Giáo trình Điều khiển tốc độ động cơ (Phần 1)

71 trang ngocly 1370

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Điều khiển tốc độ động cơ (Phần 1)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_dieu_khien_toc_do_dong_co_phan_1.pdf

Nội dung text: Giáo trình Điều khiển tốc độ động cơ (Phần 1)

TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM LÔØI NOÙI ÑAÀU Trong caùc ngaønh coâng nghieäp saûn xuaát vaø ñôøi soáng, coâng taùc ñieàu khieån vaän haønh hieäu quaû caùc thieát bò nhaèm taêng khaû naêng saûn xuaát, taêng chaát löôïng, ñoàng thôøi tieát kieäm ñöôïc chi phí saûn xuaát cuõng nhö moïi chi phí cho vieäc truøng tu baûo döôõng thieát bò saûn xuaát giöõ moät vò trí quan troïng. Ñieàu khieån maùy ñieän laø moät lónh vöïc nghieân cöùu öùng duïng caùc thieát bò, khí cuï vaø sô ñoà ñieàu khieån ñeå phuïc vuï caùc nhu caàu thay ñoåi caùc ñaïi löôïng cuûa chuyeån ñoäng nhö moâ men, toác ñoä hay ñieàu khieån vò trí tuyø theo caùc yeâu caàu phaùt sinh cuûa moãi loaïi hình saûn xuaát. Ñoäng cô moät chieàu ñöôïc söû duïng töø laâu trong caùc heä truyeàn ñoäng coù ñieàu khieån toác ñoä yeâu caàu daûi ñieàu chænh lôùn, ñoä oån ñònh toác ñoä cao vaø caùc heä thöôøng xuyeân hoaït ñoäng ôû cheá ñoä khôûi ñoäng, haõm vaø ñaûo chieàu. Nhôø coù ñaëc tính ñieàu chænh toác ñoä toát neân ñöôïc söû duïng raát phoå bieán trong coâng nghieäp. Moät soá öùng duïng quan troïng cuûa ñoäng cô moät chieàu nhö truyeàn ñoäng cho xe ñieän, maùy coâng cuï, maùy naâng vaän chuyeån, maùy caùn, maùy nghieàn, .v.v Truyeàn ñoäng ñieän toác ñoä chieám phaàn lôùn caùc öùng duïng cuûa ñieàu khieån ñaïi löôïng chuyeån ñoäng. Trong caùc loaïi ñieàu khieån nhö vaäy thöôøng goàm coù caùc ñoäng cô chaáp haønh, caùc boä bieán ñoåi ñieän töû coâng suaát vaø caùc heä thoáng ñieàu khieån soá. Ñöông nhieân phaûi coù caùc boä loïc nguoàn ñaàu vaøo ñaït tieâu chuaån loïc nhieãu ñieän töø. Ñeå thay ñoåi toác ñoä, caùc ñoäng cô xoay chieàu ñoøi hoûi phaûi thay ñoåi bieân ñoä ñieän aùp vaø taàn soá trong khi ñoäng cô moät chieàu thì chæ caàn thay ñoåi moãi ñieän aùp moät chieàu thì boä chuyeån maïch cô khí cuûa ñoäng cô moät chieàu laøm thay ñoåi taàn soá theo. Caùc ñoäng cô xoay chieàu haàu heát khoâng coù choåi than, chi phí ban ñaàu vaø chi phí baûo döôõng thaáp hôn cuûa ñoäng cô moät chieàu. Tuøy vaøo caùc öùng duïng maø vieäc choïn löïa loaïi ñoäng cô naøo ñöôïc söû duïng phuï thuoäc vaøo khaùch haøng. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - i -
LÔØI NOÙI ÑAÀU Trong phaïm vi luaän aùn naøy, em xin trình baøy vaán ñeà veà ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô moät chieàu duøng hoï vi ñieàu khieån 8051 baèng phöông phaùp ñoä roäng xung. Em xin chaân thaønh caûm ôn söï giuùp ñôõ vaø goùp yù cuûa caùc Thaày, caùc Coâ khoa Ñieän— Ñieän töû ñaõ taïo ñieàu kieän thuaän lôïi cho em hoaøn thaønh baûn luaän aùn naøy. Moät laàn nöõa, em xin caûm ôn Thaày Döông Hoaøi Nghóa ñaõ höôùng daãn taän tình trong suoát quaù trình em laøm luaän aùn. Do kinh nghieäm vaø trình ñoä coøn haïn cheá, phaàn theå hieän vaø trình baøy coøn nhieàu khieám khuyeát. Kính mong quí Thaày coâ boû qua cho em. Traân troïng kính chaøo, TP. Hoà Chí Minh, ngaøy 30 thaùng 11 naêm 2002 Sinh vieân: Traàn Xuaân Khaùnh. - ii -
PHAÀN MUÏC LUÏC MUÏC LUÏC Trang LÔØI NOÙI ÑAÀU i MUÏC LUÏC iii PHAÀN I GIÔÙI THIEÄU iv Chöông 1 CÔ SÔÛ CHUNG 1 A. KHAÙI NIEÄM TRUYEÀN ÑOÄNG ÑIEÄN 2 B. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA TRUYEÀN ÑOÄNG ÑIEÄN 4 C. PHAÂN LOAÏI HEÄ THOÁNG TRUYEÀN ÑOÄNG ÑIEÄN 7 D. PHÖÔNG TRÌNH CHUYEÅN ÑOÄNG CUÛA MOÄT HEÄ TRUYEÀN ÑOÄNG 8 E. MOÂ MEN CAÛN 9 F. QUY ÑOÅI CAÙC ÑAÏI LÖÔÏNG VEÀ TRUÏC ÑOÄNG CÔ 10 G. ÑAËC TÍNH CÔ CUÛA TRUYEÀN ÑOÄNG ÑIEÄN 12 Chöông 2 ÑIEÀU KHIEÅN ÑOÄNG CÔ MOÄT CHIEÀU 15 A. CAÁU TAÏO CÔ BAÛN MAÙY ÑIEÄN MOÄT CHIEÀU 16 B. ÑAËC TÍNH CÔ ÑOÄNG CÔ ÑIEÄN MOÄT CHIEÀU 19 C. NGUYEÂN LYÙ LAØM VIEÄC 31 D. ÑIEÀU KHIEÅN ÑOÄNG CÔ DC 36 PHAÀN II THIEÁT KEÁ 67 Chöông 3 MAÏCH PHAÀN CÖÙNG 68 A. SÔ ÑOÀ 69 B. CHÖÙC NAÊNG CUÛA TÖØNG BOÄ PHAÄN 71 C. HOAÏT ÑOÄNG CUÛA SÔ ÑOÀ 77 Chöông 4 PHAÀN MEÀM ASSEMBLER 79 D. GIAÛI THUAÄT 80 E. CHÖÙC NAÊNG CUÛA TÖØNG CHÖÔNG TRÌNH CON 88 F. CHÖÔNG TRÌNH 92 Chöông 5 PHAÀN MEÀM VISUAL BASIC 99 G. NHIEÄM VUÏ CUÛA PHAÀN MEÀM 102 H. GIAÛI THÍCH HOAÏT ÑOÄNG 103 I. CHÖÔNG TRÌNH 104 Chöông 6 KEÁT QUAÛ 119 J. MAÏCH THI COÂNG 120 K. GIAO DIEÄN ÑIEÀU KHIEÅN TREÂN MAÙY TÍNH 121 PHAÀN III KEÁT LUAÄN 122 PHAÀN IV TAØI LIEÄU THAM KHAÛO 124 PHAÀN V PHUÏ LUÏC 126 1. GIÔÙI THIEÄU MCS-8051 127 2. COÅNG NOÁI TIEÁP 140 3. GIÔÙI THIEÄU CAÙC VI MAÏCH SÖÛ DUÏNG VAØ LINH KIEÄN KHAÙC 152 4. GIÔÙI THIEÄU VEÀ CHOPPER HAI-PHAÀN TÖ , CAÙC CHOPPER NHIEÀU PHA VAØ CHOPPER THYRISTOR VAØ MAÏCH ÑIEÀU KHIEÅN CHOPPER 172 - iii -
PHAÀN I PHAÀN I GIÔÙI THIEÄU Chöông 1 CÔ SÔÛ CHUNG A. KHAÙI NIEÄM TRUYEÀN ÑOÄNG ÑIEÄN B. PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA TRUYEÀN ÑOÄNG ÑIEÄN C. PHAÂN LOAÏI HEÄ THOÁNG TRUYEÀN ÑOÄNG ÑIEÄN D. PHÖÔNG TRÌNH CHUYEÅN ÑOÄNG CUÛA MOÄT HEÄ TRUYEÀN ÑOÄNG E. MOÂ MEN CAÛN F. QUY ÑOÅI CAÙC ÑAÏI LÖÔÏNG VEÀ TRUÏC ÑOÄNG CÔ G. ÑAËC TÍNH CÔ CUÛA TRUYEÀN ÑOÄNG ÑIEÄN Chöông 2 ÑIEÀU KHIEÅN ÑOÄNG CÔ MOÄT CHIEÀU A. CAÁU TAÏO CÔ BAÛN MAÙY ÑIEÄN MOÄT CHIEÀU B. ÑAËC TÍNH CÔ ÑOÄNG CÔ ÑIEÄN MOÄT CHIEÀU C. NGUYEÂN LYÙ LAØM VIEÄC D. ÑIEÀU KHIEÅN ÑOÄNG CÔ DC -iv-
PHAÀN I - CHÖÔNG 1 - 1 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 1 A—KHAÙI NIEÄM TRUYEÀN ÑOÄNG ÑIEÄN Moät heä truyeàn ñoäng laø moät heä thoáng coâng nghieäp thöïc hieän bieán ñoåi naêng löôïng ñieän sang naêng löôïng cô (ôû cheá ñoä ñoäng cô) hay ngöôïc laïi ôû cheá ñoä haõm maùy phaùt phuïc vuï vieäc chaïy caùc quy trình saûn xuaát khaùc nhau nhö laø: caùc nhaø maùy saûn xuaát, vaän chuyeån ngöôøi vaø haøng hoùa, caùc ñoà duøng trong nhaø, caùc maùy bôm, caùc maùy neùn khí, truyeàn ñoäng cho oå ñóa maùy tính, caùc roâboát, caùc maùy nghe nhaïc, xem phim .v.v Ngaøy nay, truyeàn ñoäng ñieän tieâu thuï khoaûng 50% naêng löôïng ñieän saûn xuaát ñöôïc. Caùc heä truyeàn ñoäng coù theå chaïy thay ñoåi toác ñoä hoaëc chaïy vôùi toác ñoä khoâng ñoåi. Ñoäng cô xoay Maùy saûn xuaát 3 pha chieàu (Phuï taûi) Gheùp noái ñaøn hoài Heä thoáng baûo veä vaø khôûi ñoäng/döøng baèng cô-ñieän hoaëc ñieän töû. Hình 1.1 Truyeàn ñoäng toác ñoä haèng. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 2 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 1 Heä thoáng boä Maùy saûn xuaát bieán ñoåi nguoàn Ñoäng cô xoay 3 pha (Phuï taûi) ñieän töû chieàu Gheùp noái ñaøn hoài Heä thoáng baûo veä vaø ñoùng / môû baèng cô-ñieän hoaëc ñieän töû. Ñoäng cô moät Maùy saûn xuaát 1 pha chieàu (Phuï taûi) Gheùp noái ñaøn hoài Heä thoáng baûo veä vaø boä caàu dao cô ñieän. Hình 1.2 Truyeàn ñoäng toác ñoä thay ñoåi Truyeàn ñoäng ñieän toác ñoä thay ñoåi coù ñoäng cô ñieän (doøng ñieän xoay chieàu), boä gheùp noái ñaøn hoài, taûi cô khí (maùy saûn xuaát) vaø heä thoáng baûo veä vaø ñoùng / môû baèng cô ñieän hay ñieän töû. Ngaøy nay gaàn (75-80)% truyeàn ñoäng ñieän vaãn coøn laø loaïi truyeàn ñoäng ôû toác ñoä khoâng ñoåi vì khoâng coù nhieàu öùng duïng yeâu caàu ñeán ñieàu khieån toác ñoä ngoaïi tröø tröôøng hôïp luùc khôûi ñoäng, ngöøng vaø trong hoaït ñoäng baûo veä. Tuy nhieân coøn khoaûng (20-25)% caàn ñeán ñieàu khieån toác ñoä vaø moâ men sao cho thích hôïp vôùi phuï taûi cô khí. Caùc boä bieán ñoåi ñieän töû toû ra coù nhieàu ñaëc tröng maïnh trong vieäc thay ñoåi vaø duy trì möùc naêng löôïng cung caáp thích hôïp vôùi loaïi phuï taûi caàn ñeán ñieàu khieån toác ñoä hay moâmen nhö : maùy coâng cuï, roâboát, truyeàn ñoäng cho ñóa maùy tính, caùc phöông tieän chuyeân chôû, v.v Veà caáu truùc, moät heä thoáng truyeàn ñoäng ñieän noùi chung, bao goàm caùc khaâu: TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 3 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 1 1. Boä bieán ñoåi: duøng ñeå bieán ñoåi loaïi doøng ñieän (xoay chieàu thaønh moät chieàu hoaëc ngöôïc laïi), bieán ñoåi loaïi nguoàn (nguoàn aùp thaønh nguoàn doøng vaø ngöôïc laïi), bieán ñoåi möùc ñieän aùp (hoaëc doøng ñieän), bieán ñoåi soá pha, bieán ñoåi taàn soá,v.v . Caùc boä bieán ñoåi thöôøng duøng laø maùy phaùt ñieän, heä maùy phaùt—ñoäng cô (heä F-Ñ), caùc chænh löu coù ñieàu khieån vaø khoâng ñieàu khieån, caùc boä bieán taàn,v.v . 2. Ñoäng cô ñieän: duøng ñeå bieán ñoåi ñieän naêng thaønh cô naêng hay cô naêng thaønh ñieän naêng (khi haõm ñieän). Caùc ñoäng cô ñieän thöôøng duøng laø: − Ñoäng cô ñieän xoay chieàu ba pha khoâng ñoàng boä rotor loàng soùc hay daây quaán; − Ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø ñoäc laäp, song song, noái tieáp, hoãn hôïp hay kích töø baèng nam chaâm vónh cöûu; − Ñoäng cô ñieän xoay chieàu ba pha coù coå goùp; − Ñoäng cô ñoàng boä 3. Khaâu truyeàn löïc: duøng ñeå truyeàn löïc töø truïc ñoäng cô ñieän ñeán cô caáu saûn xuaát hoaëc duøng ñeå bieán ñoåi daïng chuyeån ñoäng (quay thaønh tònh tieán hay laéc) hoaëc laøm phuø hôïp veà toác ñoä, moâ men, löïc. Ñeå truyeàn löïc coù theå duøng caùc baùnh raêng, truïc vít, xích, ñai truyeàn, caùc boä gheùp noái ñaøn hoài . 4. Cô caáu saûn xuaát hay maùy saûn xuaát: thöïc hieän caùc thao taùc saûn xuaát vaø coâng ngheä (gia coâng chi tieát, naâng—haï taûi troïng, dòch chuyeån ) 5. Khoái ñieàu khieån: laø caùc thieát bò duøng ñeå ñieàu khieån boä bieán ñoåi, ñoäng cô ñieän, cô caáu truyeàn löïc. Söû duïng trong khoái naøy coù theå laø caùc khí cuï ñoùng caét maïch coù tieáp ñieåm (caùc relay, contactor) hay khoâng coù tieáp ñieåm (ñieän töû, baùn daãn), caùc boä khuyeách ñaïi, caùc boä ñieàu chænh (regulator), caùc maùy tính, caùc boä vi xöû lí (microprocessor), caùc boä ñieàu chænh theo chöông trình, CPU, PLC, CNC . Caùc thieát bò ño löôøng, caûm bieán (sensor) duøng ñeå laáy caùc tín hieäu phaûn hoài coù theå laø caùc loaïi ñoàng hoà ño, caùc caûm bieán töø, cô, quang . Moät heä thoáng truyeàn ñoäng ñieän khoâng nhaát thieát phaûi coù ñaày ñuû caùc khaâu nhö ñaõ neâu. Tuy nhieân, moät heä truyeàn ñoäng ñieän baát kyø luoân bao goàm hai phaàn chính: − Phaàn löïc: bao goàm boä bieán ñoåi vaø ñoäng cô ñieän. − Phaàn ñieàu khieån. Moät heä truyeàn ñoäng ñieän ñöôïc goïi laø heä hôû khi khoâng coù phaûn hoài, ñöôïc goïi laø heä kín khi coù phaûn hoài nghóa laø ñaïi löôïng ñaàu ra ñöôïc ñöa trôû laïi ñaàu vaøo döôùi daïng moät tín hieäu naøo ñoù ñeå ñieàu chænh laïi vieäc ñieàu khieån sao cho ñaïi löôïng ñaàu ra ñaït moät giaù trò mong muoán naøo ñoù. B—PHAÏM VI ÖÙNG DUÏNG CUÛA TRUYEÀN ÑOÄNG ÑIEÄN Moät sô ñoà toùm taét chæ ra caùc öùng duïng chuû yeáu vaø giôùi haïn coâng suaát caùc daïng truyeàn ñoäng ñieän chính nhö sau: TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 4 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 1 Coâng suaát (kW) Maùy bôm nhaø 100000 maùy thuyû ñieän Nhaø maùy xay xaùt, xi maêng. 10 000 Maùy li taâm Caùc maùy bôm Caùc maùy laøm giaáy 1000 Chuyeân chôû 100 Quaït Caàn caåu Xöû lyù Thang maùy luyeän kim Maùy in 10 Maùy troän, baêng taûi Maùy deät Maùy ñoùng hoäp Roâboát 1 Loø nhieät, boác hôi, Maùy coâng cuï Caùc maùy ñieàu hoøa nhieät ñoä. 0.1 Möùc ñoä yeâu caàu cuûa vaän haønh Trung bình Cao Hình 1.3 Caùc öùng duïng truyeàn ñoäng coù toác ñoä thay ñoåi. Caùc öùng duïng nhö bôm tröõ cho nhaø maùy thuyû ñieän baèng caùc toå maùy ñöôïc cheá taïo coù coâng suaát 100MW hoaëc hôn nöõa. Möùc ñoä vaän haønh cao trong hình 3, coù yù nghóa raèng heä thoáng truyeàn ñoäng naøy ñoøi hoûi phaûi ñaït ñöôïc ñaùp öùng toác ñoä hay ñieàu khieån vò trí moät caùch nhanh choùng, chính xaùc vaø phaïm vi ñieàu chænh roäng. Cuøng vôùi söï phaùt trieån cuûa lónh vöïc ñieän töû, caùc boä bieán ñoåi ñieän töû coâng suaát, ñaõ taïo moät söï chuyeån dòch lôùn trong thò tröôøng truyeàn ñoäng. Caùc ñoäng cô moät chieàu coù choåi than toác ñoä thay ñoåi ñöôïc söû duïng töø nhieàu thaäp kyû tröôùc nhöng tôùi nay caùc ñoäng cô loaïi xoay chieàu vôùi nhieàu öu ñieåm cuûa mình ñang thay theá daàn cho noù. Caùc boä truyeàn ñoäng ñoäng cô xoay chieàu vaø boä bieán ñoåi ñieän töû toû ra beàn, reû hôn vaø khaû naêng vaän haønh töông ñöông, ñaëc bieät laø caùc öùng duïng ñieàu khieån chuyeån ñoäng coù tính thuaän nghòch. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 5 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 1 25% d.c. 30% d.c. 75% a.c. 40% d. c. 70% a.c. a.c. 60% naêm 1990 naêm 1995 naêm 2000 Hình 1.4 Söï thay ñoåi cuûa thò tröôøng truyeàn ñoäng. Caùc boä bieán ñoåi ñieän töû coâng suaát daønh cho caùc loaïi ñoäng cô moät chieàu coù choåi than hoaëc khoâng choåi than cuõng ñöôïc nghieân cöùu vaø ñöa ra cho caùc öùng duïng vôùi giaù caû hôïp lyù. Möùc chi phí cho boä bieán ñoåi ñieän töû coâng suaát thöôøng luoân cao hôn chi phí cuûa ñoäng cô khoaûng töø hai ñeán naêm laàn, noùi chung thì giôùi haïn coâng suaát cuûa heä truyeàn ñoäng caøng lôùn thì söï cheânh leäch giaù giöõa hai thaønh phaàn naøy giaûm hôn. Lyù do cuûa vieäc duøng boä bieán ñoåi ñieän töû coâng suaát cho duø giaù cuûa noù lôùn hôn cuûa ñoäng cô vì trong haàu heát caùc öùng duïng coù tính laâu daøi vieäc tieát kieäm ñöôïc naêng löôïng saûn xuaát giuùp thu hoài khoaûng chi phí theâm cho boä bieán ñoåi ñieän töû coâng suaát, giaû söû ñònh möùc coâng suaát söû duïng khoaûng hôn 10kW, neáu xem möùc tieát kieäm naêng löôïng coù ñöôïc nhôø söû duïng boä bieán ñoåi chæ 25%, phaïm vi ñieàu chænh toác ñoä chöøng moät ñeán ba laàn vaø hoaït ñoäng lieân tuïc 24/24 giôø/ngaøy thì khoaûng thôøi gian thu hoài voán chöøng chöa tôùi naêm naêm. Giôùi haïn söû duïng coâng suaát caøng lôùn thì thôøi gian quay voøng voán caøng nhanh do vieäc tieát kieäm naêng löôïng toû ra caøng hieäu quaû. Caùc tính toaùn chi tieát xin xem chi tieát trong taøi lieäu chuyeân ñeà. Vai troø cuûa heä truyeàn ñoäng trong thöïc teá laø ñieàu khieån moâ men ñoäng cô phuø hôïp vôùi moâmen taûi vaø vôùi löôùi ñieän nguoàn cung caáp khi xaùc laäp. Caùc quan heä cuûa moâ men taûi coùtheå ñöôïc dieãn ñaït baèng moät trong caùc quan heä sau : Moâ men / toác ñoä quy veà ñaàu truïc ñoäng cô; TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 6 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 1 Hay moâ men / thôøi gian vaø Toác ñoä / thôøi gian; Hay quan heä vò trí / thôøi gian. Coøn quaù trình quaù ñoä, boä truyeàn ñoäng theå hieän vai troø noù baèng caùch ñieàu khieån voøng kín, trong ñoù tín hieäu ñaàu ra ñöôïc ñöa trôû laïi tín hieäu ñaàu vaøo so saùnh vôùi tín hieäu ñaët vaø laáy sai leäch laøm tín hieäu ñieàu khieån cho boä bieán ñoåi nhaèm duy trì ñaàu ra theo yeâu caàu. C—PHAÂN LOAÏI HEÄ THOÁNG TRUYEÀN ÑOÄNG ÑIEÄN Coù nhieàu phaân loaïi heä truyeàn ñoäng ñieän: 1) Phaân loaïi theo soá löôïng ñoäng cô söû duïng: chia ra 3 loaïi − Truyeàn ñoäng nhoùm: duøng moät ñoäng cô ñieän ñeå keùo moät nhoùm goàm nhieàu maùy saûn xuaát. − Truyeàn ñoäng ñôn: duøng moät ñoäng cô ñieän ñeå keùo toaøn boä moät maùy. − Truyeàn ñoäng nhieàu ñoäng cô: tröôøng hôïp naøy maùy saûn xuaát coù caùc chuyeån ñoäng thaønh phaàn cuûa noù do moät ñoäng cô rieâng ñaûm nhaän. Hình thöùc naøy ñöôïc söû duïng khaù phoå bieán. 2) Phaân loaïi theo ñaëc ñieåm chuyeån ñoäng : − Chuyeån ñoäng quay; − Chuyeån ñoäng thaúng. 3) Phaân loaïi theo cheá ñoä laøm vieäc: − Laøm vieäc lieân tuïc; − Laøm vieäc giaùn ñoaïn. 4) Phaân loaïi theo chieàu quay ñoäng cô: − Truyeàn ñoäng coù ñaûo chieàu; − Truyeàn ñoäng khoâng ñaûo chieàu. 5) Phaân loaïi theo doøng ñieän: − Truyeàn ñoäng ñieän xoay chieàu: duøng ñoäng cô ñieän xoay chieàu; − Truyeàn ñoäng ñieän moät chieàu: duøng ñoäng cô ñieän moät chieàu. 6) Phaân loaïi döïa theo söï thay ñoåi thoâng soá ñieän: − Truyeàn ñoäng khoâng ñieàu chænh: noái thaúng ñoäng cô vaøo nguoàn vaø keùo maùy saûn xuaát vôùi moät toác ñoä khoâng ñoåi. Thay ñoåi xuaát hieän chæ laø do nhieãu töø beân ngoaøi; − Truyeàn ñoäng coù ñieàu chænh: coâng ngheä quy trình saûn xuaát ñoøi hoûi phaûi coù ñieàu chænh toác ñoä, vò trí hay moâmen. Thoâng soá ñieän cuûa heä thay ñoåi ñöôïc nhôø caùc thieát bò ñieàu khieån. 7) Phaân loaïi theo thieát bò bieán ñoåi: − Heä maùy phaùt—ñoäng cô: (kyù hieäu: F-Ñ), ñoäng cô moät chieàu ñöôïc caáp ñieän töø moät maùy phaùt ñieän moät chieàu (boä bieán ñoåi ôû ñaây laø maùy phaùt). TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 7 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 1 − Thuoäc heä truyeàn ñoäng naøy coù heä maùy ñieän khuyeách ñaïi—ñoäng cô (kyù hieäu: MÑKÑ-Ñ). Trong ñoù, boä bieán ñoåi ôû ñaây laø MÑKÑ; − Heä chænh löu—ñoäng cô: (kyù hieäu: BCL-Ñ), ñoäng cô moät chieàu ñöôïc caáp ñieän töø moät boä chænh löu (BCL). Chænh löu coù theå khoâng ñieàu khieån (chænh löu diode) hay coù ñieàu khieån (chænh löu Thyristor: heä T-Ñ).v.v . D—PHÖÔNG TRÌNH CHUYEÅN ÑOÄNG CUÛA MOÄT HEÄ TRUYEÀN ÑOÄNG ÑIEÄN 1. Heä thoáng chuyeån ñoäng tònh tieán: Theo ñònh luaät II Newton, neáu xem khoái löôïng vaät chuyeån ñoäng laø khoâng ñoåi, ta coù phöông trình: dv FÑ + F C = F a = ma = m (I.1.1) dt Trong ñoù: FÑ - löïc phaùt ñoäng do ñoäng cô ñieän taïo ra (N); FC - löïc caûn chuyeån ñoäng cuûa cô caáu (N); Fa - löïc ñoäng taïo ra gia toác chuyeån ñoäng (N); m - khoái löôïng quaùn tính cuûa vaät chuyeån ñoäng (kg); a - gia toác chuyeån ñoäng ( m/s 2 ); v - vaän toác cuûa chuyeån ñoäng (m/s); t - thôøi gian trong ñoù toác ñoä bieán ñoåi (s). * Löu yù veà löïc ñoäng F a : Löïc ñoäng laø khoâng phaûi laø thaønh phaàn gaây neân chuyeån ñoäng. Ñaïi löôïng F a chæ laø moät khaùi nieäm vaät lyù. Xem phaàn cuûa moâ men ñoäng M θ beân döôùi. 2. Heä thoáng chuyeån ñoäng quay: Trong heä chuyeån ñoäng quay, neáu coi moâ men quaùn tính khoâng ñoåi, duøng ñònh luaät II Newton ta coù: dω MÑ + M C = M θ =J θ = J (I.1.2) dt Trong ñoù: MÑ - moâ men do ñoäng cô ñieän taïo ra (Nm); MC - moâ men caûn cuûa cô caáu (Nm) (M C coøn goïi laø moâ men tónh); Mθ - moâ men ñoäng taïo ra gia toác goùc (Nm); J - moâ men quaùn tính cuûa vaät quay (Nm); θ - gia toác goùc (rad/s 2); ω - toác ñoä goùc (rad/s); t - thôøi gian trong ñoù toác ñoä goùc bieán ñoåi (s). TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 8 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 1 * Löu yù veà ñaïi löôïng M θθθ : Traïng thaùi laøm vieäc cuûa truyeàn ñoäng phuï thuoäc vaøo moâmen quay M Ñ do ñoäng cô sinh ra vaø moâ men tónh M C do phuï taûi cuûa maùy quyeát ñònh. Moãi moät moâ men treân ñeàu coù theå laø moâ men gaây chuyeån ñoäng hoaëc moâ men haõm. Ví duï, ôû maùy cöa ñóa hoaëc quaït gioù: M Ñ laø moâ men gaây chuyeån ñoäng, M C laø moâ men haõm; khi caàn truïc haï taûi öùng vôùi traïng thaùi maùy phaùt cuûa ñoäng cô: M Ñ laø moâ men haõm, M C laø moâ men gaây chuyeån ñoäng; khi caàn truïc haï taûi duïng löïc: caû hai moâ men ñeàu gaây chuyeån ñoäng; khi haõm ñieän maùy caùn: caû hai moâ men ñeàu laø haõm. Ñoäng löïc cuûa truyeàn ñoäng ñöôïc xaùc ñònh bôûi moâ men toång hôïp cuûa hai moâ men treân. Ta goïi moâ men toång hôïp naøy laø moâ men ñoäng, kyù hieäu: M θ . Daáu cuûa moâ men ñoäng laø giaù trò ñaïi soá. Moâ men ñoäng khoâng phaûi duøng ñeå chæ moâ men gaây ra gia toác hay giaûm toác cuûa truyeàn ñoäng (M θ = M Ñ + M C), maø laø duøng ñeå chæ moät ñaïi löôïng moâ men baèng veà trò soá vaø ngöôïc chieàu vôùi noù, ñoù laø moâ men cuûa khoái löôïng quaùn tính Jd ω/dt. Moâ men naøy phaùt sinh khi truyeàn ñoäng thay ñoåi toác ñoä vaø noù coù taùc duïng choáng laïi söï thay ñoåi noù. Noùi caùch khaùc, danh töø treân khoâng phaûi chæ nguyeân nhaân maø chæ haäu quaû. Ñoù laø moät khaùi nieäm vaät lyù. Neáu toác ñoä ñoäng cô tính theo voøng/phuùt thì toác ñoä goùc: n n ω = 2 π ≈ (rad/s) 60 9,55 Neân (M.4.2) trôû thaønh: 1 dn Mθ = J θ = × 9,55 dt Ñoái vôùi toác ñoä, ta laáy chieàu quay cuûa ñoäng cô laøm chieàu döông khoâng keå ñoäng cô quay theo chieàu naøo. Daáu cuûa moâ men höôùng theo chieàu quay cuûa truyeàn ñoäng laø döông, coøn nhöõng moâ men ngöôïc chieàu quay laø aâm. E—MOÂ MEN CAÛN Theo ñaëc tính taùc ñoäng ta chia moâ men caûn thaønh hai nhoùm: Moâ men caûn phaûn khaùng M pk vaø moâ men caûn theá naêng M tn . 1. Moâ men caûn phaûn khaùng: Moâ men caûn loaïi naøy bao goàm moâ men cuûa löïc ma saùt, löïc caét, löïc bieán daïng cuûa caùc vaät theå khoâng ñaøn hoài. Chuùng ñeàu ñöôïc taïo ra do caùc löïc phaûn khaùng choáng laïi chuyeån ñoäng. Do ñoù mo men caûn phaûn khaùng luoân luoân ngöôïc chieàu chuyeån ñoäng. 2. Moâ men caûn theá naêng: TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 9 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 1 Moâ men caûn theá naêng bao goàm moâ men do troïng löïc vaø löïc bieán daïng cuûa nhöõng vaät theå ñaøn hoài. Naâng hoaëc haï taûi troïng cuõng nhö neùn hoaëc keùo loø xo ñeàu coù lieân quan ñeán söï bieán thieân cuûa theá naêng truyeàn ñoäng, chính vì vaäy ta goïi moâ men caûn loaïi naøy laø “moâ men theá naêng”. Khi taêng döï tröõ theá naêng (naâng taûi, neùn loø xo, v.v ) moâ men theá naêng coù taùc duïng caûn trôû chuyeån ñoäng, töùc höôùng ngöôïc chieàu quay cuûa ñoäng cô; khi giaûm theá naêng (haï taûi, giaõn loø xo, v.v ), moâ men theá naêng laïi laø moâ men gaây chuyeån ñoäng, nghóa laø noù höôùng theo chieàu quay cuûa ñoäng cô. Ñeå cho vieäc tính toaùn ñöôïc thuaän tieän hôn, ta duøng ñaïi löôïng “moâ men caûn toaøn phaàn”: MC = M pk + M tn (I.1.3) Thaønh phaàn naøo trong veá phaûi cuûa (M.5.1) troäi hôn thì moâ men caûn seõ mang tính ñoù. Phoå bieán nhaát trong thöïc teá laø caùc truyeàn ñoäng coù moâ men caûn thuaàn phaûn khaùng, hoaëc moâ men caûn mang thaønh phaàn phaûn khaùng troäi. Ñoù laø caùc truyeàn ñoäng chính cuûa maùy caùn, baêng laên, maùy tieän, maùy phay, quaït gioù, bôm nöôùc, v.v . Caùc truyeàn ñoäng coù moâ men caûn mang thaønh phaàn theá naêng troäi laø truyeàn ñoäng cuûa caàn truïc, baøn naâng (vôùi ñoái troïng khoâng caân baèng), maùy naâng haàm moû, thang maùy, truyeàn ñoäng naâng cuûa maùy xuùc, v.v . Qua vieäc phaân tích tính chaát cuûa moâ men noùi treân ta thaáy: Moâ men cuûa ñoäng cô ôû traïng thaùi ñoäng cô seõ mang daáu döông vì noù höôùng theo chieàu quay, coøn ôû traïng thaùi maùy phaùt seõ laø aâm vì höôùng ngöôïc chieàu quay. Moâ men caûn phaûn khaùng thì luoân luoân aâm vì noù luoân luoân höôùng ngöôïc chieàu quay. Moâ men caûn theá naêng coù daáu aâm khi taêng döï tröõ theá naêng (khi naâng taûi, neùn loø xo), vaø mang daáu döông khi giaûm döï tröõ theá naêng (khi haï taûi, giaõn loø xo). F—QUY ÑOÅI CAÙC ÑAÏI LÖÔÏNG MOÂ MEN CAÛN, LÖÏC CAÛN, QUAÙN TÍNH CUÛA MAÙY SAÛN XUAÁT VEÀ TRUÏC ÑOÄNG CÔ Moät heä truyeàn ñoäng ñieän thöôøng coù nhieàu boä phaän khaùc nhau vôùi caùc truïc quay khaùc nhau: quay traùi, quay phaûi, tònh tieán leân, xuoáng . Caùc boä phaän naøy taïo thaønh phaàn cô hoïc cuûa heä truyeàn ñoäng ñieän. Chuùng coù caùc toác ñoä, löïc hoaëc moâ men taùc duïng khaùc nhau. Khi tính toaùn thieát keá, choïn coâng suaát ñoäng cô hoaëc nghieân cöùu söï laøm vieäc cuûa moät heä truyeàn ñoäng ñieän, coù theå caàn phaûi thieát laäp phöông trình chuyeån ñoäng (I.1.1) hoaëc (I.1.2) taïi moät ñieåm naøo ñoù treân sô ñoà ñoäng. Caùc ñaïi löôïng ñeå thieát laäp phöông trình phaûi laáy ôû ngay taïi ñieåm ñoù. Do vaäy, caàn phaûi tieán haønh tính quy ñoåi caùc ñaïi löôïng nhö löïc caûn, moâ men caûn, khoái quaùn tính vaø moâ men quaùn tính veà ñieåm ñònh tính toaùn. Thoâng thöôøng, ñeå thuaän tieän khi khaûo saùt caùc traïng thaùi laøm vieäc cuûa truyeàn ñoäng, ngöôøi ta hay tính quy ñoåi caùc ñaïi löôïng veà truïc ñoäng cô (nguoàn phaùt ñoäng löïc). Nguyeân taéc tính quy ñoåi laø döïa vaøo ñònh luaät baûo toaøn naêng löôïng. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 10 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 1 1. Quy ñoåi moâ men caûn M C veà truïc ñoäng cô : Goïi moâ men sau khi quy ñoåi veà truïc ñoäng cô laø M qñ . Coâng truyeàn töø ñoäng cô = Coâng nhaän ñeán maùy saûn xuaát ⇔ M qñ × ωÑ × η × t = M C × ωMSX × t M C ⇒ Mqñ = ,(Nm) (I.1.4) ηi Trong ñoù: η - hieäu suaát cuûa cô caáu truyeàn löïc töø ñoäng cô tôùi maùy saûn xuaát; i - tyû soá truyeàn töø truïc ñoäng cô tôùi truïc maùy saûn xuaát, i = ωÑ/ωMSX ; ωÑ - toác ñoä goùc cuûa ñoäng cô, (rad/s) ωMSX - toác ñoä goùc cuûa maùy saûn xuaát, (rad/s) t - thôøi gian saûn xuaát; 2. Quy ñoåi löïc caûn F C cuûa chuyeån ñoäng tònh tieán thaønh moâ men treân truïc ñoäng cô : Coâng truyeàn töø ñoäng cô = Coâng nhaän ñeán maùy saûn xuaát ⇔ M qñ × ωÑ × η × t = F C × v × t FC × ρ ⇒ Mqñ = ,(Nm) (I.1.5) η Trong ñoù: ρ - baùn kính quy ñoåi cuûa chuyeån ñoäng tònh tieán veà truïc ñoäng cô, ρ = v/ ωÑ ,(m) v - toác ñoä naâng (haï) taûi troïng ,(m/s) 3. Quy ñoåi moâ men quaùn tính J MSX veà truïc ñoäng cô : Moâ men quaùn tính caàn quy ñoåi ôû ñaây laø moâ men quaùn tính cuûa caùc phaàn quay cuûa maùy saûn xuaát J MSX , ñöôïc quy ñoåi veà truïc ñoäng cô. Ñoäng naêng tích luõy treân truïc ñoäng cô = Ñoäng naêng tích luõy cuûa maùy saûn xuaát. 1 2 1 2 × J qñ × ωÑ = × J MSX × ωMSX 2 2 J MSX 2 ⇒ Jqñ = , (kgm ) (I.1.6) i 2 4. Quy ñoåi khoái quaùn tính cuûa chuyeån ñoäng tònh tieán thaønh moâ men quaùn tính treân truïc ñoäng cô : Khoái quaùn tính ôû ñaây coù theå ñöa ra moät thí duï nhö phaàn carbin chöùa ngöôøi vaø ñoái troïng cuûa noù trong heä truyeàn ñoäng thang maùy. Theo ñònh luaät baûo toaøn naêng löôïng, ñoäng naêng tích luyõ treân truïc ñoäng cô baèng vôùi ñoäng naêng tích luyõ cuûa khoái quaùn tính coù khoái löôïng m (kg): 1 2 1 2 × J qñ × ωÑ = × m × v 2 2 TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 11 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 1 2 2 ⇒ Jqñ = m × (v/ ωÑ) = m × ρ (I.1.7) Nhö vaäy, sau khi quy ñoåi caùc ñaïi löôïng maùy saûn xuaát veà truïc cuûa ñoäng cô, phöông trình chuyeån ñoäng cuûa heä truyeàn ñoäng trôû thaønh: MÑ + M qñ = J θ Trong ñoù: MÑ - moâ men ñoäng cô, (Nm) Mqñ - moâ men caûn (hoaëc löïc caûn hoaëc caû hai) cuûa maùy saûn xuaát ñöôïc quy ñoåi veà truïc ñoäng cô, (Nm) J - moâ men quaùn tính toång coäng cuûa caû phaàn quay vaø khoái quaùn tính (neáu coù), (kgm 2) 2 θ - gia toác goùc, θ = d ωÑ/dt , (rad/s ). * Löu yù veà quy öôùc daáu: Ñoái vôùi toác ñoä, ta laáy chieàu quay cuûa ñoäng cô laøm chieàu döông khoâng keå ñoäng cô quay theo chieàu naøo. Nhöõng moâ men höôùng theo chieàu quay cuûa truyeàn ñoäng laø döông, coøn nhöõng moâ men ngöôïc chieàu quay laø aâm. G—ÑAËC TÍNH CÔ CUÛA TRUYEÀN ÑOÄNG ÑIEÄN Trong heä truyeàn ñoäng ñieän, ñoäng cô ñieän coù nhieäm vuï cung caáp ñoäng löïc cho cô caáu saûn xuaát. Caùc cô caáu saûn xuaát cuûa moãi loaïi maùy coù caùc yeâu caàu coâng ngheä vaø ñaëc ñieåm rieâng. Maùy saûn xuaát laïi coù raát nhieàu loaïi, nhieàu kieåu vôùi keát caáu raát khaùc bieät. Ñoäng cô ñieän cuõng nhö vaäy, coù nhieàu loaïi, nhieàu kieåu vôùi caùc tính naêng, ñaëc ñieåm rieâng. Ñeå heä truyeàn ñoäng ñieän laøm vieäc toát, coù hieäu quaû thì giöõa ñoäng cô ñieän vaø cô caáu saûn xuaát phaûi ñaûm baûo coù moät söï phuø hôïp töông öùng naøo ñoù. Vieäc choïn löïa heä truyeàn ñoäng ñieän vaø choïn ñoäng cô ñieän ñaùp öùng ñuùng caùc yeâu caàu cuûa caùc cô caáu saûn xuaát coù moät yù nghóa lôùn khoâng chæ veà maët kyõ thuaät maø caû veà maët kinh teá. Do vaäy, ta phaûi xem xeùt kyõ ñaëc tính cô cuûa truyeàn ñoäng ñieän—töùc ñaëc tính cô cuûa cô caáu saûn xuaát vaø ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô ñieän. Ñaëc tính cô bieåu thò moái quan heä giöõa toác ñoä quay vaø moâ men quay: ω = f(M) hoaëc n = F(M) 1. Ñaëc tính cô cuûa cô caáu saûn xuaát : Caùc cô caáu saûn xuaát tuy raát khaùc nhau nhöng ñaëc tính cô cuûa chuùng phaàn lôùn ñöôïc bieåu dieãn toång quaùt bôûi coâng thöùc ñöôïc ruùt ra töø thöïc teá: k  ω  MC = M C(0) + (M Cñm - M C(0) )  (I.1.8) ωdm  Trong ñoù: TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 12 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 1 MC - moâ men caûn cuûa cô caáu saûn xuaát ôû toác ñoä ω naøo ñoù; MC(o) - moâ men caûn cuûa cô caáu saûn xuaát ôû toác ñoä ω = 0; MCñm - moâ men caûn cuûa cô caáu saûn xuaát ôû ω = ωñm ; k - soá muõ ñaëc tröng cho phuï taûi, (k = 0, ±1, 2). Tröôøng hôïp k = 0: ñaây laø ñaëc tính cô cuûa caùc cô caáu naâng—haï (maùy truïc, thang maùy), cô caáu aên dao maùy caét goït kim loaïi v.v . Tröôøng hôïp k = -1: maùy quaán daây, cô caáu truyeàn ñoäng chính caùc maùy caét goït kim loaïi v.v . Tröôøng hôïp k = 1: maùy phaùt ñieän moät chieàu vôùi taûi thuaàn trôû . Tröôøng hôïp k = 2: caùc maùy thuyû khí: bôm, quaït, chaân vòt taøu thuûy v.v . ωωω k = 0 k = 1 ωωω k = 2 Cñm k = -1 M 0 MC(0) MCñm Hình 1.5 Daïng ñaëc tính cô cuûa moät soá cô caáu saûn xuaát 2. Ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô ñieän: Ñaëc tính cô ω = f(M) cuûa ñoäng cô ñieän chia ra: ñaëc tính cô töï nhieân vaø ñaëc tính cô nhaân taïo. Daïng ñaëc tính cô cuûa moãi loaïi ñoäng cô khaùc nhau seõ khaùc nhau. a) Ñaëc tính cô töï nhieân (tn) : Ñoù laø quan heä ω = f(M) cuûa ñoäng cô ñieän khi caùc thoâng soá ñieän: ñieän aùp, taàn soá, laø ñònh möùc theo cheá ñoä ñaõ ñöôïc thieát keá cheá taïo vaø maïch ñieän cuûa ñoäng cô khoâng noái theâm ñieän trôû, ñieän khaùng, . b) Ñaëc tính cô nhaân taïo (nt) : Ñoù laø quan heä ω = f(M) cuûa ñoäng cô ñieän khi caùc thoâng soá ñieän khoâng ñuùng ñònh möùc hoaëc khi maïng ñieän coù noái theâm ñieän trôû, ñieän khaùng, hoaëc coù söï thay ñoåi maïch noái. 3. Ñoä cöùng cuûa ñaëc tính cô: Ñaïi löôïng ñoä cöùng β cuûa moät ñöôøng ñaëc tính cô laø: TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 13 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 1 ∆M β = = cotg( α) (I.1.9) ∆ω Ñoä cöùng β cuûa moät ñaëc tính cô ñöôïc duøng ñeå ñaùnh giaù ñaëc tính cô ñoù. Ñaëc tính cô cöùng tuyeät ñoái ω Ñaëc tính cô cöùng ∆ω α Ñaëc tính cô meàm M 0 ∆Μ Hình 1.6 Ñoä cöùng ñaëc tính cô − Khi | β| nhoû, ñaëc tính cô laø meàm (| β|<10) − Khi | β| lôùn, ñaëc tính cô laø cöùng (| β| =10 ÷100) − Khi | β| = ∞, ñaëc tính cô laø naèm ngang vaø laø cöùng tuyeät ñoái. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 14 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 1 TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 15 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 - 16 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 Ñieàu chænh toác ñoä ñoäng cô laø chuû ñoäng thay ñoåi toác ñoä ñoäng cô theo yù muoán cuûa ngöôøi hay thieát bò ñieàu khieån sao cho phuø hôïp vôùi quy trình coâng ngheä cuûa boä phaän laøm vieäc cuûa maùy saûn xuaát. Ñeå thay ñoåi toác ñoä boä phaän laøm vieäc cuûa maùy saûn xuaát coù theå thöïc hieän baèng hai phöông phaùp: − Thay ñoåi tæ soá truyeàn cuûa boä phaän truyeàn löïc hoaëc bieán toác ñaët giöõa ñoäng cô vaø boä phaän laøm vieäc cuûa maùy saûn xuaát (i = ωÑ/ωMSX ). − Thay ñoåi toác ñoä ñoäng cô. ÔÛ ñaây ta chæ xeùt ñeán phöông phaùp thay ñoåi toác ñoä ñoäng cô. A—CAÁU TAÏO CÔ BAÛN CUÛA MAÙY ÑIEÄN MOÄT CHIEÀU 1. Sô ñoà noái daây cuûa moät maùy phaùt kích töø song song: Bieán trôû haïn doøng Cöïc töø phuï Hình 2.1 2. Maïch töø cuûa moät maùy ñieän hai cöïc: Loõi töø Cuoän kích töø Goâng (aùch) Raêng Ñeá cuûa cöïc töø Phaàn öùng Tö ø thoâng taûn Hình 2.2 TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 17 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 3. Cuoän daây kích töø treân moät cöïc töø: Loõi cöïc töø Cuoän kích töø Ñaàu ra Ñaàu ra Hình 2.3 4. Phaàn öùng: Coå goùp Truïc Hình 2.4 5. Caáu truùc coå goùp: Caùc phieán goùp höôùng ra ngoaøi Vaønh chöõ “V” Caùch ñieän mica Neâm Raõnh gaén ca ùc ñaàu ra cuûa caùc cuoän daây phaàn öùng OÁng loùt cuûa coå goùp Caùc phieán goùp baèng ñoàng TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITEHình 2.5 KYSUBACHKHOA.C OM - 18 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 6. Maïch ñieän phaàn öùng: Choåi than Phieán goùp B1 B2 Hình 2.6 7. Caáu truùc choåi than: Ñuoâi sam Ñaàu chænh ñoä caêng loø xo Loø xo coá ñònh choåi than Choåi than Choåi than Boä gaù Hình 2.7 Maùy ñieän moät chieàu veà cô baûn coù hai phaàn maïch ñieän: maïch kích töø vaø maïch phaàn öùng. Phaàn kích töø naèm ôû phaàn tónh hay stator cuûa maùy ñieän bao goàm caùc cuoän daây quaán quanh caùc cöïc töø cuûa stator. Caùc cöïc töø naøy höôùng vaøo trong stator nhö treân hình 2.1. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 19 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 Soá cöïc töø laø moät soá chaün vaø chuùng saép seáp xen keû theo cöïc tính nam – baéc. Cuoän kích töø, doøng ñieän cuõng nhö thoâng löôïng cuûa caùc cöïc töø laø nhö nhau. Caùc cuoän daây kích töø ñöôïc noái noái tieáp. Doøng ñieän caáp cho cuoän kích töø nhaèm töø hoùa caùc cöïc töø vaø taïo ra töø thoâng trong khe hôû khoâng khí giöõa stator vaø rotor cuûa ñoäng cô. Maïch kích töø khoâng phaûi laø maïch tieâu thuï coâng suaát nguoàn chính trong maùy ñieän. Maïch phaàn öùng tieâu thuï coâng suaát nguoàn chính vaø naèm treân rotor. Caùc cuoän daây cuûa phaàn öùng ñaët trong caùc raõnh phaân boá treân chu vi beà maët cuûa rotor (hình 2.4). ñoä roäng moät cuoän daây goïi laø böôùc cuoän daây, baèng beà roäng vuøng döôùi moät cöïc töø, ñöôïc goïi laø böôùc cöïc. Do ñoù neáu moät caïnh taùc duïng cuûa cuoän daây ñang naèm döôùi moät cöïc baéc thì caïnh coøn laïi seõ naèm döôùi cöïc nam keá beân. Caùc cuoän daây treân maïch phaàn öùng noái nhau thaønh maïch kín, keát thuùc cuûa cuoän naøy seõ laø baét ñaàu cuûa cuoän tieáp ñoù vaø keát thuùc cuûa cuoän daây cuoái cuøng seõ noái voøng ñeán ñieåm baét ñaàu cuûa cuoän ñaàu tieân. Doøng ñieän moät chieàu ñöôïc ñöa vaøo hay laáy ra töø daây quaán phaàn öùng thoâng qua caùc choåi than tì leân coå goùp. Coå goùp laø moät keát caáu hình truï treân beà maët coù nhieàu phieán goùp, soá phieán goùp baèng soá cuoän daây vaø chuùng ñöôïc caùch ñieän vôùi nhau baèng mica. Ñaàu keát thuùc cuûa moät cuoän vaø khôûi ñaàu cuûa moät cuoän öùng khaùc ñöôïc noái ñeán chung moät raõnh gaén ñaàu ra cuoän daây treân phieán goùp (hình 2.5). Keát noái maïch phaàn öùng nhö treân hình 2.6. Doøng ñieän ñöa vaøo phaàn öùng qua choåi than vaø coå goùp. Choåi than B 1 ñöôïc noái ñeán phieán goùp soá 1, vaø choåi kia noái ñeán phieán goùp soá 13. Doøng ñieän ñeán phaàn öùng töø choåi than B 1 phieán goùp soá 1 vaø voøng veà ôû phieán goùp 13 taïi choåi than B 2 theo hai ñöôøng daãn song song, moãi ñöôøng daãn taûi moät nöûa doøng phaàn öùng. Moãi ñöôøng goàm möôøi hai cuoän daây, treân hình 2.6 laø hai maïch nhaùnh coù caùc cuoän : nhaùnh phaûi goàm töø cuoän AA’ ñeán cuoän WW’ vaø nhaùnh kia phaàn coøn laïi. Moãi cuoän daây trong nhoùm möôøi hai cuoän daây naøy, giaû söû cuoän ñaàu tieân naèm döôùi moät cöïc baéc thì cuoän cuoái trong nhoùm seõ keát thuùc naèm döôùi cöïc nam. Maïch nhaùnh goàm möôøi hai cuoän coøn laïi seõ ngöôïc laïi, baét ñaàu naèm döôùi moät cöïc nam vaø keát thuùc cöïc baéc. Khi rotor quay, doøng ñieän chaûy trong cuoän daây naèm döôùi moät cöïc töø khoâng ñoåi, tieáp xuùc choåi than-coå goùp thay ñoåi. Vì chieàu doøng ñieän trong caùc cuoän daây ngöôïc nhau vaø do caùch boá trí xen keû cuûa cöïc töø, moâ men taïo ra do caùc cuoän daây coù cuøng chieàu. Nhôø heä choåi than-coå goùp maø maùy ñieän môùi coù theå laøm vieäc vôùi nguoàn moät chieàu. Doøng ñieän trong caùc cuoän daây phaàn öùng thöïc ra laø xoay chieàu vì moãi laàn moät cuoän daây dòch chuyeån töø vuøng taùc ñoäng cuûa moät cöïc töø sang vuøng taùc ñoäng cuûa moät cöïc töø khaùc, doøng ñieän trong noù bò ñaûo chieàu. Ta coù theå noùi heä coå goùp vaø choåi than hoaït ñoäng nhö moät boä bieán ñoåi doøng ñieän moät chieàu thaønh doøng ñieän xoay chieàu trong caùc cuoän daây phaàn öùng. B—ÑAËC TÍNH CÔ ÑOÄNG CÔ ÑIEÄN MOÄT CHIEÀU 1. Ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø ñoäc laäp vaø kích töø song song: TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 20 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 ÔÛ ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø ñoäc laäp, cuoän kích töø ñöôïc caáp ñieän töø moät nguoàn ñieän ngoaøi ñoäc laäp vôùi nguoàn ñieän caáp cho rotor (cuoän öùng). + • • + • • - U - U I Iö ö Ñ • Ñ • L R L kt R kt kt kt + • • - Ukt Hình 2.8 a) —Sô ñoà nguyeân lyù noái daây ñoäng b) —Sô ñoà nguyeân lyù noái daây ñoäng cô cô moät chieàu kích töø ñoäc laäp. moät chieàu kích töø song song a) Phöông trình ñaëc tính cô: Khi ñoäng cô laøm vieäc, rotor mang cuoän öùng quay trong töø tröôøng cuoän caûm neân trong cuoän öùng xuaát hieän moät söùc ñieän ñoäng caûm öùng (hay coøn goïi laø söùc phaûn ñieän ñoäng) coù chieàu ngöôïc vôùi ñieän aùp ñaët vaøo phaàn öùng cuûa ñoäng cô. Phöông trình ñieän aùp ôû maïch rotor seõ laø: U = E + I öRö∑ (I.2.1) Trong ñoù: U - ñieän aùp löôùi, V; E - söùc ñieän ñoäng cuûa ñoäng cô, V; Iö - doøng ñieän phaàn öùng cuûa ñoäng cô, A; Rö∑ - ñieän trôû toaøn boä maïch phaàn öùng, Ω; Rö∑ = R ö + R phuï (I.2.2) Rphuï - ñieän trôû phuï trong maïch phaàn öùng, Ω; Rö - ñieän trôû maïch phaàn öùng, Ω; Rö = r ö + r ct + r cb + r cp (I.2.3) rö - ñieän trôû cuoän daây phaàn öùng, Ω; rct - ñieän trôû tieáp xuùc giöõa choåi than vaø phieán goùp, Ω; rcb - ñieän trôû cuoän buø, Ω; TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 21 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 rcp - ñieän trôû cuoän phuï, Ω; Söùc ñieän ñoäng phaàn öùng tæ leä vôùi toác ñoä quay cuûa rotor: E = k Φω (I.2.4) Trong ñoù: Φ - töø thoâng qua moät cöïc töø, Wb; ω - toác ñoä goùc cuûa rotor, rad/s; k - heä soá, phuï thuoäc vaøo keát caáu cuûa ñoäng cô. pN k = (I.2.5) 2πa Vôùi: p - soá ñoâi cöïc töø chính; N - soá thanh daãn taùc duïng cuûa cuoän öùng; a - soá maïch nhaùnh song song cuûa cuoän öùng. Nhôø löïc töø tröôøng taùc duïng vaøo daây daãn phaàn öùng khi coù doøng ñieän, rotor quay döôùi taùc duïng moâ men quay. M = k ΦIö (I.2.6) Töø heä phöông trình (I.2.1), (I.2.4) vaø (I.2.6) phöông trình ñaëc tính cô ω=ƒ(M) nhö sau: U R ω = − u ∑ M (I.2.7) kΦ (kΦ) 2 b) Ñöôøng ñaëc tính cô: Phöông trình ñaëc tính cô (I.2.7) coù daïng haøm baäc nhaát y = Ax + B , neân ñöôøng bieåu dieãn treân heä truïc toïa ñoä M0 ω laø moät ñöôøng thaúng vôùi ñoä doác aâm. Ñöôøng ñaëc tính cô caét truïc tung 0 ω taïi ñieåm coù tung ñoä: U ω0 = (I.2.8) kΦ Toác ñoä ω0 laø toác ñoä öùng vôùi M C = 0, nghóa laø: khi khoâng coù löïc caûn naøo caû. Ñoù laø toác ñoä lôùn nhaát cuûa ñoäng cô maø khoâng theå ñaït ñöôïc ôû cheá ñoä ñoäng cô vì khoâng bao giôø TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 22 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 xaûy ra M C = 0 (do löïc ma saùt luoân toàn taïi khi ñoäng cô quay). Toác ñoä ω0 goïi laø toác ñoä khoâng taûi lyù töôûng. ω U ω = 0 kΦ M Hình 2.9 Ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø ñoäc laäp. Khi toaøn boä caùc thoâng soá ñieän cuûa ñoäng cô laø ñònh möùc theo thieát keá (ñöôïc ghi treân nhaõn ñoäng cô) vaø khoâng maéc theâm ñieän trôû phuï vaøo maïch ñoäng cô vì R ö∑ = R ö vaø phöông trình ñaëc tính cô seõ laø: U dm Ru ∑ ω = − 2 M (I.2.7)’ kΦ dm (kΦ dm ) Ñöôøng ñaëc tính cô luùc naøy goïi laø ñöôøng ñaëc tính cô töï nhieân (Hình 2.10). ω ω0 U dm ∆ω ω 0 = kΦ dm A ωñm M M ∆M Mñm nm TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITEC KYSUBACHKHOA.COM - 23 - Hình 2.10 Ñaëc tính cô töï nhieân cuûa ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø ñoäc laäp.
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 Khi phuï taûi taêng daàn töø M C = 0 ñeán M C = M ñm ( ∆MC = M C - 0) thì toác ñoä ñoäng cô giaûm daàn töø ω0 xuoáng ωñm ( ∆ω = ω0 - ωñm ). Ñieåm A (M ñm ,ωñm ) goïi laø ñieåm laøm vieäc ñònh möùc. Phöông trình (I.2.7) vaø (I.2.7)’ coù theå vieát döôùi daïng: ω = ω0 - ∆ω (I.2.9) Vôùi ñoä suït toác tæ leä vôùi moâ men taûi: Ru ∑ ∆ω = 2 M (I.2.10) (kΦ dm ) Nhö vaäy, ñöôøng thaúng ñaëc tính cô coù theå veõ ñöôïc nhôø hai ñieåm ω0 vaø A. Cuõng coù theå duøng moät trong hai ñieåm ñoù keát hôïp vôùi ñieåm khaùc thöù ba laø ñieåm caét cuûa ñaëc tính cô vôùi truïc hoaønh 0M. Ñieåm naøy coù tung ñoä ω = 0 vaø hoaønh ñoä suy ra töø (I.2.7)’. U dm M = M nm = k Φñm = k Φñm Inm (I.2.11) Ru Trong ñoù: U dm Inm = (I.2.12) Ru Moâ men M nm vaø doøng ñieän I nm goïi laø moâ men ngaén maïch vaø doøng ñieän ngaén maïch. Ñoù laø giaù trò moâ men lôùn nhaát vaø doøng ñieän lôùn nhaát cuûa ñoäng cô khi ñöôïc caáp ñieän ñaày ñuû maø toác ñoä baèng khoâng. Tröôøng hôïp naøy xaûy ra khi baét ñaàu môû maùy vaø khi ñoäng cô ñang chaïy maø bò döøng laïi vì bò keït hoaëc taûi quaù lôùn khoâng keùo ñöôïc. Doøng ñieän ngaén maïch naøy lôùn vaø thöôøng baèng: Inm = (10 ÷ 20)I ñm Noù coù theå gaây chaùy hoûng ñoäng cô neáu hieän töôïng toàn taïi keùo daøi. Do vaäy, khi môû maùy phaûi theâm ñieän trôû phuï Rphuï vaøo maïch rotor ñeå haïn cheá doøng ñieän môû maùy vaø khi ñoäng cô ñang chaïy bò döøng laïi thì caàn phaûi nhanh choùng caét ñieän. c) Aûnh höôûng cuûa caùc thoâng soá ñieän ñoái vôùi ñaëc tính cô: Phöông trình (I.2.7) cho thaáy, ñöôøng ñaëc tính cô baäc nhaát ω = f(M) phuï thuoäc vaøo caùc heä soá cuûa phöông trình, trong ñoù coù chöùa caùc thoâng soá ñieän U, R ö∑ vaø Φ. Ta xeùt aûnh höôûng cuûa töøng thoâng soá naøy. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 24 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 1) Tröôøng hôïp thay ñoåi ñieän aùp phaàn öùng (Hình 2.11) U=var; R ö∑ = const; Φ = const ω ω0 tn ω01 U ∨ ñm ω02 nt 1 U1 ω03 nt 2 ∨ U2 ω04 nt ∨ 3 U ∨ 3 ° ° ° M MC.ñm Hình 2.11 Hoï ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø ñoäc laäp khi giaûm ñieän aùp phaàn öùng. Vì ñieän aùp ñaët vaøo phaàn öùng khoâng theå vöôït quaù giaù trò ñònh möùc neân ta chæ coù theå thay ñoåi veà phía giaûm. Tröôøng hôïp naøy, ñoä doác (hay ñoä cöùng) cuûa ñaëc tính cô khoâng thay ñoåi: R − u ∑ = const (kΦ) 2 Coøn toác ñoä khoâng taûi lyù töôûng ω0 thay ñoåi tæ leä thuaän vôùi ñieän aùp : U ω0 = = var kΦ Nhö vaäy, khi thay ñoåi ñieän aùp ñaët vaøo phaàn öùng, ta ñöôïc moät hoï caùc ñöôøng ñaëc tính cô song song vôùi ñöôøng ñaëc tính cô töï nhieân (tn) vaø thaáp hôn ñöôøng ñaëc tính cô töï nhieân. Caùc ñöôøng ñaëc tính cô naøy goïi laø caùc ñöôøng ñaëc tính cô nhaân taïo (nt). 2) Tröôøng hôïp thay ñoåi ñieän trôû maïch phaàn öùng: (Hình 2.12) Rö∑ = var; U = const; Φ = const Vì R ö∑ = R ö + R phuï neân ñieän trôû maïch phaàn öùng chæ coù theå thay ñoåi veà phía taêng Rphuï. Tröôøng hôïp naøy, toác ñoä khoâng taûi giöõ nguyeân: U ω0 = = const kΦ Coøn ñoä doác (hay ñoä cöùng) thay ñoåi tæ leä thuaän theo R ö∑ : TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 25 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 R − u ∑ = var (kΦ) 2 ω ω0 tn Rö nt 1 ∧∧∧ Rö+R phuï1 nt 2 ∧∧∧ R +R nt ö phuï2 3 ∧∧∧ Rö+R phuï3 ° ° M MC.ñm ° Hình 2.12 Hoï ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø ñoäc laäp khi taêng ñieän trôû maïch phaàn öùng. Nhö vaäy, khi taêng ñieän trôû R phuï trong maïch phaàn öùng, ta ñöôïc moät hoï caùc ñöôøng ñaëc tính cô nhaân taïo cuøng ñi qua ñieåm (0, ω0). 3) Tröôøng hôïp thay ñoåi töø thoâng kích töø : (Hình 2.13)ø Φ = var; R ö∑ = const; U = const ω ω3 nt 3 ω2 ° nt 2 ° ° ω1 nt 1 Φ 3 ∧∧∧ ω0 ΦΦΦ2 ∧ ΦΦΦ1 tn Φñm M MC.ñm Hình 2.13 Hoï ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø ñoäc laäp khi giaûm töø thoâng. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 26 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 Ñeå thay ñoåi töø thoâng Φ, phaûi thay ñoåi doøng kích töø nhôø bieán trôû R kt maéc ôû maïch cuoän caûm. Vì chæ coù theå taêng Rkt neân töø thoâng kích töø chæ coù theå thay ñoåi veà phía giaûm. Tröôøng hôïp naøy, caû toác ñoä khoâng taûi lyù töôûng vaø ñoä doác ñaëc tính cô ñeàu thay ñoåi. U ω0 = = var kΦ R − u ∑ = var (kΦ) 2 Khi giaûm töø thoâng, ω0 taêng, coøn ñoä doác thì giaûm maïnh. d) Ñaûo chieàu quay ñoäng cô: Chieàu töø löïc taùc duïng vaøo doøng ñieän xaùc ñònh theo quy taéc baøn tay traùi. Khi ñaûo chieàu töø thoâng hay ñaûo chieàu doøng ñieän thì töø löïc coù chieàu ngöôïc laïi. Vaäy, muoán ñaûo chieàu quay cuûa ñoäng cô ñieän moät chieàu coù theå thöïc hieän moät trong hai caùch: − hoaëc ñaûo chieàu töø thoâng (qua ñaûo chieàu doøng ñieän kích töø) − hoaëc ñaûo chieàu doøng ñieän phaàn öùng. Ñöôøng ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô khi quay thuaän vaø khi quay ngöôïc laø ñoái xöùng nhau qua goác toïa ñoä. Phöông phaùp ñaûo chieàu töø thoâng thöïc hieän nheï nhaøng vì maïch töø thoâng coù coâng suaát nhoû hôn maïch phaàn öùng. Tuy vaäy, vì cuoän kích töø coù soá voøng daây lôùn, heä soá töï caûm lôùn, do ñoù thôøi gian ñaûo chieàu taêng leân neân phöông phaùp naøy ít duøng. Ngoaøi ra, duøng phöông phaùp ñaûo chieàu töø thoâng thì khi töø thoâng qua trò soá khoâng coù theå laøm toác ñoä taêng quaù, khoâng toát. e) Môû maùy ñoäng cô kích töø ñoäc laäp: Luùc baét ñaàu ñoùng ñieän cho ñoäng cô, toác ñoä ñoäng cô coøn baèng khoâng neân doøng ñieän ñoäng cô I nm tính theo (I.2.12) raát lôùn, taïo ra moâ men ngaén maïch M nm tính theo (I.2.11) cuõng raát lôùn vaø coù theå gaây ra caùc haäu quaû xaáu. Doøng ñieän môû maùy: U dm Imm = I nm = = (10 ÷ 20)I ñm Ru Ñoái vôùi ñoäng cô coù coâng suaát caøng lôùn thì Rö thöôøng coù giaù trò caøng nhoû vaø doøng Inm caøng lôùn. Ñieàu naøy laøm xaáu cheá ñoä chuyeån maïch trong ñoäng cô, ñoát noùng maïch ñoäng cô vaø gaây suït aùp löôùi ñieän. Tình traïng caøng xaáu hôn neáu heä truyeàn ñoäng ñieän TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 27 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 thöôøng phaûi môû maùy, ñaûo chieàu, haõm ñieän thöôøng xuyeân nhö ôû maùy truïc, maùy caùn ñaûo chieàu, thang maùy leân xuoáng, v.v Moâ men môû maùy quaù lôùn seõ taïo ra caùc xung löïc ñoäng laøm heä truyeàn ñoäng bò giaät, laéc, khoâng toát veà maët cô hoïc, haïi maùy vaø coù theå gaây ra nguy hieåm nhö: gaõy truïc, vôõ baùnh raêng, ñöùt caùp, ñöùt xích, v.v Mmm = M nm = k Φñm Imm Vaäy, ñeå ñaûm baûo an toaøn cho ñoäng cô vaø caùc cô caáu truyeàn ñoäng cuõng nhö traùnh aûnh höôûng xaáu tôùi löôùi ñieän, phaûi haïn cheá doøng ñieän khi môû maùy, khoâng cho vöôït quaù giaù trò: Imm = (1,5 ÷ 2,5)I ñm Nghóa laø caàn phaûi theâm ñieän trôû phuï R phuï vaøo maïch phaàn öùng sao cho: U dm U dm Imm = = = (1,5 ÷ 2,5)I ñm Ru + R phu Ru ∑ Coâng suaát ñoäng cô lôùn thì choïn I mm nhoû. Trong quaù trình môû maùy, toác ñoä ñoäng cô ω taêng daàn, söùc ñieän ñoäng cuûa ñoäng cô E = k Φω cuõng taêng daàn vaø doøng ñieän ñoäng cô bò giaûm: U − E I = Ru + R phu Do ñoù moâ men ñoäng cô cuõng giaûm. Do vaäy, khi moâ men giaûm ñi moät möùc naøo ñoù thì phaûi caét ñieän trôû phuï R phuï trong maïch phaàn öùng ñeå ñoäng cô trôû veà laøm vieäc (hay tieáp tuïc môû maùy) treân ñaëc tính töï nhieân. Toùm laïi, ñeå haïn cheá doøng ñieän quaù lôùn luùc môû maùy phaûi theâm ñieän trôû vaøo maïch phaàn öùng. Trong quaù trình ñoäng cô taêng toác, phaûi loaïi boû daàn caùc ñieän trôû môû maùy ra khoûi maïch phaàn öùng. 2. Ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø noái tieáp: Ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø noái tieáp coù cuoän kích töø maéc noái tieáp vôùi cuoän daây phaàn öùng. Vôùi caùch maéc noái tieáp, doøng ñieän kích töø baèng doøng ñieän phaàn öùng neân cuoän daây kích töø noái tieáp coù tieát dieän daây lôùn vaø soá voøng daây ít. Töø thoâng cuûa ñoäng cô phuï thuoäc vaøo doøng ñieän phaàn öùng (töùc laø phuï thuoäc vaøo taûi): Φ = k’I ö (I.2.13) Trong ñoù: k’ - heä soá phuï thuoäc caáu taïo cuûa cuoän daây kích töø. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 28 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 Φ Φbh + • • - U R ö + R Iö = I kt kt Ñ kt Iö Hình 2.14 a) —Sô ñoà nguyeân lyù noái daây ñoäng b) —Töø thoâng ñoäng cô moät chieàu kích cô moät chieàu kích töø noái tieáp. töø noái tieáp phuï thuoäc vaøo doøng ñieän phaàn öùng (cuõng laø doøng kích töø). Bieåu thöùc (I.2.13) cho bieát: töø thoâng Φ phuï thuoäc tuyeán tính vaøo doøng ñieän phaàn öùng (töùc doøng ñieän kích töø). Ñieàu naùy ñuùng khi maïch töø khoâng baõo hoøa töø vaø khi doøng ñieän I ö I ñm ), coù theå coi Φ = const vì maïch töø ñaõ bò baõo hoøa. a) Phöông trình ñaëc tính cô: Xuaát phaùt töø caùc phöông trình cô baûn cuûa ñoäng cô ñieän moät chieàu noùi chung: U = E + I öRö∑ (a) E = k Φω (b) 2 M = k ΦIö =kk’I ö (c) Ta coù theå tìm ñöôïc phöông trình ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø noái tieáp: Töø (I.2.13), (b) vaø (a) : U R ω = − u ∑ (d) kk ' I u kk ' Ruùt I ö töø (c) vaø thay vaøo (d): U R ω = − u ∑ (I.2.14) kk ' M kk ' b) Ñöôøng ñaëc tính cô: TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 29 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 Ñöôøng ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø noái tieáp theo phöông trình (I.2.14) laø moät ñöôøng hyperbol. ω ω A ñm tn nt 1 Rphuï = 0 〉 〉 〉 〉 nt 2 Rphuï1 M 〉 〉 〉 〉 MC.ñm Mmm Rphuï2 Hình 2.15 Ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø noái tieáp. Thöïc teá, ñoäng cô thöôøng ñöôïc thieát keá ñeå laøm vieäc vôùi maïch töø baõo hoøa ôû vuøng taûi ñònh möùc. Do vaäy, khi taûi nhoû, ñaëc tính cô coù daïng ñöôøng hyperbol baäc hai vaø meàm, coøn khi taûi lôùn (treân ñònh möùc) ñaëc tính coù daïng gaàn thaúng vaø cöùng hôn vì maïch töø ñaõ baõo hoøa ( Φ = const). Khi M C = 0 (I ö = 0), theo (I.2.14) thì trò soá ω seõ voâ cuøng lôùn. Thöïc teá, do luoân coù MC ≠ 0 vì khoâng theå khoâng coù löïc ma saùt ôû coå truïc ñoäng cô vaø maïch töø khi I kt = 0 vaãn coøn coù töø dö ( Φdö ≠ 0) neân khi khoâng taûi M C ≈ 0, toác ñoä ñoäng cô seõ laø: U ω0 = (I.2.15) kΦ du Toác ñoä naøy khoâng phaûi lôùn voâ cuøng nhöng do töø dö Φdö nhoû neân ω0 cuõng lôùn hôn nhieàu so vôùi trò soá ñònh möùc (5 ÷ 6) ωñm vaø coù theå gaây haïi vaø nguy hieåm cho heä truyeàn ñoäng ñieän. Vì vaäy, khoâng ñöôïc ñeå ñoäng cô moät chieàu kích töø noái tieáp laøm vieäc ôû cheá ñoä khoâng taûi hoaëc rôi vaøo tình traïng khoâng taûi. Khoâng duøng ñoäng cô moät chieàu kích töø noái tieáp vôùi caùc boä truyeàn ñai hoaëc gheùp noái (ly hôïp ma saùt) . Thoâng thöôøng, taûi toái thieåu cuûa ñoäng cô laø khoaûng (10 ÷ 20)% ñònh möùc. Chæ nhöõng ñoäng cô coâng suaát raát nhoû(vaøi chuïc watt) môùi coù theå cho pheùp chaïy khoâng taûi. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 30 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 Do ñöôøng ñaëc tính cô meàm neân toác ñoä ñoäng cô moät chieàu kích töø noái tieáp bieán ñoäng maïnh theo phuï taûi. ÔÛ vuøng taûi lôùn thì ñoä cöùng ñaëc tính cô lôùn hôn, do ñoù toác ñoä ít bò thay ñoåi maïnh theo taûi. Phöông trình ñaëc tính cô töï nhieân suy töø (I.2.14) vôùi R ö∑ = R ö. U R ω = − u ∑ (I.2.14)’ kk ' M kk ' Ñaëc tính cô caét truïc hoaønh taïi ñieåm M mm , trò soá M mm suy ra khi cho ω = 0: 2  U  2 Mmm = kk’   = kk’I mm (I.2.16)  Ru  Trong ñoù: U Inm = (I.2.17) Ru c) AÛnh höôûng cuûa caùc thoâng soá ñieän ñoái vôùi ñaëc tính cô: Phöông trình (I.2.14) cho thaáy: ñaëc tính cô ω = f(M) cuûa ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø noái tieáp bò aûnh höôûng bôûi ñieän trôû maïch ñoäng cô (maïch phaàn öùng vaø cuõng laø maïch kích töø). Ñaëc tính cô töï nhieân (tn) cao nhaát öùng vôùi ñieän trôû phuï R phuï = 0. caùc ñaëc tính cô nhaân taïo (nt) öùng vôùi R phuï ≠ 0. Ñaëc tính caøng thaáp khi R phuï caøng lôùn. ÔÛ ñoäng cô moät chieàu kích töø noái tieáp, doøng ñieän phaàn öùng cuõng laø doøng ñieän kích töø neân khaû naêng taûi cuûa ñoäng cô haàu nhö khoâng bò aûnh höôûng bôûi ñieän aùp. d) Ñaûo chieàu quay ñoäng cô kích töø noái tieáp: Cuõng nhö ñoäng cô moät chieàu kích töø song song, ñoäng cô kích töø noái tieáp seõ ñaûo chieàu quay khi ñaûo chieàu doøng ñieän phaàn öùng. e) Môû maùy ñoäng cô kích töø noái tieáp: Luùc môû maùy ñoäng cô, phaûi ñöa theâm ñieän trôû môû maùy vaøo maïch ñoäng cô ñeå haïn cheá doøng ñieän môû maùy trong giôùi haïn khoâng quaù 2,5I ñm . Trong quaù trình ñoäng cô taêng toác, phaûi caét daàn ñieän trôû môû maùy, ñoäng cô seõ laøm vieäc treân ñöôøng ñaëc tính cô töï nhieân khoâng coù ñieän trôû môû maùy. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 31 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 3. Ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø hoãn hôïp: Ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø hoãn hôïp ít gaëp hôn caùc loaïi ñoäng cô ñaõ xeùt ôû caùc muïc treân. Trong ñoäng cô loaïi naøy, töø thoâng ñöôïc taïo ra do taùc duïng ñoàng thôøi cuûa hai cuoän kích töø: moät cuoän song song (ktss) vaø moät cuoän noái tieáp (ktnt). Do vaäy, ñöôøng ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø hoãn hôïp phaân boå giöõa ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô moät chieàu kích töø song song vaø ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø noái tieáp. Neáu töø tröôøng cuûa cuoän song taïo ra maïnh hôn töø tröôøng cuûa cuoän noái tieáp thì ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô kích töø hoãn hôïp gaàn ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô kích töø song song hôn. Neáu töø tröôøng cuûa cuoän noái tieáp taïo ra maïnh hôn töø tröôøng cuûa cuoän song song thì ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô kích töø hoãn hôïp gaàn ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô kích töø noái tieáp hôn. Moät trong nhöõng ñaëc ñieåm cuûa ñoäng cô kích töø hoãn hôïp laø coù ñaëc tính cô meàm, coù theå chaïy ôû cheá ñoä khoâng taûi vì toác ñoä khoâng taûi coù giaù trò giôùi haïn. C—NGUYEÂN LYÙ LAØM VIEÄC Khi ñaët vaøo trong töø tröôøng moät daây daãn vaø cho doøng ñieän chaïy qua daây daãn thì töø tröôøng seõ taùc duïng moät löïc töø vaøo doøng ñieän (vaøo daây daãn) vaø laøm daây daãn chuyeån ñoäng. Chieàu cuûa löïc töø ñöôïc xaùc ñònh baèng quy taéc baøn tay traùi. Ñoäng cô ñieän noùi chung vaø ñoäng cô moät chieàu noùi rieâng laøm vieäc theo nguyeân lyù naøy. Ta xeùt caáu taïo cuûa moät ñoäng cô moät chieàu. Töø tröôøng ñöôïc taïo ra nhôø caùc cuoän daây coù doøng ñieän moät chieàu chaïy qua. Caùc cuoän naøy goïi laø cuoän caûm (hay cuoän kích töø) vaø ñöôïc quaán quanh caùc cöïc töø. Thöôøng thì stator ñoäng cô coù ñaët caùc cuoän caûm neân stator coøn goïi laø phaàn caûm. Töø tröôøng do cuoän caûm taïo ra seõ taùc duïng moät töø löïc vaøo caùc daây daãn rotor ñaët trong caùc raõnh cuûa rotor khi coù doøng ñieän chaïy qua. Cuoän daây naøy goïi laø cuoän öùng. Doøng ñieän ñöa vaøo cuoän öùng qua caùc choåi than vaø coå goùp. Rotor mang cuoän öùng neân goïi laø phaàn öùng. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 32 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 Hình 2.16 Giaû söû caùc daây daãn cuoän öùng ôû nöûa treân rotor coù doøng ñieän höôùng vaøo, coøn caùc daây daãn cuoän öùng ôû nöûa döôùi rotor coù doøng ñieän höôùng ra hình veõ. Töø löïc F taùc duïng vaøo caùc daây daãn rotor coù chieàu xaùc ñònh theo quy taéc baøn tay traùi seõ taïo ra moâ men laøm quay rotor ngöôïc chieàu kim ñoàng hoà. Khi ñoäng cô laøm vieäc, cuoän caûm taïo ra töø tröôøng Φd doïc truïc cöïc töø vaø phaân boá ñoái xöùng ñoái vôùi cöïc töø. Maët phaúng 00’ treân ñoù coù ñaët choåi than, vöøa laø maët phaúng trung tính hình hoïc vöøa laø maët phaúng trung tính vaät lyù. Ñoàng thôøi, doøng ñieän trong cuoän öùng cuõng taïo ra töø tröôøng rieâng Φn höôùng ngang truïc cöïc töø. Töø tröôøng toång trong ñoäng cô TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 33 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 maát tính chaát ñoái xöùng doïc truïc vaø maët phaúng trung tính vaät lyù quay ñi moät goùc β (ngöôïc chieàu quay cuûa rotor) so vôùi maët phaúng trung tính hình hoïc (Hình 2.17). a) b) c) Fn Hình 2.17 Töø tröôøng trong ñoäng cô ñieän moät chieàu a)—do cuoän caûm taïo ra b)—do cuoän öùng taïo ra c)—do hai cuoän toång hôïp β d)—toång veùc tô caùc söùc töø ñoäng. Fx Fd d) Doøng ñieän cuoän öùng caøng lôùn thì Φn caøng maïnh vaø goùc quay β caøng lôùn. Ta noùi phaûn öùng phaàn öùng caøng maïnh. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 34 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 Phaûn öùng phaàn öùng laø moät trong nhöõng nguyeân nhaân gaây ra tia löûa giöõa choåi than vaø coå goùp cuõng nhö giöõa caùc laù goùp trong coå goùp. Coù theå haïn cheá aûnh höôûng naøy nhôø xoay choåi than theo vò trí maët phaúng trung tính vaät lyù (töùc laø theo goùc β). Thoâng thöôøng trong caùc ñoäng cô ñieän moät chieàu hieän nay, ngöôøi ta duøng phöông phaùp theâm cöïc töø phuï. Hình 2.18 Phaân boá cöïc töø phuï trong ñoäng cô ñieän moät chieàu 1- cöïc töø phuï; 2- cuoän daây cöïc töø phuï(cuoän phuï); 3- cuoän kích töø(cuoän caûm); 4 - cöïc töø chính. Cöïc töø phuï ñöôïc ñaët giöõa caùc cöïc töø chính vaø cuoän daây cöïc töø phuï seõ taïo ra töø tröôøng ngang truïc so vôùi töø tröôøng chính vaø ngöôïc chieàu vôùi töø tröôøng Φn cuûa cuoän öùng ñeå khöû töø tröôøng Φn . Nhôø vaäy, phaûn öùng phaàn öùng bò haïn cheá vaø quaù trình chuyeån maïch trong ñoäng cô seõ toát hôn. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 35 - a) b)
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 Vì töø tröôøng Φn gaây ra phaûn öùng phaàn öùng tæ leä vôùi doøng ñieän phaàn öùng I ö neân cuoän daây cöïc töø phuï ñöôïc maéc noái tieáp vôùi cuoän daây phaàn öùng. Do vaäy, khi doøng ñieän phaàn öùng taêng leân, phaûn öùng phaàn öùng maïnh leân thì cuoän daây cöïc töø phuï cuõng sinh ra töø tröôøng ngöôïc maïnh hôn ñeå khöû töø tröôøng Φn. Ngoaøi ra, bieän phaùp taêng khe hôû khoâng khí giöõa stator vaø rotor cuõng ñöôïc aùp duïng. Caùch naøy daãn tôùi söï taêng kích thöôùc ñoäng cô vaø phaûi taêng cöôøng theâm cuoän kích töø chính vì khe hôû khoâng khí lôùn seõ laøm yeáu töø tröôøng chính. ÔÛ caùc ñoäng cô moät chieàu coâng suaát trung bình vaø lôùn bieän phaùp chính laø theâm cuoän daây buø ñaët trong raõnh ôû caùc cöïc töø chính nhaèm taïo ra töø thoâng Φb ngöôïc chieàu vôùi Φn laøm töø tröôøng ôû khe hôû khoâng khí khoâng bò meùo nöõa. Cuoän buø cuõng ñöôïc maéc noái tieáp vôùi cuoän öùng. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 36 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 D—ÑIEÀU KHIEÅN ÑOÄNG CÔ DC 1. Giôùi thieäu: Trong caùc öùng duïng maïng xoay chieàu, ñeå bieán ñoåi töø möùc ñieän aùp naøy sang möùc khaùc, ta duøng maùy bieán aùp. Ñoái vôùi maïng ñieän moät chieàu thì ta coù theå duøng caùc boä bieán ñoåi baùn daãn, caùc heä maùy phaùt moät chieàu. Trong phaàn naøy, em xin trình baøy caùch ñieàu khieån ñoäng cô duøng nguyeân lyù boä chopper. Boä chopper coù hai cheá ñoä laøm vieäc giaûm aùp vaø taêng aùp: Boä chopper giaûm aùp: goïi laø giaûm aùp vì ñieän aùp ngoõ vaøo cao hôn ñieän aùp ngoõ ra. Doøng coâng suaát ñoå töø nguoàn moät chieàu coá ñònh V 1 seõ chaûy töø phaàn coù ñieän theá cao sang phaàn coù theá thaáp V 2, phaàn tö hoaït ñoäng laø phaàn tö thöù nhaát, cheá ñoä truyeàn ñoäng ñoäng cô. I1 I2 + A1 B1 + Chopper hoaït + Maùy ñieän DC ñoäng ôû cheá ñoä laøm vieäc ô Phuï taûi V V giaûm aùp V 1 1 2 cheá ñoä ñoäng Ngoõ vaøo Ngoõ ra cô A2 B2 V2 L II I A R TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.C1 S1 B1OM V1 - 37 - + _ S2 I2 III IV A2 B2
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 ÔÛ cheá ñoä truyeàn ñoäng, ñieän aùp nguoàn coá ñònh cung caáp cho boä chopper V 1 treân ñaàu cöïc A 1A2 ôû ngoõ vaøo, sau khi qua boä chopper, ñöôïc bieán ñoåi, giaûm xuoáng coøn ñieän aùp kí hieäu V 2 treân ñaàu cöïc ngoõ ra B 1B2, doøng coâng suaát chaûy töø phaàn ñieän aùp cao sang phaàn aùp thaáp neân maùy ñieän laøm vieäc ôû cheá ñoä ñoäng cô. Ñieän aùp ñaët vaøo ñoäng cô V 2 vaø doøng phaàn öùng I 2 döông, ñieåm laøm vieäc naèm trong phaàn tö thöù nhaát nhö treân hình 2.20. Ñeå ñieàu khieån hoaït ñoäng cho boä chopper, ta ñoùng caét khoaù ñieän töû S 1 (GTO, BJT, ) ôû taàn soá cao laëp laïi. Daïng soùng ñieän aùp ra coù daïng xung chöõ nhaät, nhö vaäy ta coù theå ñieàu chænh ñöôïc ñieän aùp trung bình ñaët leân ñoäng cô. Boä chopper taêng aùp: phaàn tö hoaït ñoäng II, cheá ñoä maùy phaùt. Ñeå hoaït ñoäng ñöôïc ôû cheá ñoä naøy thì V 1 < V 2 , luùc naøy boä chopper seõ thay ñoåi taàn soá ñoùng caét cuûa noù. I1 I2 A1 B1 + Chopper hoaït + + Maùy ñieän DC ñoäng ôû cheá ñoä taêng laøm vieäc ô Phuï taûi V V aùp V 1 1 2 cheá ñoä maùy Ngoõ ra Ngoõ vaøo phaùt A2 B2 V2 S2 L R A1 B1 II I V1 TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.C+ OM _ S1 - 38 - I2 III IV A2 B2
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 2. Chopper giaûm aùp: a. Caáu hình maïch vaø nguyeân lyù laøm vieäc: L A1 S1 B1 V1 + S _ 2 R A2 B2 Hình 2.22 Chopper giaûm aùp Chopper seõ ñieàu chænh löôïng coâng suaát nguoàn moät chieàu coá ñònh cung caáp vaøo maïch taûi. Maïch taûi coâng suaát cuûa chopper treân hình 2.22 naèm trong vuøng neùt ñöùt, bao goàm hai linh kieän baùn daãn coâng suaát laøm vieäc nhö moät coâng taéc ñoùng caét tónh. Trong ñoù, coâng taéc kyù hieäu S 1 laø moät linh kieän chuyeån maïch coù ñieàu khieån. Noù coù theå laø moät loaïi baát kyø trong soá moät vaøi loaïi linh kieän chuyeån maïch baùn daãn coâng suaát. Loaïi linh kieän naøy coù theå ñoùng caét theo yù muoán khi cung caáp tín hieäu ñieàu khieån thích hôïp cho caùc cöïc ñieàu khieån cuûa noù. Thí duï, neáu linh kieän ñöôïc choïn cho S 1 laø GTO (loaïi Thyristor coù theå kích taét), ngöôøi ta kích ñeán cöïc coång cuûa noù moät xung doøng ñieän döông ngaén ñeå thoâng noù vaø moät xung doøng aâm ngaén ñeå khoùa noù. Neáu S 1 laø loaïi MOSFET keânh N, tín hieäu thoâng laø moät xung aùp döông ñöôïc duy trì trong suoát khoaûng ñònh thôøi môû vaø tín hieäu khoùa laø möùc ñieän aùp zero. Ngoaøi phaàn maïch taûi coâng suaát, chopper coù moät maïch ñieàu khieån (khoâng veõ treân hình 2.22), noù coù chöùc naêng cung caáp tín hieäu ñieàu khieån hoaït ñoäng ñoùng caét cuûa linh kieän S 1 theo yeâu caàu. Linh kieän baùn daãn thöù hai treân hình 2.22 kyù hieäu laø S 2 , laø moät diode coâng suaát_ loaïi linh kieän khoâng ñieàu khieån_ noù taïo ñöôøng daãn cho doøng thuaän trong khoaûng ñònh thôøi taét vaø caùc doøng ngöôïc. Giaû thieát TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 39 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 coi S 1 vaø S 2 laø lyù töôûng, töùc laø: coi chuyeån maïch giöõa hai traïng thaùi ñoùng caét dieãn ra töùc thôøi vaø khoâng coù suït aùp treân linh kieän khi laøm vieäc. Caùc ñaàu vaøo kyù hieäu laø A 1 (ñaàu döông) vaø A 2 (ñaàu aâm). Caùc ñaàu ra B 1 (döông) vaø B2 (aâm). Ñieän aùp nguoàn cung caáp coá ñònh kyù hieäu V 1. Ñieän trôû taûi R noái ñeán ngoõ ra qua moät caûm khaùng L. Muïc ñích cuûa caûm khaùng naøy laø seõ laøm phaúng caùc ñoät bieán doøng ñieän ngoõ ra do quaù trình chuyeån maïch trong chopper gaây ra. Ñieän aùp qua taûi vaø doøng ñieän qua noù coù theå xem nhö phaúng khi L ñuû lôùn. Caûm khaùng L duøng ñeå loïc boû caùc thaønh phaàn xoay chieàu vaø ñöôïc xem nhö moät thieát bò cuûa nguoàn. Noù thöôøng coù loõi saét vaø coù theå mang doøng taûi thuaàn moät chieàu maø khoâng baõo hoøa töø. Ñeå tieän khaûo saùt, ta coù moät soá ñònh nghóa sau: f - taàn soá chuyeån maïch laëp laïi cuûa chopper ,(Hz); T - chu kyø tuaàn hoaøn cuûa chopper, T = 1/f ,(s); Ton - thôøi gian thoâng cuûa khoùa ñieän töû S 1 ,(s); Toff - thôøi gian khoùa cuûa khoùa ñieän töû S 1 ,(s); D - chu kyø laøm vieäc cuûa khoùa ñieän töû S 1 , ñöôïc tính baèng: D = T on /T Khi S 1 thoâng, ñieän aùp V 1 ñaët ngöôïc leân diode S 2 neân S 2 khoùa. Doøng ñieän treân ñieän trôû taûi taêng theo haøm muõ do coù maët cuûa caûm khaùng L. Doøng ñieän naøy kyù hieäu baèng i 2 . i2 A1 B1 A1 B1 i S1 L S1 L 1 iD + + _ V1 S2 R _ V1 R S2 (a) ••• ••• (b) ••• ••• A2 B2 A2 B2 V1 v B1B2 (c) t T on Toff T I Ip3 p i2 Ip2 Iv Ip1 Iv3 Iv2 Iv1 (d) t Ip3 Ip Ip Ip Ip2 Iv Iv Iv i1 Ip1 Iv2 (e) Iv1 t TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM Ip Ip Ip Ip3 Iv Iv Iv Ip2 - 40 - i I Iv3 D p1 I I v2 (f) v1 t
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 Daïng soùng ñieän aùp treân hai ñaàu ngoõ ra B 1B2 trong caùc chu kyø chuyeån maïch cuûa chopper nhö treân hình 2.23 (c); ñieän aùp naøy baèng V 1 khi S 1 thoâng (S 1 on). Daïng soùng doøng ñieän i 2 trong maïch taûi ñöôïc trình baøy treân hình 2.23 (d); löu yù raèng trong chu kyø laøm vieäc ñaàu tieân cuûa chopper, doøng ñieän taêng leân töø trò soá zero ban ñaàu theo daïng haøm muõ. Khoùa ñieän töû S 1 (van S 1) ñöôïc duy trì ôû traïng thaùi thoâng trong suoát quaõng ñònh thôøi Ton , roài sau ñeán ñònh thôøi khoùa (off : khoùa,taét, caét, ngaét,hôû maïch). Taïi thôøi ñieåm S 1 khoùa (S 1 off), i 2 coù moät giaù trò xaùc ñònh. Ta kyù hieäu bieân ñoä cuûa doøng ñieän taïi thôøi ñieåm naøy laø I p1 . Ñaây laø giaù trò ñænh cuûa doøng ñieän trong suoát chu kyø laøm vieäc ñaàu tieân ôû ngoõ ra chopper. Giaù trò ñænh naøy xuaát hieän taïi thôøi ñieåm van S 1 khoùa. Doøng ñieän naøy khoâng theå töùc thôøi giaûm xuoáng zero, do hieän dieän caûm khaùng L. Vieäc suy giaûm doøng ñieän i 2 taïo ra moät ñieän aùp caûm öùng Ldi 2/dt xuaát hieän treân caûm khaùng. Ñieän aùp caûm öùng naøy phaân cöïc thuaän cho diode vaø doøng ñieän trong maïch ñöôïc lieân tuïc. Thuaät ngöõ “töï haønh”_freewheeling_ duøng ñeå chæ doøng ñieän chaûy trong maïch theo kieåu naøy maø khoâng do moät nguoàn ñieän aùp tích cöïc töø beân ngoaøi duy trì, maø chæ do phaàn naêng löôïng tích luõy trong phaàn töû kho (caûm khaùng L). Muïc ñích cuûa diode S 2 laø cung caáp moät ñöôøng daãn ñieän lieân tuïc khi van S 1 khoùa. Vì vaäy, vieäc khoùa S 1 seõ töï ñoäng laøm S 2 thoâng maïch neáu maïch coù phaàn töû kho L. Caáu hình maïch luùc naøy bieåu dieãn baèng hình 2.23 (b). Ñieän aùp treân hai ñaàu cöïc ngoõ ra B 1B2 luùc naøy baèng zero vaø doøng ñieän i 2 thì suy giaûm theo haøm muõ. Doøng ñieän i 2 suy giaûm lieân tuïc trong suoát quaõng ñònh thôøi T off . Ta kyù hieäu giaù trò doøng ñieän nhoû nhaát cuûa i 2 taïi cuoái quaõng ñònh thôøi T off coù bieân ñoä laø I v1 . Caùc daïng soùng ñieän aùp vaø doøng ñieän trong chu kyø ñaàu tieân bieåu dieãn treân hình 2.23 (c) vaø hình 2.23 (d). Trong khoaûng ñònh thôøi T on , doøng ñieän ngoõ ra i 2 baèng doøng ñieän ngoõ vaøo i 1. Doøng ñieän töï haønh chaûy qua diode ñöôïc kyù hieäu laø i D, baèng doøng ñieän i 2 trong suoát khoaûng ñònh thôøi T off . Caùc daïng soùng cuûa hai doøng ñieän naøy ñöôïc theå hieän treân hình 2.23 (e) vaø hình 2.23 (f). Chu kyø chuyeån maïch thöù hai cuûa chopper seõ baét ñaàu khi S 1 thoâng trôû laïi taïi thôøi ñieåm cuoái cuûa khoaûng ñònh thôøi khoùa T off ñaàu tieân. Caáu hình maïch seõ thay ñoåi nhö treân hình 2.23 (a), vaø doøng ñieän seõ baét ñaàu taêng leân. Luùc naøy, doøng ñieän khôûi ñaàu seõ khaùc TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 41 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 khoâng, baèng vôùi I v1 ôû cuoái khoaûng ñònh thôøi T off thöù nhaát vaø do ñoù ñænh doøng ñieän thöù hai I p2 seõ lôùn hôn I p1 vaø bieân ñoä doøng taïi cuoái khoaûng ñònh thôøi T off thöù hai (ta seõ goïi laø doøng ñieän ñaùy vaø kyù hieäu laø I v2 ) seõ lôùn hôn so vôùi I v1 . Theo kieåu naøy, caû hai bieân ñoä doøng ñieän doøng ñænh vaø doøng ñaùy seõ lieân tuïc taêng. Tuy nhieân ta seõ thaáy raèng khoaûng cheânh leäch naøy seõ caøng giaûm ñi sau moät chuoãi caùc chu kyø ñoùng caét lieân tuïc cuûa chopper. Sau moät vaøi chu kyø, söï khaùc bieät trong caùc chu kyø lieân tieáp trôû neân quaù beù vaø coù theå boû qua ñöôïc. Ta noùi raèng maïch ñaõ ñaït ñeán traïng thaùi laëp laïi hay traïng thaùi xaùc laäp. Ñieàu naøy coù nghóa laø coù theå xem doøng ñieän ñænh cuõng nhö doøng ñaùy ñaõ baèng nhau trong caùc chu kyø lieân tieáp. Traïng thaùi xaùc laäp ñöôïc bieåu dieãn ôû phaàn hình naèm beân phaûi cho taát caû caùc daïng soùng ñieän aùp, doøng ñieän treân hinh 2.23. Caùc doøng ñieän ñænh vaø ñaùy ôû traïng thaùi xaùc laäp kyù hieäu laø I p vaø I v nhö treân hình 2.23. Löu yù raèng ñieän aùp taïi ngoõ ra B1B2 töï noù ñaõ xaùc laäp töø chu kyø ñoùng caét ñaàu tieân. b. Quan heä ñieän aùp: Treân hình 2.23 (c) trình baøy daïng soùng cuûa ñieän aùp treân hai ñaàu cöïc B 1B2 laø v cuûa boä chopper. Ñaây laø moät chuoãi xung chöõ nhaät trong suoát khoaûng T . Ñieän aùp B1B2 on naøy goàm moät thaønh phaàn DC vaø moät thaønh phaàn AC. Thaønh phaàn AC laø ñoä nhaáp nhoâ ñieän aùp. Muïc ñích söû duïng caûm khaùng L ñeå loïc boû ñoä nhaáp nhoâ ñieän aùp vaø giöõ laïi thaønh phaàn DC. Löu yù raèng taàn soá nhaáp nhoâ cô baûn baèng taàn soá laøm vieäc cuûa chopper. Sau ñaây ta chöùng minh raèng coù theå boû qua ñoä nhaáp nhoâ cuûa ñieän aùp ngoõ ra baèng caùch duøng moät caûm khaùng ñuû lôùn vaø taàn soá ñoùng caét lôùn. Bieân ñoä ñieän aùp DC ñaàu ra treân caùc ñaàu cöïc taûi tính baèng ñoä cao trung bình cuûa daïng soùng treân hình 2.23 (c) nhö sau: Ton V2 = V1 × =V 1 × D (I.2.18) T Trong ñoù D laø chu kyø laøm vieäc cuûa boä chopper, ñöôïc xaùc ñònh baèng tæ soá khoaûng ñònh thôøi T on treân toång thôøi gian ñònh thôøi T. Do ñoù, tæ soá bieán ñoåi ñieän aùp a cuûa boä chopper, ñöôïc xaùc ñònh baèng tæ soá giöõa ñieän aùp ngoõ ra treân ñieän aùp ngoõ vaøo seõ baèng: a = V 2/V 1 = D (I.2.19) Baèng caùch thay ñoåi khoaûng ñònh thôøi T on , ta coù theå thay ñoåi ñöôïc chu kyø laøm vieäc ñoùng caét töø 0 ñeán 1. Vì vaäy ngöôøi ta coù theå ñieàu khieån chopper baèng thay ñoåi chu kyø laøm vieäc ñeå ñaït ñöôïc tæ soá bieán ñoåi ñieän aùp döôùi ñôn vò hay theo moät yeâu caàu. c. Phaïm vi chu kyø laøm vieäc cuûa caùc boä chopper thöïc teá: Trong caùc boä chopper thöïc teá, do caùc linh kieän baùn daãn khoâng lyù töôûng, khoâng coù khaû naêng thöïc hieän ñöôïc vieäc thay ñoåi tæ soá bieán aùp treân toaøn khoaûng 0 ÷1. Ñoái vôùi hoaït ñoäng thöïc teá cuûa moät linh kieän baùn daãn luoân caàn moät khoaûng thôøi gian chuyeån traïng thaùi xaùc ñònh tuøy thuoäc vaøo ñaëc tính loaïi linh kieän ñöôïc choïn söû duïng. Ton (hieäu duïng ) TAØI LIEÄU ÑÖÔÏCÑieänaùp SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM Toff (hieäu duïng ) - 42 - ton toff
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 Nhö vaäy, vôùi ñieàu kieän lyù töôûng thì ta coù khoaûng thôøi gian chuyeån maïch baèng khoâng vaø thöïc teá thì noù khaùc khoâng; ta goïi khoaûng thôøi gian caàn thieát ñeå chuyeån maïch laø t on vaø t off (kyù hieäu chöõ thöôøng ñeå khoâng laãn loän vôùi kyù hieäu cuûa thôøi gian ñònh thôøi thoâng vaø khoùa cuûa linh kieän). Tæ soá bieán ñoåi ñieän aùp thaáp nhaát cuõng seõ coù giôùi haïn khaùc khoâng. Neáu moät öùng duïng yeâu caàu ñeán möùc ñieän aùp ñaàu ra thaáp hôn, ngöôøi ta seõ giaûm taàn soá ñoùng caét cuûa chopper. Löu yù: vieäc giaûm taàn soá ñoùng caét cuûa chopper seõ laøm taêng ñoä nhaáp nhoâ cuûa doøng ñieän ngoõ ra, daãn ñeán vieäc laøm taêng caùc toån thaát vaø nhieät treân ñoäng cô DC. Giôùi haïn cöïc ñaïi cuûa tæ soá bieán ñoåi ñieän aùp: do toàn taïi cuûa thôøi gian chuyeån traïng thaùi trong caùc boä chopper thöïc teá neân tæ soá bieán ñoåi ñieän aùp cöïc ñaïi luoân beù hôn ñôn vò. Ñieàu naøy ñöôïc khaéc phuïc baèng vieäc duøng moät coâng taéc ñieän töø (boä chuyeån maïch cô khí) ñeå noái taét chopper. d. Caùc quan heä veà doøng ñieän: S S1 L 1 L + + V1 _ _ i i S2 R S2 R (a) Chopper ON (b) Chopper OFF Toff Ip Ton (c) Daïng soùng doøng ñieän Iv TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM Hình 2.25 Daïng - 43 soùng - doøng ñieän ôû traïng thaùi xaùc laäp
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 Moät chopper coù chu kyø laøm vieäc khoâng ñoåi vaø ñang hoaït ñoäng ôû traïng thaùi xaùc laäp. Daïng soùng doøng ñieän taûi nhö treân hình 2.25 (c). Caùc ñöôøng daãn doøng trong caùc khoaûng ñònh thôøi T on vaø T off ñöôïc trình baøy rieâng treân hình 2.25 (a) vaø 2.25 (b). Trong khoaûng ñònh thôøi T on , doøng ñieän taûi taêng leân töø bieân ñoä ñaùy ñöôïc kyù hieäu I v treân hình 2.25 ñeán bieân ñoä ñænh kyù hieäu I p. Trong khoaûng ñònh thôøi T off , doøng ñieän seõ giaûm töø I p xuoáng I v. Chuoãi naøy ñöôïc laëp laïi trong suoát caùc chu kyø lieân tieáp. Trong phaàn giaûi tích sau, ta seõ ruùt ra caùc bieåu thöùc cuûa I v vaø I p vaø cuõng nhö theo doõi quaù trình tieán tôùi xaùc laäp cuûa chopper baét ñaàu vôùi doøng ñieän baèng zero (I v(1) = 0). Iv Ip I Ip(1) p(n) Iv(n) Ip(2) Iv(2) t T on T off n+1 1 2 3 n Hình 2.26 Söï taêng leân cuûa doøng ñieän trong quaù trình ñoùng caét Hình 2.26 trình baøy quaù trình taêng leân cuûa doøng ñieän taûi trong suoát quaù trình ñoùng caét. Ta kyù hieäu caùc chu kyø laøm vieäc baèng 1, ,n nhö treân hình. Ta giaû söû raèng doøng ñieän taïi ñieåm baét ñaàu cuûa chu kyø thöù nhaát baèng zero. Ñeå toång quaùt, ta tính cho chu kyø thöù n. Doøng ñieän ban ñaàu taïi ñieåm ñaàu khoaûng ñònh thôøi T on thuoäc chu kyø thöù n ñöôïc kyù hieäu baèng I v(n) . Taïi cuoái thôøi ñieåm khoaûng ñònh thôøi T on , doøng ñieän ñaït ñeán bieân ñoä ñænh, ta kyù hieäu bieân ñoä ñoù baèng I p(n) . Ta giaû söû raèng goác thôøi gian laø taïi ñieåm baét ñaàu cuûa T on thuoäc chu kyø thöù nhaát. Phöông trình maéc löôùi trong suoát quaõng ñònh thôøi T on [hình 2.25 (a)] laø: di L + Ri = V dt 1 Taïi thôøi ñieåm t = 0 thì i = I v(n) . giaûi phöông trình vi phaân trong quaõng thôøi gian T on vôùi ñieàu kieän ñaàu ñaõ neâu ta ñöôïc: TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 44 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 -t/ τ V1 -t/ τ i = I v(n) × e + × (1-e ) (I.2.20) R Trong ñoù τ = L/R laø haèng soá thôøi gian cuûa maïch ngoõ ra. Taïi cuoái moãi chu kyø ON (t=T on ), i = I p(n) neân: V −Ton /τ 1 −Ton /τ Ip(n) = I v(n) × e + × (1- e ) (I.2.21) R Tieáp theo ta xeùt khoaûng ñònh thôøi T off (OFF) trong chu kyø thöù n. Ñeå ñôn giaûn, ta choïn laïi goác thôøi gian taïi ñieåm baét ñaàu cuûa khoaûng ñònh thôøi T off , phöông trình maéc löôùi trong suoát quaõng ñònh thôøi T off laø: di L + Ri = 0 dt Giaûi phöông trình vi phaân baäc nhaát trong khoaûng ñònh thôøi T off vôùi ñieàu kieän ñaàu i(t=0) = I p(n) , keát quaû laø: -t/ τ i = I p(n) × e (I.2.22) Taïi cuoái khoaûng ñònh thôøi T off (t = T off ), i = I v(n+1) , ñöôïc tính baèng: −Toff /τ Iv(n+1) = I p(n) × e (I.2.23) Thay giaù trò I p(n) töø (I.2.21) vaøo (I.2.3) coù: -T/ τ V1 −Toff /τ -T/ τ Iv(n+1) = I v(n) × e + × ( e - e ) (I.2.24) R Trong ñoù, T = T on + T off laø chu kyø tuaàn hoaøn cuûa chopper. Phöông trình (I.2.24) laø daïng truy hoài tính giaù trò doøng ñieän ñaùy theo caùc doøng ñaùy trong caùc chu kyø ñoùng caét lieân tuïc tröôùc ñoù, ta coù theå ñôn giaûn laïi laø: Iv(n+1) = A + BI v(n) (I.2.25) Vôùi: V / A = 1 × ( e −Toff τ - e -T/ τ ) (I.2.26) R B = e -T/ τ (I.2.27) Ñoái vôùi chu kyø ñaàu tieân (n=1), I v(n) = 0. Do ñoù ta coù theå lieät keâ moät baûng giaù trò Iv(n) nhö sau: Iv(2) = A Iv(3) = A(1 + B) 2 Iv(4) = A(1 + B + B ) . . . 2 n-1 Iv(n+1) = A(1 + B +B + . . . + B ) Thay bieåu thöùc toång cuûa moät chuoãi hình hoïc trong ngoaëc baèng bieåu thöùc ñôn giaûn cuûa noù, ta ñöôïc: n −Toff /τ −T /τ 1− B V1 e − e −nT /τ Iv(n+1) = A = × × 1( − e ) (I.2.28) 1− B R 1− e −T /τ TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 45 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 Khi n ñuû lôùn ñeå ta coù theå boû qua thöøa soá thöù ba (e -nT/ τ << 1), ta coi nhö maïch ñaït ñeán traïng thaùi xaùc laäp vaø giaù trò doøng ñaùy xaùc laäp baèng: −Toff /τ −T /τ V1 e − e Iv = × (I.2.29) R 1− e −T /τ Thay (I.2.29) vaøo (I.2.23) coù: −Ton /τ V1 1− e Ip = × (I.2.30) R 1− e −T /τ Löu yù raèng vieäc ruùt ra caùc giaù trò xaùc laäp I v vaø I p coù theå nhanh hôn neáu ta tieán haønh tính toaùn baét ñaàu töø giaû thieát traïng thaùi maïch ñaõ xaùc laäp. Caùch tính naøy khoâng cho ta thaáy ñöôïc söï taêng leân cuûa doøng ñieän. Ñoä nhaáp nhoâ doøng ñieän ñænh-ñænh: kyù hieäu baèng I pp , xaùc ñònh theo coâng thöùc: Ipp = I p – I v (I.2.31) Trong ñoù, caùc thaønh phaàn I v vaø I p tính theo caùc coâng thöùc (I.2.29) vaø (I.2.30). Thaønh phaàn DC cuûa doøng ñieän taûi: phaàn hình naèm beân phaûi cuûa hình 2.26 cho ta daïng soùng xaùc laäp cuûa chopper. Ta thaáy noù laø söï choàng chaäp cuûa moät thaønh phaàn DC vôùi moät ñoä nhaáp nhoâ AC. Vì ta chæ quan taâm ñeán thaønh phaàn DC cuûa doøng ñieän ñaàu ra, neân ñeå tính ñöôïc noù ta phaûi tính ra ñoä cao trung bình cuûa daïng soùng xaùc laäp ñoù. Thí duï ta coù theå tính ñöôïc dieän tích naèm phaàn beân döôùi daïng soùng trong moät chu kyø chopper baèng caùch tích phaân bieåu thöùc doøng ñieän cho bôûi coâng thöùc (I.2.20) vaø (I.2.22) trong caùc khoaûng lieân tuïc. Chia ñeàu phaàn dieän tích cho chu kyø cuûa chopper ruùt ra ñöôïc thaønh phaàn doøng ñieän DC kyù hieäu laø I d. Moät caùch ñôn giaûn hôn seõ duøng nguyeân lyù choàng chaäp, ta chia thaønh phaàn ñieän aùp DC ngoõ ra cho ñieän trôû taûi R. V2 DV 1 Id = = (I.2.32) R R Duøng bieåu thöùc (I.2.31) vaø (I.2.32) ta ruùt ra ñöôïc phaàn traêm cuûa thaønh phaàn doøng ñieän nhaáp nhoâ AC theo thaønh phaàn doøng ñieän DC ngoõ ra. Thí duï minh hoïa: Moät boä chopper coù caùc tham soá maïch : V 1 = 100V, L=10mH, R=5 Ω, taàn soá ñoùng caét f=1kHz, chu kyø laøm vieäc D=50%. Thaønh phaàn DC ñieän aùp ra: V2 = D ×V1 =50V Thaønh phaàn DC doøng ñaàu ra: Id = V 2/R = 10A Taàn soá tuaàn hoaøn chopper: T = 1/f =0,001s Khoaûng ñònh thôøi thoâng: -3 Ton = D ×T =0,5.10 s Khoaûng ñònh thôøi khoùa: -3 Toff = (1-D) ×T = 0,5.10 s TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 46 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 Thôøi haèng maïch taûi: τ = L/R =2.10 -3s Giaù trò doøng ñænh: −Ton /τ V1 1− e Ip = × =11,24A R 1− e −T /τ Giaù trò doøng ñaùy: −Toff /τ −T /τ V1 e − e Iv = × =8,75A R 1− e −T /τ Doøng ñieän nhaáp nhoâ ñænh-ñænh: Ipp = I p – I v =2,49A Phaàn traêm ñoä nhaáp nhoâ ñænh-ñænh: %I pp = 100 × I pp /I d =24,9% Baây giôø, caùc tham soá khoâng ñeà caäp ñeán seõ khoâng ñoåi, vaø ta taêng taàn soá ñoùng caét chopper leân gaáp boán laàn, f=4kHz, thì -4 -4 -4 T = 1/f =2,5.10 s; T on = 1,25.10 s; T off = 1,25.10 s Ip = 10,31A; I v = 9,69A Ipp =0,62A Id khoâng ñoåi (10A) %I pp = 6,2% Ta khoâng thay ñoåi taàn soá ñoùng caét maø thöïc hieän taêng caûm khaùng leân boán laàn, L=40mH, caùc tham soá khaùc khoâng thay ñoåi, thì thôøi haèng τ cuõng taêng boán laàn. Vì taàn soá ñoùng caét khoâng ñoåi (1kHz), giaù trò caùc tæ soá: T/ τ, T on /τ, T off /τ gioáng nhö trong tröôøng hôïp chæ taêng taàn soá ñoùng caét ôû treân. Vì chu kyø laøm vieäc khoâng ñoåi neân thaønh phaàn DC ñaàu ra chopper khoâng ñoåi. Do ñoù, caùc giaù trò I p, I v vaø doøng nhaáp nhoâ ñænh-ñænh I pp cuõng khoâng ñoåi (baèng tröôøng hôïp chæ thay ñoåi boán laàn taàn soá). Nhaän xeùt: giaûm nhaáp nhoâ doøng ñieän baèng caùch taêng taàn soá ñoùng caét chopper hay taêng caûm khaùng cuøng moät tæ leä seõ ñaït ñöôïc keát quaû töông ñöông nhau. Thöïc teá thì vieäc taêng taàn soá ñöôïc öa thích hôn vì phöông phaùp naøy cho pheùp duøng moät caûm khaùng beù hôn. Caûm khaùng thöôøng coù loõi saét, ñöôïc thieát keá mang doøng ñieän thuaàn DC maø khoâng bò baõo hoøa töø vì theá noù laø thieát bò naëng neà, coàng keành. e. Söï phuï thuoäc vaøo chu kyø laøm vieäc cuûa ñoä nhaáp nhoâ doøng ñieän: Thay ñoåi chu kyø laøm vieäc laø phöông phaùp thöïc teá ñöôïc duøng ñeå ñieàu chænh doøng ñieän trong moät taûi. Vì theá ngöôøi ta raát quan taâm ñeán vieäc tìm caùch laøm giaûm ñoä nhaáp nhoâ doøng ñieän döïa vaøo chu kyø laøm vieäc maø khoâng caàn quan taâm ñeán tham soá maïch taûi. Ñoä nhaáp nhoâ ñænh-ñænh cuûa doøng ñieän vieát laïi töø (I.2.31) nhö sau: V1 1 -T/ τ -DT/ τ -(1-D)T/ τ Ipp = × × [(1 + e ) – (e + e )] (I.2.33) R 1− e −T /τ TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 47 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 Trong phöông trình naøy, ñaïi löôïng thay ñoåi theo chu kyø laøm vieäc laø soá tröø trong thöøa soá thöù ba cuûa tích ba thöøa soá (e -DT/ τ + e -(1-D)T/ τ). Ñoä nhaáp nhoâ seõ lôùn nhaát khi ñaïi löôïng naøy cöïc tieåu. Laáy vi phaân ñaïi löôïng naøy theo D vaø cho baèng khoâng. Tính ra ñöôïc giaù trò cuûa D ñeå ñaïi löôïng (e -DT/ τ + e -(1-D)T/ τ) cöïc tieåu khi : D = 0,5 (I.2.34) Nhö vaäy, ñoä nhaáp nhoâ doøng ñieän seõ lôùn nhaát khi chu kyø laøm vieäc baèng 50%. Ñaây laø tröôøng hôïp toài teä nhaát vaø ta seõ duøng giaù trò naøy ñi tính giaù trò caûm khaùng san phaúng L ñeå giôùi haïn ñoä nhaáp nhoâ theo yeâu caàu. Giaù trò cöïc ñaïi cuûa ñoä nhaáp nhoâ doøng ñieän: thay D=0,5 vaøo (I.2.33): − 5.0 T /τ 2 V1 1( − e ) Ipp = × R 1− e −T /τ Duøng haèng ñaúng thöùc (a 2 – b 2)=(a-b) ×(a+b) cho ña thöùc döôùi maãu: − 5.0 T /τ V1 1− e Ipp = × (I.2.35) R 1+ e − 5.0 T /τ Thí duï minh hoïa: Duøng coâng thöùc vöøa tìm ñöôïc tính ñoä nhaáp nhoâ doøng cho ví duï minh hoïa cuûa baøi treân, thay caùc giaù trò thích hôïp vaøo (I.2.35) ñöôïc: −3 −3 100 1− e− 5,0 ×10 / 2×10 Ipp = × −3 −3 = 2,49A 5 1+ e − 5,0 ×10 / 2×10 Keát quaû naøy gioáng keát quaû treân. f. Choïn giaù trò caûm khaùng maïch taûi, taàn soá ñoùng caét cuûa chopper ñeå giôùi haïn ñoä nhaáp nhoâ doøng ñieän ñænh-ñænh trong khoaûng cho pheùp: Töø (I.2.35) coù: 1− a e-0,5T/ τ = (I.2.36) 1+ a Vôùi: I R a = pp (I.2.37) V1 Laáy logarit töï nhieân (I.2.36), coù: T 1+ a = 2ln τ 1− a Chu kyø T=1/f, f laø taàn soá ñoùng caét cuûa chopper, vaø τ = L/R laø thôøi haèng maïch taûi. Theá caùc ñaïi löôïng naøy vaøo phöông trình treân, ta ñöôïc: R fL = (I.2.38) 2ln[( 1+ a) /(1− a)] Moät öùng duïng thöïc teá quan troïng cuûa coâng thöùc (I.2.38) laø giöõ ñoä nhaáp nhoâ doøng ñieän thaáp hôn moät giôùi haïn cho pheùp, baèng caùch taêng caûm khaùng L hoaëc taêng taàn soá TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 48 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 chopper. Ñaây laø lyù do boä bieán ñoåi chopper ñöôïc thieát keá ñeå laøm vieäc vôùi taàn soá cao giaûm thieåu nhu caàu duøng caùc caûm khaùng loïc. Thí duï minh hoïa: vaãn aùp duïng cho thí duï minh hoïa ôû treân, ngöôøi ta mong muoán giôùi haïn ñoä nhaáp nhoâ cuûa doøng ñieän treân khoaûng chu kyø laøm vieäc ñeán 0,2A. Thay caùc giaù trò baèng soá vaøo (I.2.37) vaø (I.2.38), coù a = 0,01 vaø fL = 125. Vì tham soá maïch taûi coù L =0,01Henry neân taàn soá doøng ñieän thaáp nhaát boä chopper caàn coù ñeå duy trì ñoä nhaáp nhoâ doøng ôû giôùi haïn I pp = 0,2A laø f=125/0,01 = 12,5kHz. Neáu khaû naêng cuûa chopper chæ hoaït ñoäng vôùi taàn soá cao nhaát ñeán 5kHz, thì ñeå thoûa maõn yeâu caàu treân, giaù trò cuûa caûm khaùng loïc phaûi choïn baèng: L = (fL)/f max = 125/5 = 25 mH. g. Hoaït ñoäng cuûa boä chopper khi maïch taûi coù moät söùc ñieän ñoäng ngöôïc: Ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô DC laø moät öùng duïng raát quan troïng cuûa caùc boä chopper. Trong caùc daïng öùng duïng naøy vaø caùc öùng duïng duøng ñieàu khieån chopper khaùc, coù theå coù moät nguoàn ñieän aùp ngöôïc naèm treân maïch taûi coâng suaát cuûa boä bieán ñoåi chopper. Khi moät boä chopper ñöôïc duøng ñeå ñieàu khieån toác ñoä cuûa moät ñoäng cô DC, ñoäng cô coù moät söùc ñieän ñoäng ngöôïc, loaïi ñieän aùp caûm öùng trong maïch ñoäng cô do coù toác ñoä quay. Chopper phaûi ñieàu khieån doøng ñieän taûi chaûy ngöôïc vaøo so vôùi nguoàn söùc ñieän ñoäng caûm öùng cuûa ñoäng cô. Trong moät öùng duïng duøng ñeå naïp bin, chopper phaûi ñieàu khieån doøng ñieän naïp theo chieàu ngöôïc laïi söùc ñieän ñoäng boä nguoàn bin. Hình 2.27 trình baøy moät taûi coù moät söùc ñieän ñoäng ngöôïc ñöôïc truyeàn ñoäng töø boä chopper. Ta coù theå phaân tích toång quaùt hoaït ñoäng vôùi loaïi taûi naøy vaø ruùt ra caùc quan heä ñieän aùp, doøng ñieän nhö ñoái vôùi moät taûi R-L, caùc quan heä naùy seõ aùp duïng ñöôïc cho tröôøng hôïp treân neáu cho E=0. S1 L S1 L L ∩∩∩∩∩∩ ∩∩∩ ∩∩∩∩∩∩ ∩∩∩ ∩∩∩∩∩∩ ∩∩∩ V + + 1 i V1 i i >>> >>> >>> R R R > > S > S2 2 + + + E E E (a) Chopper ñieàu khieån moät taûi coù (b) maïch trong khoaûng T on (c) maïch trong khoaûng T off nguoàn söùc ñieän ñoäng ngöôïc Hình 2.27 Taûi coù nguoàn söùc ñieän ñoäng caûm öùng TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 49 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 ÔÛ ñaây ta seõ phaân tích ôû ñieàu kieän xaùc laäp. Daïng soùng doøng ñieän gioáng nhö treân hình 2.25 (c); ta coù caùc trò ñænh trong caùc chu kyø tuaàn hoaøn vaãn laø I p vaø trò ñaùy laø I v. Trong suoát quaõng ñònh thôøi thoâng (T on ), caáu hình maïch nhö treân hình 2.27 (b); phöông trình maéc löôùi seõ laø: di V = L + Ri + E (I.2.39) 1 dt Ñieàu kieän ñaàu laø i = I p luùc t = 0, choïn goác thôøi gian taïi thôøi ñieåm baét ñaàu T on . Trong suoát khoaûng ñònh thôøi T off , ta seõ choïn laïi goác thôøi gian laø luùc baét ñaàu T off , caáu hình maïch trình baøy treân hình 2.27 (c); phöông trình maéc löôùi töông öùng laø: di 0 = L + Ri + E (I.2.40) dt Ñieàu kieän ñaàu seõ laø i = I p luùc t = 0. Giaûi heä phöông trình vi phaân (I.2.39) vaø (I.2.40), caùch giaûi töông töï muïc d) trang 42, ta ñöôïc keát quaû sau: −Ton /τ E V1 1− e Ip = − + × (I.2.41) R R 1− e −T /τ −Toff /τ −T /τ E V1 e − e Iv = − + × (I.2.42) R R 1− e −T /τ Vôùi τ = L/R laø thôøi haèng maïch taûi. Löu yù raèng hai bieåu thöùc naøy coù theå ruùt ra ñöôïc töø caùc bieåu thöùc ñoái vôùi traïng thaùi xaùc laäp I p vaø I v ñöôïc ruùt ra töø tröôùc ñoái vôùi boä chopper hoaït ñoäng vôùi taûi R-L (khoâng coù nguoàn söùc ñieän ñoäng ngöôïc) baèng caùc coäng theâm thaønh phaàn doøng aâm –E/R. Ñoä nhaáp nhoâ ñænh-ñænh cuûa doøng ñieän ra cho bôûi: Ipp = I p – I v Bieåu thöùc naøy cuõng gioáng tröôøng hôïp cuûa taûi R-L. Thí duï minh hoaï: Moät xe hôi söû duïng moät ñoäng cô DC ñöôïc caáp nguoàn töø moät nguoàn 200V coù taàn soá hoaït ñoäng coá ñònh 2kHz. Ñieän trôû cuûa ñoäng cô laø 0,04 Ω vaø caûm khaùng toång maïch taûi laø 0,1mH. ÔÛ toác ñoä 40daëm/giôø (64,36km/h), ñoäng cô taïo ra moät söùc ñieän ñoäng caûm öùng 60V. Chu kyø laøm vieäc D laø 33,2%. Thôøi haèng maïch taûi: τ = L/R =0,1.10 -3/0,04=2,5.10 -3s Chu kyø chopper: T = 1/f = 5.10 -4s Khoaûng ñònh thôøi thoâng: -4 Ton = D ×T = 1,66.10 s Khoaûng ñònh thôøi khoùa: -4 Toff = (1-D) ×T = 3,34.10 s V1 = 200V vaø E = 60V TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 50 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 Doøng ñieän ñænh: −Ton /τ E V1 1− e Ip = − + × = 272A R R 1− e −T /τ Doøng ñieän ñaùy: −Toff /τ −T /τ E V1 e − e Iv = − + × = 50,4A R R 1− e −T /τ Ñoä nhaáp nhoâ ñænh-ñænh: Ipp = I p – I v = 221,6A Thaønh phaàn DC ñieän aùp ngoõ ra: V2 = D ×V1 = 0,332 ×200 = 66,4V Thaønh phaàn DC doøng ñieän ngoõ ra: I2 = (V 2 - E)/R = 160A Caùc cheá ñoä doøng ñieän lieân tuïc vaø khoâng lieân tuïc: Thí duï treân cho thaáy trong tröôøng hôïp naøy ñoä nhaáp nhoâ doøng ñieän ñænh-ñænh coù moät giaù trò raát lôùn so vôùi thaønh phaàn doøng DC. Ñeå laøm giaûm ñoä nhaáp nhoâ, ta choïn hoaëc laø moät taàn soá chopper cao hôn hoaëc laø taêng giaù trò caûm khaùng hoaëc caû hai. Neáu giaûm caûm khaùng, doøng ñieän ñaùy seõ giaûm theo vaø cuoái cuøng baèng zero; laøm giaûm tieáp L seõ laøm cho doøng ñieän caøng mau giaûm xuoáng zero hôn thaäm chí coøn tröôùc khi khoaûng ñònh thôøi T off hoaøn taát. Ta coù theå kieåm chöùng neáu tính toaùn laïi thí duï treân vôùi giaù trò caûm khaùng luùc naøy baèng 0,06mH vaø caùc tham soá khaùc coi nhö khoâng ñoåi. Thay giaù trò môùi cuûa L vaøo bieåu thöùc doøng ñieän ñænh vaø doøng ñaùy, tính ñöôïc: Ip = 347,9A ; I v = -21A Ip Hình 2.28 Cheá ñoä khoân g lieân Ton Toff tuïc cuûa doøng ñieän taûi Doøng ñieän ñaùy mang giaù trò aâm, ñieàu naøy thöïc ra khoâng toàn taïi do söï hieän dieän cuûa diode S 2 cung caáp moät ñöôøng daãn lieân tuïc khi doøng ñieän maïch taûi chaûy ngöôïc. Diode coù seõ khoùa taïi thôøi ñieåm doøng trôû veà laïi giaù trò khoâng vaø coù khuynh höôùng ñaûo ngöôïc. Vì vaäy, phöông trình maéc löôùi cho ta giaù trò doøng I v khoâng cho ta giaù trò ñuùng. Do ñoù, sau khi doøng ñieän giaûm xuoáng khoâng, noù duy trì giaù trò ôû phaàn coøn laïi cuûa khoaûng ñònh thôøi khoùa T off . Doøng ñieän laïi tieáp tuïc taêng leân töø giaù trò ban ñaàu zero trong khoaûng ñònh thôøi thoâng T on tieáp theo vaø cho caû caùc chu kyø khaùc. Daïng soùng doøng ñieän taûi coù daïng nhö treân hình 2.28. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 51 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 Ta thaáy raèng doøng ñieän chaûy trong maïch ôû daïng xung vaø khoâng lieân tuïc. Ta noùi raèng chopper hoaït ñoäng trong cheá ñoä doøng taûi khoâng lieân tuïc. Cheá ñoä hoaït ñoäng naøy laø ngoaøi yù muoán, ñaëc bieät laø trong ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô DC. Ngöôøi ta noùi chung coù theå traùnh ñöôïc cheá ñoä hoaït ñoäng naøy baèng caùch choïn löïa taàn soá chopper thích hôïp hoaëc thôøi haèng maïch taûi hoaëc caû hai. Ñieàu kieän xuaát hieän cuûa cheá ñoä doøng taûi khoâng lieân tuïc coù theå tìm ñöôïc baèng caùch cho I v = 0 : / E e −Toff τ − e −T /τ = −T /τ (I.2.43) V1 1− e Nhö vaäy muoán bieát ñöôïc coù xuaát hieän cheá ñoä doøng lieân tuïc khoâng, ta phaûi tính ñeán caùc thoâng soá sau: Tæ soá ñieän aùp E/V 1 Tæ soá chu kyø tuaàn hoaøn chopper so vôùi thôøi haèng caûm khaùng τ =L/R cuûa maïch taûi. Nhöõng tham soá naøy xaùc ñònh chu kyø laøm vieäc trong ñoù hoaït ñoäng cuûa chopper coù ôû cheá ñoä doøng taûi khoâng lieân tuïc khoâng. Thí duï minh hoïa: Moät chopper ñieàu khieån moät ñoäng cô DC laøm vieäc coù nguoàn caáp 200V, taàn soá chopper 2kHz,ñieän trôû maïch ñoäng cô 0,2 Ω vaø caûm khaùng 0,2mH. Khi chaïy ôû moät toác ñoä ñaõ cho coù söùc ñieän ñoäng ngöôïc 150V. Xaùc ñònh giôùi haïn döôùi cuûa chu kyø laøm vieäc Dmin ( döôùi giaù trò naøy thì ñoäng cô seõ laøm vieäc ôû cheá ñoä doøng taûi khoâng lieân tuïc). Quaù trình tính nhö sau: Thôøi haèng maïch taûi: τ = L/R =0,2.10 -3/0,2 =1ms Chu kyø tuaàn hoaøn: T = 1/f = 0,5ms Tham soá tính toaùn thöù nhaát: E/V 1 = 150/200 = 0,75 Thay nhöõng giaù trò naøy vaøo ñieàu kieän baét ñaàu cuûa cheá ñoä doøng khoâng lieân tuïc cho bôûi (I.2.43), xaùc ñònh ñöôïc tham soá caàn tính toaùn thöù hai: Toff /τ = 0,10355 Khoaûng ñònh thôøi khoùa T off = 0,10355ms Khoaûng ñònh thôøi thoâng T on = T – T off = 0,3965ms Chu kyø laøm vieäc giôùi haïn baèng Dmin = T on /T = 0,3965/0,5 = 79,3%. Söï hoaït ñoäng cuûa boä chopper khi laøm vieäc vôùi caûm khaùng san phaúng voâ haïn: caùch traùnh cheá ñoä doøng khoâng lieân tuïc ôû treân chæ coù yù nghóa vôùi boä chopper thöïc teá, trong khaûo saùt lyù thuyeát, ta seõ coi nhö loïc phaúng laø tuyeät ñoái. Daïng soùng cuûa doøng ñieän tröôøng hôïp naøy nhö treân hình 2.29. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 52 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 i1 i L ∞∞∞ 1 ∩∩∩∩∩∩ ∩∩∩ 0 (b) Daïng soùng doøng ñieän vaøo i 1 + V1 i2 >>> >> R <<< iF E + 0 iF (c) Daïng soùng doøng töï haønh i F (a) Chopper ñieàu khieån moät taûi coù i2 nguoàn söùc ñieän ñoäng ngöôïc 0 (d) Daïng soùng doøng ñieän taûi i 2 Hình 2.29 Caùc daïng soùng doøng ñieän vôùi caûm khaùng san phaúng voâ haïn h. Caùc boä loïc ngoõ vaøo: Vieäc khaûo saùt caùc daïng soùng doøng ñieän treân hình 2.29 cho thaáy, cho duø daïng soùng doøng ñieän taûi laø thuaàn DC trong tröôøng hôïp loïc ngoõ ra ñaït ñeán ñoä lyù töôûng, daïng soùng doøng ñieän tröôùc chopper ôû phaàn ngoõ vaøo cuûa noù coù theå khoâng ñaït. Ta löu yù raèng doøng ñieän ngoõ vaøo seõ chaûy töø nguoàn DC thöïc teá laø moät chuoãi caùc xung. Moät nguoàn ñieän nhö vaäy khoâng ñaùp öùng ñöôïc yeâu caàu moät nguoàn DC, nhö laø moät boä bin hoaëc thanh goùp cung caáp nguoàn coâng suaát DC. Caùc baát lôïi chính cuûa doøng ñieän daïng xung nhö theá bao goàm: Nguoàn phaûi ñieàu khieån moät doøng ñieän ñænh khaù lôùn. Toån thaát coâng suaát taêng treân caùc ñöôøng daãn mang tính ñieän trôû do doøng ñieän hieäu duïng coù giaù trò cao hôn. Nhieãu ñieän töø do caùc thaønh phaàn cao taàn trong doøng ñieän vaø caùc ñænh nhoïn leân xuoáng cuûa caùc xung doøng ñieän. Vì vaäy ngöôøi ta mong muoán coù moät boä loïc ôû ngoõ vaøo chopper vôùi muïc ñích giöõ cho ñoä nhaáp nhoâ doøng ñieän trong nguoàn DC ôû phaïm vi chaáp nhaän ñöôïc. Hình 2.30_ trình baøy moät boä loïc phaàn ñaàu vaøo cuûa moät boä chopper. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 53 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 Boä loïc ñaàu vaøo i1 ∩∩∩∩∩∩ ∩∩∩ L1 S1 i C L2 ∞∞∞ + ∩∩∩∩∩∩ ∩∩∩ V1 C1 i2 >> R >> DF E + Hình 2.30 Chop per coù boä loïc ngoõ vaøo Ñoái vôùi boä chopper naøy, ta giaû söû raèng caûm khaùng san phaúng ôû phía taûi tieán tôùi voâ haïn. Ta kyù hieäu söùc ñieän ñoäng ngöôïc ôû phía taûi laø E. Noù baèng zero ñoái vôùi loaïi taûi khoâng coù söùc ñieän ñoäng ngöôïc. Boä loïc ñaàu vaøo cuûa chopper ñöôïc trình baøy trong phaàn khung coù neùt ñöùt vaø goàm coù moät caûm khaùng L1 vaø moät dung khaùng kyù hieäu C 1. Ta giaû söû raèng doøng ñieän taûi ñöôïc kyù hieäu baèng i 2 treân hình coù theå boû qua thaønh phaàn nhaáp nhoâ. Khi chopper chuyeån S 1 sang traïng thaùi ON, doøng ñieän naøy laø toång cuûa doøng ñieän dung i C vaø doøng ñieän nguoàn DC i 1. Thaønh phaàn doøng ñieän i 1 baèng doøng ñieän chaûy qua caûm khaùng L 1. Doøng ñieän dung seõ coù höôùng nhö treân hình veõ, vaø vì vaäy tuï ñieän seõ maát moät ít ñieän tích trong suoát khoaûng ñònh thôøi môû cuûa chopper, vôùi moät suït aùp töông öùng ñaët leân chopper. Ñoä suït aùp naøy seõ beù neáu tuï ñieän coù moät giaù trò ñuû lôùn. Trong suoát traïng thaùi khoùa (OFF) cuûa S 1, doøng ñieän chaûy trong ñieän khaùng seõ lieân tuïc, nhöng doøng ñieän luùc naøy seõ laø doøng ñieän naïp cuûa tuï ñieän. Vì vaäy, caàn löu yù raèng tuï ñieän seõ naïp ñieän trong suoát khoaûng ñònh thôøi T off vaø phoùng ñieän trong khoaûng ñònh thôøi T on cuûa chopper. Vì vaäy, doøng ñieän qua tuï ñieän seõ laø doøng ñieän xoay chieàu trong quaù trình laøm vieäc xaùc laäp cuûa chopper. Daãn ñeán coù moät ñoä nhaáp nhoâ AC töông öùng ñöôïc choàng chaäp trong ñieän aùp cuûa tuï ñieän (ñieän aùp tuï ñieän cuõng laø ñieän aùp ñaët vaøo boä chopper). Caùc phaùt bieåu treân ñuùng cho chopper khi laøm vieäc ôû traïng thaùi xaùc laäp. Tröôùc khi baét ñaàu hoaït ñoäng chuyeån maïch cuûa chopper, caàn coù moät khoaûng thôøi gian thích hôïp ñeå tuï ñieän naïp ñieän ñaày ñeán giaù trò ñieän aùp nguoàn DC V1. Neáu ta boû qua ñieän trôû trong cuûa cuoän daây L 1, ñieän aùp tuï ñieän seõ coù cuøng moät giaù trò DC trong quaù trình laøm vieäc xaùc laäp cuûa chopper. Hieån nhieân töø thöïc teá seõ khoâng coù moät ñieän aùp xaùc laäp DC treân moät caûm khaùng lyù töôûng. Ñoä nhaáp nhoâ cuûa ñieän aùp treân tuï ñieän coù theå ñöôïc giöõ trong giôùi haïn chaáp nhaän ñöôïc thoâng qua vieäc choïn moät ñieän dung ñuû lôùn C 1. Moät ñieàu may maén ôû ñaây laø tính kính teá cuûa vieäc söû duïng moät tuï ñieän coù giaù trò lôùn, vì ta coù theå duøng ñeán caùc TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 54 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 tuï ñieän loaïi ñieän phaân ñöôïc phaân cöïc töï nhieân coù theå chaáp nhaän ñöôïc treân caùc maïch DC. Caùc loaïi tuï ñieän nhö theá laø coù saün vôùi caùc kích thöôùc giôùi haïn vaø cho caùc giaù trò ñieän dung lôùn. Baèng vieäc duøng moät giaù trò ñieän dung ñuû lôùn, ngöôøi ta deã daøng giöõ ñoä nhaáp nhoâ ñieän aùp DC ñaàu vaøo chopper trong giôùi haïn chaáp nhaän ñöôïc. Thí duï minh hoïa: Boä chopper treân hình 2.30 laøm vieäc ôû taàn soá 1kHz vaø moät chu kyø laøm vieäc 60%. Ñieän aùp nguoàn DC cung caáp 250V. Doøng ñieän taûi ñaàu ra 20A vaø ñöôïc xem nhö phaúng (vì coi L 2 -> ∞). Caûm khaùng loïc ñaàu vaøo L 1 ñöôïc giaû söû laø ñuû lôùn ñeå loïc boû thaønh phaàn nhaáp nhoâ doøng ñieän nguoàn i 1. Xaùc ñònh giaù trò cuûa tuï ñieän C 1 ñeå giöõ möùc nhaáp nhoâ ñænh-ñænh cuûa ñieän aùp phía ñaàu vaøo cuûa chopper trong khoaûng 4% ñieän aùp nguoàn DC. Coi caùc phaàn töû maïch khaùc laø lyù töôûng. Quaù trình tính nhö sau: Ñieän aùp DC ñaàu ra: V2 = D ×V1 = 0,6 ×250 = 150V Coâng suaát ñaàu ra: P2 = V 2×I2 = 150 ×20 =3000W Do khoâng toån thaát ( ∆P=0): P1 = P 2 =3000W Doøng ñieän nguoàn: I1 = P 1/V 1 =3000/250=12A Trong suoát khoaûng ñònh thôøi OFF, I 1 laø doøng ñieän naïp tuï. -3 -3 Toång ñieän tích naïp tuï ñieän C 1 : Q = I 1×Toff = 12 ×(1-0,6) ×10 = 4,8.10 C -3 Ñoä taêng ñieän aùp treân tuï: 4,8.10 /C 1 Trong suoát quaõng ñònh thôøi ON, tuï ñieän phoùng ñieän. Doøng ñieän tuï ñieän: IC = I 2 – I 1 =20 – 12 =8A Löôïng ñieän tích luùc phoùng ra baèng luùc naïp vaøo, neân ñoä giaûm aùp V xuaát hieän trong khoaûng ñònh thôøi ON coù bieân ñoä baèng ñoä taêng aùp trong khoaûng ñònh thôøi OFF. Ñieän aùp nhaáp nhoâ treân tuï: [4%] ×250 =10V Khoaûng ñieän aùp nhaáp nhoâ ñænh-ñænh naøy töông öùng tyû leä vôùi löôïng ñieän tích phoùng naïp treân tuï loïc (Q = C × U). Giaù trò C 1 tính nhö sau: -3 4,8.10 /C 1 = 10 ⇒ C 1 = 480 µF. Nhaän xeùt: giaù trò caûm khaùng loïc tính ôû treân laø giaù trò xaáp xæ vì caùc phaàn töû maïch ñöôïc giaû thieát laø lyù töôûng vaø coi nhö khoâng coù nhaáp nhoâ doøng ñieän phía taûi vaø nguoàn. Caùc giaû thieát naøy chæ giuùp tính toaùn cuûa ta mau hôn. Moät giaù trò caøng lôùn cuûa C 1 seõ laøm ñoä nhaáp nhoâ ñieän aùp thaáp hôn. Löu yù raèng ñieän aùp nhaáp nhoâ treân tuï ñieän cuõng laø ñieän aùp nhaáp nhoâ treân caûm khaùng loïc L 1 vì moät ñaàu cuûa cuoän caûm ñöôïc noái vaøo moät nguoàn aùp DC (ñöôïc xem laø coá ñònh, khoâng nhaáp nhoâ). Do ñoù, vieäc söû duïng moät tuï ñieän caøng lôùn seõ töông öùng laøm giaûm doøng ñieän nhaáp nhoâ ñaàu vaøo (tính toaùn treân ta giaû thieát khoâng toàn taïi nhaáp nhoâ cuûa doøng ñieän). i. Boä chopper lí töôûng coù caùc boä loïc caû hai ngoõ vaøo-ra: TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 55 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 Maïch chopper treân hình 2.31 coù haèng soá thôøi gian maïch taûi ñöôïc xem laø raát lôùn, vì vaäy doøng ñieän taûi ñöôïc xem laø khoâng nhaáp nhoâ. Caûm khaùng loïc L 1 vaø ñieän dung loïc C 1 treân ngoõ ñaàu vaøo ñöôïc coi laø raát lôùn, vì vaäy doøng ñieän nhaáp nhoâ cuûa nguoàn ñaàu vaøo vaø ñieän aùp nhaáp nhoâ cuûa chopper ngoõ vaøo ñöôïc boû qua. L1 ∩∩∩∩∩∩ ∩∩∩ IS1 I1 + S1 VS1 L1 + A ••• ∩∩∩∩∩∩ ∩∩∩ V1 C1 I2 V2 Taûi VS2 S2 + IS2 Hình 2.31 Chopper coù boä loïc lyù töôûng caùc ngoõ vaøo -ra Vôùi caùc giaû thieát naøy, chopper seõ laøm vieäc nhö moät maùy bieán aùp giaûm aùp lyù töôûng cho ñieän DC gioáng nhö moät maùy bieán aùp giaûm aùp lyù töôûng ñieän AC. Caùc quan heä töông öùng giöõa caùc ñaïi löôïng phaàn sô vaø thöù caáp nhö sau: Tæ soá bieán aùp V2/V 1 = D Tæ soá bieán doøng I2/I 1 = 1/D Coâng suaát ñaàu vaøo = V 1I1 = coâng suaát ñaàu ra = V 2I2 Tæ soá bieán aùp cuûa maùy bieán ñieän aùp DC cuûa chuùng ta coù theå thay ñoåi trong phaïm vi töø khoâng ñeán moät nhôø moät phöông phaùp ñôn giaûn : thay ñoåi chu kyø laøm vieäc D cuûa chopper ( moâ hình maïch thi coâng cuûa ta seõ laøm vieäc theo phöông phaùp naøy ). Caùc doøng ñieän vaø ñieän aùp maø ta quan taâm ñöôïc kyù hieäu baèng caùc kyù hieäu thích hôïp treân hình 2.31 vaø daïng soùng cuûa chuùng ñöôïc trình baøy treân hình 2.32. Caùc daïng soùng naøy goàm caùc doøng ñieän chaûy qua caùc linh kieän chuyeån maïch (van coù ñieàu khieån S1 vaø van khoâng ñieàu khieån S 2) vaø caùc ñieän aùp treân chuùng. Caùc daïng soùng doøng ñieän vaø ñieän aùp cuûa caùc linh kieän chuyeån maïch caàn thieát ñeå tính toaùn caùc ñònh möùc thöïc cho linh kieän seõ ñöôïc choïn cho maïch chopper. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 56 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 V1 0 I1 0 VAB 0 Vtaûi 0 IS1 I 0 2 IS2 I 0 2 I2 0 0 V2=V Diode -V1 Hình 2.32 +V 1 Caùc daïng soùng cuûa chopper giaûm aùp coù boä VS1 0 loïc lyù töôûng ôû caùc ngoõ vaøo -ra Löu yù raèng caùc daïng soùng treân hình gaén vôùi caùc giaû thieát lyù töôûng. Thoâng thöôøng khi choïn linh kieän baùn daãn neân choïn moät ñònh möùc ñieän aùp vaø ñònh möùc doøng ñieän töông ñoái lôùn hôn tính toaùn, nhö vaäy heä soá an toaøn seõ cao leân. Heä soá an toaøn veà ñieän aùp cao ñeå choáng caùc gai quaù aùp xuaát hieän trong quaù trình quaù ñoä cuûa chuyeån maïch. Töông töï heä soá an toaøn cho doøng ñieän ñeå choáng quaù doøng gaây bôûi caùc traïng thaùi baát thöôøng, quaù taûi, v.v . Caùc ñònh möùc doøng ñieän phuï thuoäc caùch giaûi nhieät cho linh kieän, ñoù laø loaïi boàn nhieät duøng keøm theo noù. Thí duï minh hoïa: Moät chopper lyù töôûng hình 2.31 coù V 1 = 100V, V 2 = 60V, I 2 = 10A. Ta tính toaùn caùc thoâng soá coù lieân quan ñeán maïch nhö sau: Chu kyø laøm vieäc: D = V 2/V 1 = 60/100 = 0,6 Doøng ñieän ñaàu vaøo: I1 = D ×I2 = 0,6 ×10 = 6A Giaù trò trung bình cuûa I S1 laø I2 × T on /T = 10 ×0,6 =6A 2 Giaù trò trung bình cuûa I S1 laø 2 2 I2 × T on /T = D ×I2 ⇒ trò hieäu duïng cuûa doøng I S1 laø TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 57 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 2 D × I 2 = D × I 2 = 6,0 ×10 = 7,7A Giaù trò trung bình cuûa I S2 laø I2 × T off /T = 10 ×(1-0,6) =4A 2 Giaù trò trung bình cuûa I S2 laø 2 2 I2 × T off /T = I 2 × (1-D) ⇒ trò hieäu duïng cuûa doøng I S2 laø 1− D × I 2 = 1− 6,0 ×10 = 6,3A Ñieän aùp thuaän trò ñænh traïng thaùi xaùc laäp cuûa van S 1 laø V 1 = 100V vaø ñieän aùp ñænh ngöôïc xaùc laäp laø 0V. Ñieän aùp thuaän trò ñænh traïng thaùi xaùc laäp cuûa van S 2 laø 0V vaø ñieän aùp ngöôïc trò ñænh xaùc laäp cuûa van S 2 laø V 1 = 100V. Daïng soùng doøng ñieän vaøo tuï loïc C 1 : I1 I ∩∩∩∩∩∩ ∩∩∩ ∩∩∩ S1 IC IC 6A 4A Ton Toff (a) (b) Hình 2.33 Daïng soùng doøng ñieän tuï ñieän C 1 Doøng ñieän vaøo tuï ñieän I C baèng hieäu giöõa doøng ñieän nguoàn moät chieàu DC I 1 vaø doøng ñieän chuyeån maïch chopper I S1 [xem hình 2.33 (a)]. Trong khoaûng ñònh thôøi T on , I 1 = 6A vaø I S1 = I 2 = 10A ⇒ I C = -4A; Trong khoaûng ñònh thôøi T off , I 1 = 6A vaø I S1 = 0A ⇒ I C = 6A. Nhaän xeùt: doøng ñieän vaøo tuï ñieän laø moät thaønh phaàn AC ôû traïng thaùi xaùc laäp. 4. Chopper taêng aùp : a. Caáu hình maïch taûi: Caáu hình maïch chopper taêng aùp bieåu dieãn treân hình 2.34. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 58 -
PHAÀN I - CHÖÔNG 2 X ∩∩∩∩∩∩ ∩∩∩ ∩∩∩ ••• L1 S1 L2 R2 + Y ∩∩∩∩∩∩ ∩∩∩ ∩∩∩ ∧∧∧∨∨∨ ∧∧∧ ∨∨∨ V1 C1 i2 V S2 + S Z Hình 2.34 Chopper taêng aùp coù boä loïc Söï khaùc nhau cuûa hai caáu hình taêng aùp vaø giaûm aùp laø trong chopper taêng aùp, caùc vò trí cuûa diode coâng suaát vaø linh kieän chuyeån maïch coù ñieàu khieån ñöôïc hoaùn vò cho nhau. Caùch goïi teân cho caùc linh kieän luùc naøy nhö treân hình 2.34. Ñeå ñieàu khieån moät chopper taêng aùp, van coù ñieàu khieån kyù hieäu S 2 laàn löôït thoâng vaø khoùa ôû taàn soá chopper ñöôïc choïn theo kieåu nhö cuûa boä giaûm aùp. Tæ soá taêng aùp ñöôïc xaùc ñònh bôûi chu kyø chuyeån maïch. Treân hình 2.34, coâng suaát ñaàu vaøo ñöôïc cung caáp töø nguoàn ñieän aùp DC kyù hieäu V S, naèm phaàn hình beân phaûi, vaø cung caáp coâng suaát cho taûi; taûi ôû ñaây laø moät nguoàn ñieän aùp cao hôn V 1 naèm ôû phaàn hình beân traùi. Chopper duøng ñeå taêng aùp caáp nguoàn sang aùp ngoõ ra. Treân hình cuõng coù moät maïch loïc gioáng vôùi maïch loïc ñaõ ñöôïc trình baøy naèm ôû phaàn cuûa chopper giaûm aùp phaàn treân. Maïch loïc naøy goàm coù caùc phaàn töû C 1 vaø L 1 cuõng ñöôïc duøng ôû phaàn cao aùp. Nhöng chæ khaùc ôû ñaây laø phaàn cao aùp laïi trôû thaønh taûi. Doøng ñieän qua maïch loïc naøy chaûy vaøo taûi seõ laøm giaûm ñöôïc ñoä nhaáp nhoâ. Ta cuõng giaû thieát raèng caùc phaàn töû cuûa boä loïc naøy coù giaù trò ñuû lôùn ñeå loïc boû thaønh phaàn nhaáp nhoâ cuûa doøng taûi. Phaàn hình beân phaûi cuõng coøn moät caûm khaùng kyù hieäu baèng L 2, muïc ñích cuûa noù laøm cuoän san phaúng ñaët ôû phaàn aùp thaáp gioáng chopper giaûm aùp coù caûm khaùng san phaúng ôû ñaàu ra cuõng ñaët ôû phaàn aùp thaáp ñeå laøm baèng ñoä nhaáp nhoâ doøng. Noù laø moät yeâu caàu thieát yeáu cho hoaït ñoäng cuûa boä chopper taêng aùp. Trong cheá ñoä taêng aùp, cuoän L 2 hoaït ñoäng nhö moät hoà chöùa naêng löôïng taïm thôøi, laáy naêng löôïng töø nguoàn DC trong khoaûng ñònh thôøi T on vaø truyeàn laïi naêng löôïng ñoù cho nguoàn coù ñieän aùp cao hôn trong khoaûng ñònh thôøi T off . Noù duøng ñeå san phaúng ñoä nhaáp nhoâ cuûa doøng ñieän ôû phaàn ñieän aùp thaáp (phaàn aùp thaáp trong tröôøng hôïp taêng aùp laø ngoõ vaøo boä chopper). Duøng moät giaù trò L 2 ñuû lôùn thì doøng ñieän nguoàn ñaàu vaøo seõ khoâng bò nhaáp nhoâ. Phaàn ñieän trôû cuûa L 2, cuûa nguoàn, cuûa daây daãn coäng chung laïi, ta kyù hieäu baèng R 2. TAØI LIEÄU ÑÖÔÏC SHARE TREÂN WEBSITE KYSUBACHKHOA.COM - 59 -