

* Mở tiristor:

Cho một xung điện áp dương U_gtác động vào cực G ( dương so với K ),

các điện tử từ N₂sang P₂. Đến đây, một số ít điện tử chảy vào cực G và hình

thành dòng điều khiển I_gchạy theo mạch G - J₃- K - G còn phần lớn điện tử chịu

sức hút của điện trường tổng hợp của mặt ghép J₂lao vào vùng chuyển tiếp này,

tăng tốc, động năng lớn bẻ gảy các liên kết nguyên tử Silic, tạo nên điện tử tự do

mới. Số điện tử mới được giải phóng tham gia bắn phá các nguyên tử Silic trong

vùng kế tiếp. Kết quả của phản ứng dây chuyền làm xuất hiện nhiều điện tử chạy

vào N₁qua P₁và đến cực dương của nguồn điện ngoài, gây nên hiện tượng dẫn

điện ào ạt, J₂trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ một điểm ở xung quanh cực

G rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép.

Điện trở thuận của tiristor khoảng 100K khi còn ở trạng thái khóa, trở

thành 0,01 khi tiristor mở cho dòng chạy qua.

Tiristor khóa + U_AK> 1V hoặc I_g> I_gstthì tiristor sẽ mở. Trong đó I_gstlà

dòng điều khiển được tra ở sổ tay tra cứu tiristor.

t_on: Thời gian mở là thời gian cần thiết để thiết lập dòng điện chạy trong

tiristor, tính từ thời điểm phóng dòng I_gvào cực điều khiển. Thời gian mở tiristor

kéo dài khoảng 10s.

* Khóa tiristor: Có 2 cách:

- Làm giảm dòng điện làm việc I xuống dưới giá trị dòng duy trì I_H

( Holding Current ).

- Đặt một điện áp ngược lên tiristor. Khi đặt điện áp ngược lên

tiristor: U_AK< 0, J₁và J₃bị phân cực ngược, J₂phân cực thuận, điện tử đảo chiều

hành trình tạo nên dòng điện ngược chảy từ katốt về anốt, về cực âm của nguồn

điện ngoài.

Tiristor mở + U_AK< 0  tiristor khóa.

Thời gian khóa t_off: Thời gian từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược

( t₀) đến dòng điện ngược bằng 0 ( t₂), t_offkéo dài khoảng vài chục s.

* Xét sự biến thiên của dòng điện i( t ) trong quá trình tiristor khóa:

I

t₁t₂

t₀

t

Hình 1. 13 Sự biến thiên của dòng iện i( t ) trong quá trình tiristor khóa.

Từ t₀đến t₁dòng điện ngược lớn, sau đó J₁, J₃trở nên cách điện. Do hiện

tượng khuếch tán một ít điện tử giữa hai mặt J₁và J₃ít dần đi đến hết. J₂khôi

phục tính chất của mặt ghép điều khiển.

III. 3 Ứng dụng:

Tiristor được sử dụng trong các bộ nguồn đặc biệt: trong mạch chỉnh lưu,

bộ băm và trong bộ biến tần trực tiếp hoặc các bộ biến tần có khâu trung gian

một chiều.

- Ứng dụng tiristor trong mạch điều khiển tốc độ động cơ.

- Chuyển mạch tĩnh.

- Khống chế pha.

- Nạp ắcqui.

- Khống chế nhiệt độ.

IV. TRIAC:

IV. 1 Cấu tạo:

Triac là thiết bị bán dẫn ba cực, bốn lớp có đường đặc tính volt-ampe đối

xứng, nhận góc mở  cho cả hai chiều. Triac được chế tạo để làm việc trong

mạch điện xoay chiều, có tác dụng như 2 SCR đấu song song ngược.

T₂

N

P

N

P

T₂

N

G

T₁

G

T₁

Hình 1. 14

( b )

( a )

a). Cấu tạo của triac.

b). Ký hiệu của triac.

Triac được chế tạo trên cùng một đơn tinh thể gồm hai cực và chỉ có một

cực điều khiển.

IV. 2 Nguyên lý làm việc:

T₁là cực gần với cực điều khiển G.

I

( I ) : T₁dương

Trạng thái dẫn

I_g2> I_g1

I_g= 0 : Trạng thái khóa

0

- U_t

U_t

U_B2U_B1U_B0

( III ) : T₂âm

Ở góc phần tư thứ nhất ( I ): U_T2> U_T1còn ( III ) thì ngược lại.

Điện áp U_B0là giá trị điện áp mở đưa triac từ trạng thái bị khóa sang dẫn

khi không có dòng điều khiển, I_g= 0. Khi có dòng điều khiển I_gtriac sẽ mở với

điện áp đặt vào nhỏ hơn.

Triac chỉ bị khóa khi I_g= 0 và điện áp đặt vào nhỏ hơn ngưỡng U_Bvà mở

theo chiều này hoặc chiều khác tùy theo cực tính của dòng điện điều khiển.

* Có 4 cách để mở triac:

- Ở góc phần tư thứ nhất ( I ):

Cách I⁺: Dòng, áp, cực điều khiển dương.

Cách I^-: Dòng, áp, cực điều khiển âm.

- Ở góc phần tư thứ ba ( III ):

Cách III⁺: Dòng, áp, cực điều khiển dương.

Cách III^-: Dòng, áp, cực điều khiển âm.

- Triac có ưu điểm là mạch điều khiển đơn giản nhưng công suất

giới hạn nhỏ hơn tiristor.

IV. 3 Ứng dụng:

Triac dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, trong mạch chỉnh lưu.

Ngoài ra, triac còn dùng để điều chỉnh ánh sáng điện, nhiệt độ lò.

Chương II

NGHIÊN CỨU VÀ TRÌNH BÀY

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

I. KHÁI NIỆM CHUNG:

I. 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.

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.

I. 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:

I. 2. 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.

I. 2. 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_maxvà tốc độ bé

nhất n_minmà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức: D =

n_max/n_min.

Trong đó:

- n_max: Được giới hạn bởi độ bền cơ học.

- n_min: Được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ,

thông thường người ta chọn n_minlàm 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.

I. 2. c Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ:

Độ cứng:  = M/n. Khi  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  càng lớn thì càng tốt.

I. 2. d Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ:

Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ. Độ liên tục

khi điều chỉnh tốc độ  được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau:

 = n_i/n_i+1

Trong đó:

- n_i: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i.

- n_{i + 1}: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 ).

Với n_ivà n_{i + 1}đều lấy tại một giá trị moment nào đó.

 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.

  1 : Hệ thống điều chỉnh có cấp.

I. 2. 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  là cao nhất khi tổn hao năng lượng P_phụ

mức thấp nhất.

ở

I. 2. 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.

II. 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 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.

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

R_u R _f

K _EK _M ²

U

n 



M

K _E

Ta có tốc độ không tải lý tưởng: n₀= U_đm/K_E_đm.Và độ cứng của đường

đặc tính cơ:

dM

dn

K _EK _M ²

R_u R _f

 

 

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.

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

TN ( U

)

m

n_cb

n₁

n₂

n₃

U

_m> U₁> U₂> U₃

U₁

U₂

U₃

n_cb> n₁> n₂> n₃

M

Hình 2. 1 Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ.

M_C

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: U_mincp= U_đm/10, nghĩa là phạm vi điều chỉnh:

D = n_cb/n_min= 10/1. Nếu điện áp phần ứng U < U_mincpthì 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 n_cb.

* 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.

III. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ BẰNG CÁCH THAY ĐỔI TỪ THÔNG:

+ 

 -

U

I_ư

Đ



C_KĐ

 -

+



U_KT

Hình 2. 2 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 = K_MI_ưvà sức điện động quay của động cơ

E_ư= K_E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 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…

Thực chất của phương pháp này là giảm từ thông. Nếu tăng từ thông thì

dòng điện kích từ I_KTsẽ 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 = U/K_E.

Mặt khác ta có: Moment ngắn mạch M_n= K_MI_nnên khi  giảm sẽ làm

cho M_ngiảm theo.

Độ cứng của đường đặc tính cơ:

K _EK _M ²

  

R

Khi  giảm thì độ cứng  cũng giảm, đặc tính cơ sẽ dốc hơn. Nên ta có họ

đường đặc tính cơ khi thay đổi từ thông như sau:

n

_đm> ₁> ₂

1

n

1

n_cb< n₁< n₂

₂



m

n_c

M

0 M_CM₂M₁M_n

Hình 2. 3 Họ ặc tính cơ khi thay ổi 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:

n_max= 3n_cbtức phạm vi điều chỉnh: D = n_max/n_cb= 3/1.

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.

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 n_cb. 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. Thiết bị đơn giản.

IV. 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

I_ư



R_f

E



C

_K
Đ

Hình 2. 4 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi

U_KT

+ 

 -

điện trở phụ trên mạch phần ứng.

Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc

lập:

R_u R _f

K _EK _M ²

U

n 



M

K _E

Khi thay đổi giá trị điện trở phụ R_fta nhận thấy tốc độ không tải lý tưởng:

và độ cứng của đường đặc tính cơ:

2

K K



dm

U_dm

E

M

  

;

n₀

 const

R _u R

K_E_dm

f

sẽ thay đổi khi giá trị R_fthay đổi. Khi R_fcàng lớn,  càng nhỏ nghĩa là đường

đặc tính cơ càng dốc. Ứng với giá trị R_f= 0 ta có độ cứng của đường đặc tính cơ

tự nhiên được tính theo công thức sau:

K _EK _M ²

dm

 _TN 

R_u

Ta nhận thấy _TNcó 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 R_fta được họ đặc tính cơ như sau:

n

n₀

TN

R_f1

n_cb

n₁

0 < R_f1< R_f2< R_f3

n_cb> n₁> n₂> n₃

n₂

n₃

0

R_f2

R

M, I

M_C

Hình 2. 5 Họ đặc tính cơ khi ^ft³hay 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 n₁ta đóng thêm R_fvào mạch phần ứng. Khi đó dòng điện phần ứng I_ưđột

ngột giảm xuống, còn tốc độ động cơ do quán tính nên chưa kịp biến đổi. Dòng

I_ưgiảm làm cho moment động cơ giảm theo và tốc độ giảm xuống, sau đó làm

việc xác lập tại tốc độ n₂với 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  xa 1 tức n₁cách xa n₂, n₂cách xa

n₃…

Khi giá trị n_mincàng tiến gần đến 0 thì phạm vi điều chỉnh:

D = n_cb/n_min .

Trong thực tế, R_fcàng lớn thì tổn thất năng lượng phụ tăng. Khi động cơ

làm việc ở tốc độ n = n_cb/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 R_fcàng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm. Đồng thời dòng điện

ngắn mạch I_nvà moment ngắn mạch M_ncũng 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 n_cb.

* 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.

V. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ BẰNG CÁCH 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

 -

R_n

I_S

R_S



I_ư

I_n

E



C_KĐ

R

Hình 2. 6 Sơ đồ nguyên lý phương ^Kp^Đháp điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ

mạch phần ứng.

Một hệ thống khi điều chỉnh cần tốc độ nhỏ hơn n_cbvà 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 _SR _n

R _u



R _S

K  R _S R _n

R _S R _n

U

n 



M

K K



E

M

2

R_SR_n

R_S R_n

R_u

R_S

n  n₀



M

K _EK _M ²

R _S

R_S R_n

 n'₀ n₀

 n₀

R _S R _n

Từ phương trình trên, ta nhận thấy tốc độ động cơ n_Đ< n_cb. Mặt khác ta

có:

R_S

R_u R_n R_u

 R_u

R_S R_n

   _PM _TN



R_f

R_n

Độ cứng của đường đặc tính cơ rẽ mạch phần ứng _PMnhỏ hơn độ cứng

của đặc tính cơ tự nhiên _TNnhưng lại lớn hơn độ cứng của đặc tính cơ có điện

trở phụ _Rfvới điện trở phụ chính là R_n.

Để điều chỉnh tốc độ động cơ trong trường hợp này ta tiến hành như sau:

* Giữ nguyên R_n, thay đổi giá trị R_S:

- Khi R_S= 0: Đây là trạng thái hãm động năng với tốc độ hãm động

năng n_HĐN= 0.

U_dm

 Khi:R_S:I_A

R_n

Ta có họ ặc tính cơ như

sau:

n

₀

Hình 2. 7 Họ đặc tính cơ khi R_n= const, R_Sthay đổi.

Như vậy, khi giữ nguyên R_n, thay đổi giá trị R_Sthì vùng điều chỉnh tốc độ

bị hạn chế và modun độ lớn đặc tính cơ tăng dần khi tốc độ giảm.

* Giữ nguyên R_S, thay đổi giá trị R_n:

- Khi R_n= 0: R_Skhông ảnh hưởng đến đường đặc tính cơ. Lúc này

ta xem R_Snhư là tải nối song song với động cơ. Ta có được đường đặc tính cơ tự

nhiên.

- Khi R_n= : 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 R_HĐN= R_S. Ta có :

I_B= U_đm/R_S. Ta có họ đặc tính cơ như sau:

n

n₀

TN ( R_N= 0 )

n_c

n₁

R_n1

0 < R_n1< R_n2< R_n=



n₂

R_n2

n <

n

I

I_B

M_C

R_n= 0

Hình 2.8 Họ ặc tính cơ khi R_S= const, R_nthay

Vậy, khi giữ nguyên R_Svà thay đổi R_nthì phạm vi điều chỉnh không bị

i.

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 R_Svà R_n:

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 R_S.

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 n_cb.

* 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.

* Nhược điểm:

- Phương pháp này dùng tiếp điểm để đóng cắt điện trở nên độ tinh

chỉnh không cao, điều chỉnh tốc độ có cấp, phạm vi điều chỉnh: D = ( 2  3 )/1.

- Do tổn thất công suất trong sơ đồ này khá lớn nên phạm vi ứng

dụng bị hạn chế. Phương pháp này chỉ áp dụng cho động cơ có công suất nhỏ,

thời gian làm việc ngắn với tốc độ thấp.

VI. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ BẰNG HỆ THỐNG MÁY PHÁT - ĐỘNG CƠ

( F - Đ ):

VI. 1 Sơ đồ nguyên lý:

Với những hệ thống điều chỉnh tốc độ vô cấp, phạm vi điều chỉnh tốc độ

tương đối rộng. Cần những tốc độ lớn hơn hay nhỏ hơn so với tốc độ cơ bản và

cần điều chỉnh liên tục như truyền động chính của một số máy bào giường có

năng suất thấp, truyền động quay trục cán thép có công suất trung bình và nhỏ,

truyền động đúc ống trong phương pháp đúc liên tục… thì người ta dùng hệ

thống F - Đ có sơ đồ nguyên lý như sau:

U₁; f₁



I_ư

P

mC

P



CD



+

n

Đ

K

F

C_KK

R_KK

U_Đ

P_cơ

CCSX

-

ĐSC

I_KF

C_K
Đ



C_KF

I_KĐ

R_KF

U_K

R_KĐ



 2



CD

1

Hình 2. 9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống máy phát – động cơ.

Trong đó:



- ĐSC: Động cơ sơ cấp, cung cấp động lực cho toàn hệ thống.

Nhận công suất điện xoay chiều, biến đổi điện năng thành cơ năng kéo máy phát

F và máy phát kích thích K. ĐSC có thể là động cơ nổ, động cơ điện tùy thuộc

vào chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống.

- F: Máy phát một chiều kích thích độc lập, cung cấp trực tiếp

nguồn một chiều cho phần ứng động cơ.

- Đ: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập kéo cơ cấu sản xuất (

CCSX ), là đối tượng cần điều chỉnh tốc độ trong phạm vi tương đối nhỏ.

- K: Máy phát kích thích, thực chất là máy phát điện một chiều đặc

biệt có từ dư lớn nên có khả năng tự kích. Phát ra điện một chiều U_Kcung cấp

cho mạch kích thích máy phát C_KFvà kích thích của động cơ C_KĐ.

VI. 2 Nguyên lý hoạt động:

Để khởi động hệ thống F - Đ ta tiến hành các bước như sau:

- Mở tất cả các cầu dao CD₁, CD₂.

- Điều chỉnh biến trở ở mạch kích thích của động cơ R_KĐở trị số

cực tiểu sao cho _Đmaxvà điều chỉnh biến trở ở mạch kích thích của máy phát

R_KFở trị số cực đại sao cho _Fmin

.

- Đóng cầu dao CD₁( lúc này CD₂vẫn hở ) khởi động động cơ

ĐSC. Động cơ ĐSC sẽ quay và đợi cho tốc độ ổn định. ĐSC quay làm cho máy

phát F và máy phát kích thích K quay.

- Đóng cầu dao CD₂để chọn chiều quay cho động cơ là thuận hay

ngược. Lúc này có _Fnhưng rất bé sẽ làm cho E_Fbé nên U_Đ= E_F– I_ưR_ưFbé.

Động cơ sẽ khởi động và quay với tốc độ thấp.

- Để tăng dần điện áp đặt vào động cơ, ta điều chỉnh biến trở R_KF

giảm dần về trị số cực tiểu ( tăng dòng kích từ của máy phát ), do đó, dòng I_ư

tăng dần, động cơ tăng tốc độ cho đến khi đạt đến n_cb. Quá trình khởi động đến

đây là chấm dứt.

- Để ngừng truyền động ta điều chỉnh R_KFtăng dần để giảm dòng

kích thích của máy phát làm cho điện áp phát ra của máy phát U_Fgiảm. Do đó,

tốc độ của động cơ giảm xuống và ngừng hẳn vào lúc U_F= 0. Sau đó mở cầu dao

CD₂dừng động cơ ĐSC.

Muốn thay đổi chiều quay của động cơ ta gạt cầu dao CD₂sang vị trí 2.

Với hệ thống F - Đ ta có thể điều chỉnh tốc độ theo hai hướng như sau:

* Để cho n_Đ< n_cb: Điều chỉnh biến trở R_KFcủa máy phát đạt giá trị

cực đại để giảm dòng kích từ của máy phát làm cho U_Fgiảm, tốc độ động cơ

giảm xuống đạt n_Đ< n_cb.

Gọi D_UĐ: Phạm vi điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp đặt lên phần ứng

động cơ. Ta có: D_UĐ= n_cb/n_min= 10/1.

* Để cho n_Đ> n_cb: Ta giữ U_Fở trị số định mức và điều chỉnh biến

trở R_KĐđạt giá trị cực đại để giảm từ thông kích thích của động cơ. Lúc này tốc

độ của động cơ tăng lên đạt n_Đ> n_cb.

Gọi D_Đ: Phạm vi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông của động

cơ. Ta có: D_Đ= n_max/n_cb= 3/1.

Kết hợp hai phương pháp điều chỉnh là giảm điện áp đặt vào phần ứng

động cơ U_Đvà giảm từ thông _Đta được phạm vi điều chỉnh chung:

D = D_UĐD_Đ= n_max/n_min= 30/1.

VI. 3 Thành lập phương trình đặc tính cơ của hệ thống F - Đ:

Phương trình đặc tính cơ tổng quát:

U

R

n 



I_u

K_E K_E

R _uD

U

 n 



I _u

K 

E

D

E

D

E

R _uD R _uF

F

n 



M

2

K



K



D

E

D

E

M

Phương trình cân bằng sức điện động của máy phát: U_Đ= E_F– I_ưR_ưF

Thay vào phương trình đặc tính cơ ta được:

R _uD R _uF

E

F

n 



I _u

K

_E

K

_E

D

Đây là phương trình đặc tính tốc độ của hệ thống.

Thay I_ư= M / K_M_Đvào phương trình đặc tính tốc độ ta được phương

trình đặc tính cơ của động cơ trong hệ thống F - Đ như sau:

E_F

R_uD R_uF

K_EK_M²

n_D



M

K_E_D

D

Từ phương trình đặc tính cơ của hệ thống ta nhận thấy: Ứng với

mỗi hướng điều chỉnh tốc độ động cơ khác nhau ( lớn hay nhỏ hơn so với tốc độ

cơ bản ) ta sẽ có những họ đặc tính điều chỉnh khác nhau như đã trình bày ở trên.

n

₃

n’₃

n’₂

n’₁

R_KĐ



₂

_Đ

₁

n_c

n₁

n₂

U

_m, 

m

R

_KF

U_Đ

U₁

U₂

M

Hình 2. 10 Họ đặc tính cơ điều chỉnh trong hệ thống F - Đ.

0 M_C

VI. 4 Đánh giá hệ thống F - Đ:

VI. 4. a Ưu điểm:

- Hệ thống này có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp, phạm vi điều chỉnh

rộng: D = ( 10  30 )/1 bởi vì quá trình điều chỉnh được thực hiện bằng mạch

kích thích của máy phát và động cơ. Có thể dùng phương pháp biến trở.

- Hệ thống có sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả

năng quá tải lớn nên thường được sử dụng ở các máy khai thác trong công nghiệp

nhỏ.

VI. 4. b Nhược điểm:

- Dùng 4 máy để quay nên khi làm việc sẽ gây tiếng ồn lớn, chiếm

nhiều diện tích để đặt máy. Đồng thời tổng công suất đặt vào hệ thống F - Đ quá

lớn: Gấp 3 lần so với yêu cầu nên vốn đầu tư lớn.

- Hiệu suất hoạt động của hệ thống tương đối thấp:

 = P_cơ2/P_đ< 0,75

- Đặc tính cơ dốc nên khi có dao động ở phụ tải thì thể hiện rõ hơn

nữa.

- Ngoài ra, do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có

trể nên khó điều chỉnh sâu tốc độ.

VI. 4. c Nhận xét:

Với hệ thống F - Đ vòng hở như trên, ta không thể thực hiện việc

ổn định tốc độ động cơ là nhiệm vụ cần thiết đối với các hệ thống truyền động

nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm được gia công trên máy, nâng cao chất

lượng kỹ thuật của một qui trình công nghệ mà máy sản xuất tham gia hoặc nâng

cao năng suất của máy.

Để thực hiện nhiệm vụ đó, ta thường dùng các hệ thống F-Đ có

khuếch đại máy điện dùng phản hồi vòng kín. Trong các hệ thống này, các bộ

khuếch đại máy điện sẽ sư dụng các liên hệ phản hồi, nghĩa là đưa một tín hiệu

đầu ra của hệ thống quay trở lại đầu vào của nó. Tín hiệu đầu ra có thể là điện áp,

dòng điện trong mạch chính hoặc tốc độ quay của động cơ. Tín hiệu đầu vào là

sức từ động của khuếch đại máy điện. Các khuếch đại máy điện thường dùng

hiện nay là máy kích từ nhiều cuộn dây điều chỉnh được, khuếch đại máy điện tự

kích và khuếch đại máy điện từ trường giao trục.

VII. HỆ THỐNG KHUẾCH ĐẠI MÁY ĐIỆN – ĐỘNG CƠ:

VII. 1 Khuếch đại máy điện ( KĐMĐ ):

KĐMĐ là máy phát một chiều đặc biệt. Có 2 loại KĐMĐ:

- KĐMĐ tự kích.

- KĐMĐ từ trường giao trục.

VII. 1. a Khuếch đại máy điện tự kích:

Là loại máy phát điện một chiều đặc biệt. Mạch từ được làm bằng

thép kỹ thuật cán nguội nên có từ trở nhỏ và đặc tính từ trễ hẹp.

Hệ thống kích từ có từ 3 đến 4 cuộn dây:

- Một cuộn làm kích từ độc lập ( kích từ chính ) đặt điện áp một chiều vào

và dùng để điều khiển sức điện động phát ra của phần ứng máy điện.

- Một cuộn làm nhiệm vụ tự kích, lấy điện áp phát ra hai đầu phần ứng

hoặc dòng điện trên mạch phần ứng quay trở lại tự kích.

- Các cuộn còn lại dùng để thực hiện các phản hồi trong hệ thống.

Sơ đồ nguyên lý KĐMĐ tự kích:

* KĐMĐ tự kích theo điện áp ( tự kích song song ):

CK

R₁



+ 

R₂

KĐM

ĐTK

U_ng

U_KĐMĐ

F₁

F₂



- 



CK

Hình 2. 11 Sơ đồ nguyên lý KĐMĐ tự kích song song.

CK

* KĐMĐ tự kích theo dòng điện ( tự kích nối tiếp ):

CK

R₁

I_KĐMĐ



+ 

F₁

KĐM

ĐTK

F₂

U_ng

U_KĐMĐ

CK



- 

CK

R₂

Hình 2. 12 Sơ đồ nguyên lý KĐMĐ tự kích nối tiếp.

Nhờ cuộn tự kích mà điện áp phát ra của KĐMĐ được nâng cao so

với máy phát thông thường. Dựa vào đặc tính volt-ampe của KĐMĐ ta thấy:

U_đmKĐMĐ= U_đm1+ U_đm2

U_KĐMĐ

CK

U

m2

U

mKĐMĐ

CK

U

m1

I_K

I

Hình 2. 13 Đặc tính volt-ampe của hệ thống KĐMĐ.

m

Khi có thêm CK₂thì U tăng lên một lượng U_đm2

.

Hệ số công suất: K_P= P_fư/P_KT= U_{KĐMĐ KĐMĐ}/U_KI_K= hàng trăm/1.

I

VII. 1 Khuếch đại máy điện từ trường giao trục:

Là máy phát một chiều đặc biệt:

- Mạch từ làm bằng thép kỹ thuật điện cán nguội, cực từ dạng ẩn.

- Phần kích có từ 3 đến 4 cuộn dây:

. Một cuộn làm kích thích chính ( kích từ độc lập ) tạo ra từ trường

chính.

. Một cuộn làm nhiệm vụ bù.

. Các cuộn còn lại dùng để thực hiện phản hồi trong truyền động.

- Trên cổ góp đặt hai cặp chổi than có trục vuông góc nhau. Trong đó, một

cặp được nối tắt với nhau còn một cặp để lấy điện áp ra.

R₁



+ 

I₁

I₂

U_ng

U_KĐMĐ

E₁

E₂

F₁

F₂



- 

MF

_II

; K

_PII

MF

_I

; K

_PI

Hình 2. 14 Sơ đồ tương đương KĐMĐ từ trường giao trục.

Đứng về mặt khuếch đại ta có thể xem KĐMĐ từ trường giao trục tương

đương với hai máy phát điện làm việc kế tiếp nhau và có sơ đồ nguyên lý như

trên.

Hệ số khuếch đại: K_P= K_PIK_PII= U_KĐMĐI₂/U_KI_K.

Đây là loại máy điện có hệ số khuếch đại cao nhất, K_Pcó giá trị hàng ngàn

lần.

VII. 2 Khuếch đại máy điện tự kích – động cơ dùng phản hồi âm tốc

độ:

VII. 2. a Sơ đồ nguyên lý:



U₁, f₁

ĐSC



CK₃CK₂R₂

R₁CK₁



+



n

F₃

KĐM

ĐTK

U_ng

Đ

F_T

U_Đ

F₂

CCSX

F₁



- 

 -

+ 

C_KĐ

R₃

Hình 2. 15 Sơ đồ nguyên lý khuếch đại máy điện tự kích – động cơ



dùng phản hồi âm tốc độ.

Trong đó:

- P_đmcủa động cơ  5KW.

- CK₁: Cuộn kích thích chủ đạo ( kích từ độc lập ), sinh ra sức từ

động F₁.

- CK₂: Cuộn tự kích thích, sinh ra sức từ động F₂cùng chiều với F₁.

- R₂: Điều chỉnh hệ số tự kích. Giá trị R₂càng nhỏ thì hệ số từ kích

càng lớn và ngược lại.

- CK₃: Cuộn phản hồi âm tốc độ ( tín hiệu đưa về để khử F₁), sinh

ra sức từ động F₃ngược chiều F₁.

VII. 2. b Nguyên lý hoạt động:

Ta có: F₃= I₃W_CK3

E _FT

I₃

R_uFT R₃ R_{CK 3}

E_FT: Sức điện động của máy phát đo tốc độ FT. Là máy phát một

chiều đặc biệt được chế tạo với mạch từ bảo hòa rất sâu để từ thông này phát ra

hoàn toàn bằng hằng số nên sức điện động phát ra của máy phát tỷ lệ bậc nhất

với tốc độ. Do đó, khi đọc sức điện động người ta biết được tốc độ theo mối quan

hệ: E_FT= K_E_FTn_FT= K_E_FTn.

Vì mạch từ bão hòa sâu nên _FTxem như là hằng số nên E_FTtỷ lệ

thuận với n_FT.

Từ các biểu thức trên, ta nhận thấy khi R₃= const thì: F₃ I₃ E_FT

 n. Vì vậy F₃ n. Sức từ động của KĐMĐ: F_T= F₁+ F₂+ F₃.

Hệ thống này có khả năng điều chỉnh tốc độ theo hai hướng:

* Để cho n > n_cb: Ta giảm từ thông bằng cách tăng giá trị R_KĐ.

* Để cho n < n_cb: Ta giảm điện áp đặt lên phần ứng của động cơ

U_Đthông qua điều chỉnh giảm giá trị R₁.

Ngoài ra, khi điều chỉnh R₂để thay đổi hệ số tự kích nghĩa là thay

đổi độ cứng của đường đặc tính cơ. Thực chất quá trình này là nâng cao độ cứng

của đường đặc tính cơ để đạt được tốc độ cao nhất khi động cơ được mở rộng

lên. Đồng thời nhờ phản hồi âm tốc độ mà động cơ có khả năng làm việc với tốc

độ thấp hơn n_cb/10, nghĩa là có thể mở rộng thêm tốc độ thấp và cao nên ta được

phạm vi điều chỉnh lớn: D = ( 40  hàng trăm )/1.

Hệ thống này có khả năng ổn định tốc độ khi phụ tải thay đổi nhờ

khâu phản hồi âm tốc độ: Khi động cơ đang làm việc với phụ tải M_cvà tốc độ đạt

yêu cầu n_yc. Vì lý do nào đó, moment phụ tải đặt lên trục động cơ thay đổi, khác

n_ycthì nhờ quá trình phản hồi âm tốc độ hệ thống sẽ tự động ổn định tốc độ đạt

n_yc. Quá trình tự động này được giải thích như sau: Giả sử khi M_ctăng sẽ làm cho

n_Đgiảm < n_yc. Mà khi n giảm  E_FTgiảm  I₃giảm  F₃giảm  F_T= F₁+ F₂

+ F₃tăng  E_KĐMĐtăng  U_Đtăng  n tăng đạt đến n_yc. Và khi M_cgiảm thì

quá trình sẽ tự động xảy ra theo chiều ngược lại để tốc độ động cơ đạt n_yc.

n

n₀

n_y

c

TN

n

M

M_CM_C1

Hình 2. 16 Đặc tính cơ của hệ thống khuếch đại máy điện tự kích –

động cơ dùng phản hồi âm tốc độ.

VII. 2. c Nhận xét:

* Ưu điểm: Dùng sai số tốc độ quay trở lại điều khiển hệ thống để

tự động ổn định tốc độ ( khâu phản hồi trực tiếp ). Việc tính toán khâu phản hồi

âm tốc độ tiến hành rất đơn giản, tiện lợi.

* Nhược điểm: Dùng máy phát tốc độ nên giá thành của hệ thống

cao.