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

BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA TP. HOÀ CHÍ MINH TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT KHOA ÑIEÄN – ÑIEÄN TÖÛ BOÄ MOÂN ÑIEÄN TÖÛ LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP ÑEÀ TAØI: NGHIEÂN CÖÙU VEÀ ÑIEÄN TÖÛ COÂNG SUAÁT VAØ ÖÙNG DUÏNG CUÛA ÑIEÄN TÖÛ COÂNG SUAÁT ÑEÅ ÑIEÀU CHÆNH TOÁC ÑOÄ ÑOÄNG CÔ MOÄT CHIEÀU KÍCH TÖØ ÑOÄC LAÄP Sinh vieân thöïc hieän: Voõ Ngoïc Toaûn Lôùp: 95KÑÑ. Giaùo vieân höôùng daãn: Nguyeãn Dö Xöùng TP. HOÀ CHÍ MINH Thaùng 3 - 2000. LÔØI CAÛM TAÏ Em xin chaân thaønh toû loøng bieát ôn ñeán Thaày Nguyeãn Dö Xöùng, giaùo vieân tröïc tieáp höôùng daãn em trong suoát quaù trình thöïc hieän luaän vaên toát nghieäp. Söï taän tình höôùng daãn, giuùp ñôõ vaø ñoäng vieân cuûa Thaày ñaõ giuùp em raát nhieàu trong vieäc hoaøn thaønh taäp luaän vaên naøy. Em xin chaân thaønh caûm ôn quyù thaày coâ ñaõ daïy doã chuùng em trong suoát thôøi gian qua. Cuoái cuøng laø lôøi caûm ôn chaân thaønh ñeán gia ñình, ngöôøi thaân cuøng toaøn theå baïn beø, nhöõng ngöôøi luoân ñoäng vieân tinh thaàn giuùp em hoaøn thaønh nhieäm vuï ñöôïc giao. Sinh vieân thöïc hieän Voõ Ngoïc Toaûn LÔØI NOÙI ÑAÀU Trong giai ñoaïn coâng nghieäp hoùa, hieän ñaïi hoùa ñaát nöôùc, ngaøy caøng coù nhieàu thieát bò baùn daãn coâng suaát hieän ñaïi ñöôïc söû duïng khoâng chæ trong lónh vöïc saûn xuaát maø caû trong vieäc phuïc vuï ñôøi soáng sinh hoaït cuûa con ngöôøi. Söï ra ñôøi vaø phaùt trieån cuûa caùc linh kieän baùn daãn coâng suaát nhö: diode, transistor, tiristor, triac… Cuøng vôùi vieäc hoaøn thieän maïch ñieàu khieån chuùng ñaõ taïo neân söï thay ñoåi saâu saéc, vöôït baäc cuûa kyõ thuaät bieán ñoåi ñieän naêng vaø cuûa caû ngaønh kyõ thuaät ñieän noùi chung. Hieän nay, maïng ñieän ôû nöôùc ta chuû yeáu laø ñieän xoay chieàu vôùi taàn soá ñieän coâng nghieäp. Ñeå cung caáp nguoàn ñieän moät chieàu coù giaù trò ñieän aùp vaø doøng ñieän ñieàu chænh ñöôïc cho nhöõng thieát bò ñieän duøng trong caùc heä thoáng truyeàn ñoäng ñieän moät chieàu, ngöôøi ta ñaõ hoaøn thieän boä chænh löu coù ñieàu khieån duøng tiristor. Vì nhöõng lyù do treân, ñeà taøi “ Nghieân cöùu veà ñieän töû coâng suaát vaø öùng duïng cuûa ñieän töû coâng suaát ñeå ñieàu chænh toác ñoä ñoäng cô moät chieàu kích töø ñoäc laäp “ seõ ñi saâu vaøo nghieân cöùu caùc heä thoáng truyeàn ñoäng coù duøng ñieän töû coâng suaát ñeå ñieàu chænh toác ñoä ñoäng cô moät chieàu kích töø ñoäc laäp. Luaän vaên ñöôïc trình baøy goàm ba chöông: Chöông I: Giôùi thieäu veà ñieän töû coâng suaát. Chöông II: Nghieân cöùu vaø trình baøy caùc phöông phaùp ñieàu chænh toác ñoä ñoäng cô moät chieàu kích töø ñoäc laäp Chöông III: Caùc heä thoáng ñieàu chænh toác ñoä ñoäng cô moät chieàu kích töø ñoäc laäp coù duøng ñieän töû coâng suaát. Do ñieàu kieän thôøi gian, kieán thöùc coøn haïn heïp, neân taäp luaän vaên seõ khoâng traùnh khoûi nhöõng thieáu soùt veà maët noäi dung laãn hình thöùc. Sinh vieân thöïc hieän raát mong nhaän ñöôïc söï quan taâm, chæ baûo cuûa quyù thaày coâ, baïn beø ñeå taäp luaän vaên ñöôïc hoaøn thieän hôn. Sinh vieân thöïc hieän  BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO COÄNG HOØA XAÕ HOÄI CHUÛ NGHÓA VIEÄT NAM ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA TP. HCM ÑOÄC LAÄP - TÖÏ DO - HAÏNH PHUÙC. TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT TP. HCM. -----------0O0---------- KHOA ÑIEÄN - ÑIEÄN TÖÛ BOÄ MOÂN ÑIEÄN TÖÛ NHIEÄM VUÏ LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP Hoï vaø teân sinh vieân : VOÕ NGOÏC TOAÛN Lôùp : 95KÑÑ Ngaønh : Ñieän - Ñieän töû 1. Teân ñeà taøi: Nghieân cöùu veà ñieän töû coâng suaát vaø öùng duïng cuûa ñieän töû coâng suaát ñeå ñieàu chænh toác ñoä ñoäng cô moät chieàu kích töø ñoäc laäp. 2. Caùc soá lieäu ban ñaàu: 3. Noäi dung caùc phaàn thuyeát minh, tính toaùn: 4. Caùc baûn veõ: 5. Giaùo vieân höôùng daãn: Nguyeãn Dö Xöùng. 6. Ngaøy giao nhieäm vuï: 7. Ngaøy hoaøn thaønh nhieäm vuï: Giaùo vieân höôùng daãn Thoâng qua boä moân Ngaøy thaùng naêm 2000 Chuû nhieäm boä moân Chöông I GIÔÙI THIEÄU VEÀ ÑIEÄN TÖÛ COÂNG SUAÁT I. DIODE COÂNG SUAÁT: I. 1 Caáu taïo: ( b ) Anoát Katoát ( a ) - + - + -a 0 a q N P d N P Hình 1. 1 a). Caáu taïo cuûa diode. b). Kyù hieäu cuûa diode. Diode coâng suaát laø linh kieän baùn daãn coù hai cöïc, ñöôïc caáu taïo bôûi moät lôùp baùn daãn N vaø moät lôùp baùn daãn P gheùp laïi. Silic laø moät nguyeân toá hoùa hoïc thuoäc nhoùm IV trong baûng heä thoáng tuaàn hoaøn. Silic coù 4 ñieän töû thuoäc lôùp ngoaøi cuøng trong caáu truùc nguyeân töû. Neáu ta keát hôïp theâm vaøo moät nguyeân toá thuoäc nhoùm V maø lôùp ngoaøi cuøng coù 5 ñieän töû thì 4 ñieän töû cuûa nguyeân toá naøy tham gia lieân keát vôùi 4 ñieän töû töï do cuûa Silic vaø xuaát hieän moät ñieän töû töï do. Trong caáu truùc tinh theå, caùc ñieän töû töï do laøm taêng tính daãn ñieän. Do ñieän töû coù ñieän tích aâm neân chaát naøy ñöôïc goïi laø chaát baùn daãn loaïi N (negative), coù nghóa laø aâm. Neáu theâm vaøo Silic moät nguyeân toá thuoäc nhoùm III maø coù 3 nguyeân töû thuoäc nhoùm ngoaøi cuøng thì xuaát hieän moät loå troáng trong caáu truùc tinh theå. Loã troáng naøy coù theå nhaän 1 ñieän töû, taïo neân ñieän tích döông vaø laøm taêng tính daãn ñieän. Chaát naøy ñöôïc goïi laø chaát baùn daãn loaïi P (positive), coù nghóa laø döông. Trong chaát baùn daãn loaïi N ñieän töû laø haït mang ñieän ña soá, loã troáng laø thieåu soá. Vôùi chaát baùn daãn loaïi P thì ngöôïc laïi. ÔÛ giöõa hai lôùp baùn daãn laø maët gheùp PN. Taïi ñaây xaûy ra hieän töôïng khueách taùn. Caùc loã troáng cuûa baùn daãn loaïi P traøn sang N laø nôi coù ít loã troáng. Caùc ñieän töû cuûa baùn daãn loaïi N chaïy sang P laø nôi coù ít ñieän töû. Keát quaû taïi maët tieáp giaùp phía P ngheøo ñi veà dieän tích döông vaø giaøu leân veà ñieän tích aâm. Coøn phía baùn daãn loaïi N thì ngöôïc laïi neân goïi laø vuøng ñieän tích khoâng gian döông. Trong vuøng chuyeån tieáp (-aa) hình thaønh moät ñieän tröôøng noäi taïi. Kyù hieäu laø Ei vaø coù chieàu töø N sang P hay coøn goïi laø barie ñieän theá (khoaûng töø 0,6V ñeán 0,7V ñoái vôùi vaät lieäu laø Silic). Ñieän tröôøng naøy ngaên caûn söï di chuyeån cuûa caùc ñieän tích ña soá vaø laøm deã daøng cho söï di chuyeån cuûa caùc ñieän tích thieåu soá (ñieän töû cuûa vuøng P vaø loå troáng cuûa vuøng N). Söï di chuyeån cuûa caùc ñieän tích thieåu soá hình thaønh neân doøng ñieän ngöôïc hay doøng ñieän roø. I. 2 Nguyeân lyù hoaït ñoäng: ( a ) + - U Ei P N ( b ) - + U Ei P N Hình 1. 2 a). Söï phaân cöïc thuaän diode. b). Söï phaân cöïc ngöôïc diode. Khi ñaët diode coâng suaát döôùi ñieän aùp nguoàn U coù cöïc tính nhö hình veõ, chieàu cuûa ñieän tröôøng ngoaøi ngöôïc chieàu vôùi ñieän tröôøng noäi Ei. Thoâng thöôøng U > Ei thì coù doøng ñieän chaïy trong maïch, taïo neân ñieän aùp rôi treân diode khoaûng 0,7V khi doøng ñieän laø ñònh möùc. Vaäy söï phaân cöïc thuaän haï thaáp barie ñieän theá. Ta noùi maët gheùp PN ñöôïc phaân cöïc thuaän. Khi ñoåi chieàu cöïc tính ñieän aùp ñaët vaøo diode, ñieän tröôøng ngoaøi seõ taùc ñoäng cuøng chieàu vôùi ñieän tröôøng noäi taïi Ei. Ñieän tröôøng toång hôïp caûn trôû söï di chuyeån cuûa caùc ñieän tích ña soá. Caùc ñieän töû cuûa vuøng N di chuyeån thaúng veà cöïc döông nguoàn U laøm cho ñieän theá vuøng N voán ñaõ cao laïi caøng cao hôn so vôùi vuøng P. Vì theá vuøng chuyeån tieáp laïi caøng roäng ra, khoâng coù doøng ñieän chaïy qua maët gheùp PN. Ta noùi maët gheùp PN bò phaân cöïc ngöôïc. Neáu tieáp tuïc taêng U, caùc ñieän tích ñöôïc gia toác, gaây neân söï va chaïm daây chuyeàn laøm barie ñieän theá bò ñaùnh thuûng. Ñaëc tính volt-ampe cuûa diode coâng suaát ñöôïc bieåu dieãn gaàn ñuùng baèng bieåu thöùc sau: I = IS [ exp (eU/kT) – 1 ] ( 1. 1 ) Trong ñoù: - IS : Doøng ñieän roø, khoaûng vaøi chuïc mA - e = 1,59.10- 19 Coulomb - k = 1,38.10- 23 : Haèng soá Bolzmann - T = 273 + t0 : Nhieät ñoä tuyeät ñoái (0 K) - t0 : Nhieät ñoä cuûa moâi tröôøng (0 C) - U : Ñieän aùp ñaët treân diode (V) I U UZ Ug 1 2 Hình 1. 3 Ñaëc tính volt-ampe cuûa diode. Ñaëc tính volt-ampe cuûa diode goàm coù hai nhaùnh: Nhaùnh thuaän Nhaùnh ngöôïc Khi diode ñöôïc phaân cöïc thuaän döôùi ñieän aùp U thì barie ñieän theá Ei giaûm xuoáng gaàn baèng 0. Taêng U, luùc ñaàu doøng I taêng töø töø cho ñeán khi U lôùn hôn khoaûng 0,1V thì I taêng moät caùch nhanh choùng, ñöôøng ñaëc tính coù daïng haøm muõ. Töông töï, khi phaân cöïc ngöôïc cho diode, taêng U, doøng ñieän ngöôïc cuõng taêng töø töø. Khi U lôùn hôn khoaûng 0,1V doøng ñieän ngöôïc döøng laïi ôû giaù trò vaøi chuïc mA vaø ñöôïc kyù hieäu laø IS. Doøng IS laø do söï di chuyeån cuûa caùc ñieän tích thieåu soá taïo neân. Neáu tieáp tuïc taêng U thì caùc ñieän tích thieåu soá di chuyeån caøng deã daøng hôn, toác ñoä di chuyeån tæ leä thuaän vôùi ñieän tröôøng toång hôïp, ñoäng naêng cuûa chuùng taêng leân. Khi êU ê = êUZ êthì söï va chaïm giöõa caùc ñieän tích thieåu soá di chuyeån vôùi toác ñoä cao seõ beû gaûy ñöôïc caùc lieân keát nguyeân töû Silic trong vuøng chuyeån tieáp vaø xuaát hieän nhöõng ñieän töû töï do môùi. Roài nhöõng ñieän tích töï do môùi naøy chòu söï taêng toác cuûa ñieän tröôøng toång hôïp laïi tieáp tuïc baén phaù caùc nguyeân töû Silic. Keát quaû taïo moät phaûn öùng daây chuyeàn laøm cho doøng ñieän ngöôïc taêng leân aøo aït vaø seõ phaù hoûng diode. Do ñoù, ñeå baûo veä diode ngöôøi ta chæ cho chuùng hoaït ñoäng vôùi giaù trò ñieän aùp: U = (0,7 ® 0,8)UZ. Khi diode hoaït ñoäng, doøng ñieän chaïy qua diode laøm cho diode phaùt noùng, chuû yeáu ôû taïi vuøng chuyeån tieáp. Ñoái vôùi diode loaïi Silic, nhieät ñoä maët gheùp cho pheùp laø 2000C. Vöôït quaù nhieät ñoä naøy diode coù theå bò phaù hoûng. Do ñoù, ñeå laøm maùt diode, ta duøng quaït gioù ñeå laøm maùt, caùnh taûn nhieät hay cho nöôùc hoaëc daàu bieán theá chaûy qua caùnh taûn nhieät vôùi toác ñoä lôùn hay nhoû tuøy theo doøng ñieän. Caùc thoâng soá kyõ thuaät cô baûn ñeå choïn diode laøø: - Doøng ñieän ñònh möùc Iñm (A) - Ñieän aùp ngöôïc cöïc ñaïi Ungmax ( V ) - Ñieän aùp rôi treân diode DU ( V ) I. 3 ÖÙng duïng: ÖÙng duïng chuû yeáu cuûa diode coâng suaát laø chænh löu doøng ñieän xoay chieàu thaønh doøng ñieän moät chieàu cung caáp cho taûi. Caùc boä chænh löu cuûa diode ñöôïc chia thaønh hai nhoùm chính: - Chænh löu baùn kyø hay coøn goïi laø chænh löu nöûa soùng. - Chænh löu toaøn kyø hay coøn goïi laø chænh löu toaøn soùng. II. TRANSISTOR COÂNG SUAÁT: II. 1 Caáu taïo: Transistor laø linh kieän baùn daãn goàm 3 lôùp: PNP hay NPN. Hình 1. 4 Transistor PNP: a). Caáu taïo b). Kyù hieäu ( b ) C B E ( a ) E B C N P P Hình 1. 5 Transistor NPN: a). Caáu taïo b). Kyù hieäu ( a ) E C B P N N C B E ( b ) Veà maët vaät lyù, transistor goàm 3 phaàn: phaàn phaùt, phaàn neàn vaø phaàn thu. Vuøng neàn (B) raát moûng. Transistor coâng suaát coù caáu truùc vaø kyù hieäu nhö sau: ( b ) ( a ) E IC B UBE IE C IB UCE E · · B C Hình 1. 6 Transistor coâng suaát a). Caáu truùc b). Kyù hieäu II. 2 Nguyeân lyù hoaït ñoäng: · · · Base p - IE + IC IE Colector Emiter C C E E N · · · · N p · · · - + RE UEE UCC RC ·· · P Hình 1. 7 Sô ñoà phaân cöïc transistor. Ñieän theá UEE phaân cöïc thuaän moái noái B - E (PN) laø nguyeân nhaân laøm cho vuøng phaùt (E) phoùng ñieän töû vaøo vuøng P (cöïc B). Haàu heát caùc ñieän töû (electron) sau khi qua vuøng B roài qua tieáp moái noái thöù hai phía beân phaûi höôùng tôùi vuøng N (cöïc thu), khoaûng 1% electron ñöôïc giöõ laïi ôû vuøng B. Caùc loã troáng vuøng neàn di chuyeån vaøo vuøng phaùt. Moái noái B - E ôû cheá ñoä phaân cöïc thuaän nhö moät diode, coù ñieän khaùng nhoû vaø ñieän aùp rôi treân noù nhoû thì moái noái B - C ñöôïc phaân cöïc ngöôïc bôûi ñieän aùp UCC. Baûn chaát moái noái B - C naøy gioáng nhö moät diode phaân cöïc ngöôïc vaø ñieän khaùng moái noái B - C raát lôùn. Doøng ñieän ño ñöôïc trong vuøng phaùt goïi laø doøng phaùt IE. Doøng ñieän ño ñöôïc trong maïch cöïc C (soá löôïng ñieän tích qua ñöôøng bieân CC trong moät ñôn vò thôøi gian laø doøng cöïc thu IC). Doøng IC goàm hai thaønh phaàn: - Thaønh phaàn thöù nhaát (thaønh phaàn chính) laø tæ leä cuûa haït electron ôû cöïc phaùt tôùi cöïc thu. Tæ leä naøy phuï thuoäc duy nhaát vaøo caáu truùc cuûa transistor vaø laø haèng soá ñöôïc tính tröôùc ñoái vôùi töøng transistor rieâng bieät. Haèng soá ñaõ ñöôïc ñònh nghóa laø a. Vaäy thaønh phaàn chính cuûa doøng IC laø aIE. Thoâng thöôøng a = 0,9 ® 0,999. - Thaønh phaàn thöù hai laø doøng qua moái noái B - C ôû cheá ñoä phaân cöïc ngöôïc laïi khi IE = 0. Doøng naøy goïi laø doøng ICBO – noù raát nhoû. - Vaäy doøng qua cöïc thu: IC = aIE + ICBO. * Caùc thoâng soá cuûa transistor coâng suaát: - IC: Doøng colectô maø transistor chòu ñöôïc. - UCEsat: Ñieän aùp UCE khi transistor daãn baõo hoøa. - UCEO: Ñieän aùp UCE khi maïch badô ñeå hôû, IB = 0 . - UCEX: Ñieän aùp UCE khi badô bò khoùa bôûi ñieän aùp aâm, IB < 0. - ton: Thôøi gian caàn thieát ñeå UCE töø giaù trò ñieän aùp nguoàn U giaûm xuoáng UCESat » 0. - tf: Thôøi gian caàn thieát ñeå iC töø giaù trò IC giaûm xuoáng 0. - tS: Thôøi gian caàn thieát ñeå UCE töø giaù trò UCESat taêng ñeán giaù trò ñieän aùp nguoàn U. - P: Coâng suaát tieâu taùn beân trong transistor. Coâng suaát tieâu taùn beân trong transistor ñöôïc tính theo coâng thöùc: P = UBE.IB + UCE.IC. - Khi transistor ôû traïng thaùi môû: IB = 0, IC = 0 neân P = 0. - Khi transistor ôû traïng thaùi ñoùng: UCE = UCESat. Trong thöïc teá transistor coâng suaát thöôøng ñöôïc cho laøm vieäc ôû cheá ñoä khoùa: IB = 0, IC = 0, transistor ñöôïc coi nhö hôû maïch. Nhöng vôùi doøng ñieän goác ôû traïng thaùi coù giaù trò baõo hoøa, thì transistor trôû veà traïng thaùi ñoùng hoaøn toaøn. Transistor laø moät linh kieän phuï thuoäc neân caàn phoái hôïp doøng ñieän goác vaø doøng ñieän goùp. ÔÛ traïng thaùi baõo hoøa ñeå duy trì khaû naêng ñieàu khieån vaø ñeå traùnh ñieän tích ôû cöïc goác quaù lôùn, doøng ñieän goác ban ñaàu phaûi cao ñeå chuyeån sang traïng thaùi daãn nhanh choùng. ÔÛ cheá ñoä khoùa doøng ñieän goác phaûi giaûm cuøng qui luaät nhö doøng ñieän goùp ñeå traùnh hieän töôïng choïc thuûng thöù caáp. ( b ) ( a ) IC UCE b a UCE IC IC · Hình 1. 8 Traïng thaùi daãn vaø traïng thaùi bò khoùa a). Traïng thaùi ñoùng maïch hay ngaén maïch IB lôùn, IC do taûi giôùi haïn. b). Traïng thaùi hôû maïch IB = 0. Caùc toån hao chuyeån maïch cuûa transistor coù theå lôùn. Trong luùc chuyeån maïch, ñieän aùp treân caùc cöïc vaø doøng ñieän cuûa transistor cuõng lôùn. Tích cuûa doøng ñieän vaø ñieän aùp cuøng vôùi thôøi gian chuyeån maïch taïo neân toån hao naêng löôïng trong moät laàn chuyeån maïch. Coâng suaát toån hao chính xaùc do chuyeån maïch laø haøm soá cuûa caùc thoâng soá cuûa maïch phuï taûi vaø daïng bieán thieân cuûa doøng ñieän goác. * Ñaëc tính tónh cuûa transistor: UCE = f (IC). Ñeå cho khi transistor ñoùng, ñieän aùp suït beân trong coù giaù trò nhoû, ngöôøi ta phaûi cho noù laøm vieäc ôû cheá ñoä baõo hoøa, töùc laø IB phaûi ñuû lôùn ñeå IC cho ñieän aùp suït UCE nhoû nhaát. ÔÛ cheá ñoä baõo hoøa, ñieän aùp suït trong transistor coâng suaát baèng 0,5 ñeán 1V trong khi ñoù tiristor laø khoaûng 1,5V. Hình 1. 9 Ñaëc tính tónh cuûa transistor: UCE = f ( IC ). Vuøng tuyeán tính Vuøng gaàn baõo hoøa Vuøng baõo hoøa UCE IC II. 3 ÖÙng duïng cuûa transistor coâng suaát: Transistor coâng suaát duøng ñeå ñoùng caét doøng ñieän moät chieàu coù cöôøng ñoä lôùn. Tuy nhieân trong thöïc teá transistor coâng suaát thöôøng cho laøm vieäc ôû cheá ñoä khoùa. IB = 0, IC = 0: transistor coi nhö hôû maïch. II. 4 Transistor Mos coâng suaát: Transistor tröôøng FET (Field – Effect Transistor) ñöôïc cheá taïo theo coâng ngheä Mos (Metal – Oxid – Semiconductor), thöôøng söû duïng nhö nhöõng chuyeån maïch ñieän töû coù coâng suaát lôùn. Khaùc vôùi transistor löôõng cöïc ñöôïc ñieàu khieån baèng doøng ñieän, transistor Mos ñöôïc ñieàu khieån baèng ñieän aùp. Transistor Mos goàm caùc cöïc chính: cöïc maùng (drain), nguoàn (source) vaø cöûa (gate). Doøng ñieän maùng - nguoàn ñöôïc ñieàu khieån baèng ñieän aùp cöûa – nguoàn. · Cöûa · · Nguoàn · Maùng ( b ) ( a ) = 3V = 4,5V = 6V = 9V = 7,5V Doøng ñieän maùng Ñieän trôû haèng soá Ñieän aùp maùng – nguoàn Hình 1. 10 Transistor Mos coâng suaát: a). Hoï ñaëc tính ra. b). Kyù hieäu thoâng thöôøng keânh N. Transistor Mos laø loaïi duïng cuï chuyeån maïch nhanh. Vôùi ñieän aùp 100V toån hao daãn ôû chuùng lôùn hôn ôû transistor löôõng cöïc vaø tiristor, nhöng toån hao chuyeån maïch nhoû hôn nhieàu. Heä soá nhieät ñieän trôû cuûa transistor Mos laø döông. Doøng ñieän vaø ñieän aùp cho pheùp cuûa transistor Mos nhoû hôn cuûa transistor löôõng cöïc vaø tiristor. III. TIRISTOR: III. 1 Caáu taïo: Tiristor laø linh kieän goàm 4 lôùp baùn daãn PNPN lieân tieáp taïo neân anoát, katoát vaø cöïc ñieàu khieån. P1 N1 P2 N2 ( a ) ( b ) A J1 J2 J3 A K G G K Hình 1. 11 a). Caáu taïo cuûa tiristor. b). Kyù hieäu cuûa tiristor. Trong ñoù: - A: anoát. - K: katoát. - G: cöïc ñieàu khieån. - J1, J2, J3: caùc maët gheùp. Tiristor goàm 1 ñóa Silic töø ñôn theå loaïi N, treân lôùp ñeäm loaïi baùn daãn P coù cöïc ñieàu khieån baèng daây nhoâm, caùc lôùp chuyeån tieáp ñöôïc taïo neân baèng kyõ thuaät bay hôi cuûa Gali. Lôùp tieáp xuùc giöõa anoát vaø katoát laø baèng ñóa moâlipñen hay tungsen coù heä soá noùng chaûy gaàn baèng vôùi Gali. Caáu taïo daïng ñóa kim loaïi ñeå deã daøng taûn nhieät. III. 2 Nguyeân lyù hoaït ñoäng: Ñaët tiristor döôùi ñieän aùp moät chieàu, anoát noái vaøo cöïc döông, katoát noái vaøo cöïc aâm cuûa nguoàn ñieän aùp, J1, J3 phaân cöïc thuaän, J2 phaân cöïc ngöôïc. Gaàn nhö toaøn boä ñieän aùp nguoàn ñaët treân maët gheùp J2. Ñieän tröôøng noäi taïi Ei cuûa J2 coù chieàu töø N1 höôùng veà P2. Ñieän tröôøng ngoaøi taùc ñoäng cuøng chieàu vôùi Ei vuøng chuyeån tieáp cuõng laø vuøng caùch ñieän caøng môû roäng ra khoâng coù doøng ñieän chaïy qua tiristor maëc duø noù bò ñaët döôùi ñieän aùp. IH U I UZ 0 Uch Hình 1. 12 Ñaëc tính volt-ampe cuûa tiristor. * Môû tiristor: Cho moät xung ñieän aùp döông Ug taùc ñoäng vaøo cöïc G ( döông so vôùi K ), caùc ñieän töû töø N2 sang P2. Ñeán ñaây, moät soá ít ñieän töû chaûy vaøo cöïc G vaø hình thaønh doøng ñieàu khieån Ig chaïy theo maïch G - J3 - K - G coøn phaàn lôùn ñieän töû chòu söùc huùt cuûa ñieän tröôøng toång hôïp cuûa maët gheùp J2 lao vaøo vuøng chuyeån tieáp naøy, taêng toác, ñoäng naêng lôùn beû gaûy caùc lieân keát nguyeân töû Silic, taïo neân ñieän töû töï do môùi. Soá ñieän töû môùi ñöôïc giaûi phoùng tham gia baén phaù caùc nguyeân töû Silic trong vuøng keá tieáp. Keát quaû cuûa phaûn öùng daây chuyeàn laøm xuaát hieän nhieàu ñieän töû chaïy vaøo N1 qua P1 vaø ñeán cöïc döông cuûa nguoàn ñieän ngoaøi, gaây neân hieän töôïng daãn ñieän aøo aït, J2 trôû thaønh maët gheùp daãn ñieän, baét ñaàu töø moät ñieåm ôû xung quanh cöïc G roài phaùt trieån ra toaøn boä maët gheùp. Ñieän trôû thuaän cuûa tiristor khoaûng 100KW khi coøn ôû traïng thaùi khoùa, trôû thaønh 0,01W khi tiristor môû cho doøng chaïy qua. Tiristor khoùa + UAK > 1V hoaëc Ig > Igst thì tiristor seõ môû. Trong ñoù Igst laø doøng ñieàu khieån ñöôïc tra ôû soå tay tra cöùu tiristor. ton: Thôøi gian môû laø thôøi gian caàn thieát ñeå thieát laäp doøng ñieän chaïy trong tiristor, tính töø thôøi ñieåm phoùng doøng Ig vaøo cöïc ñieàu khieån. Thôøi gian môû tiristor keùo daøi khoaûng 10ms. * Khoùa tiristor: Coù 2 caùch: - Laøm giaûm doøng ñieän laøm vieäc I xuoáng döôùi giaù trò doøng duy trì IH ( Holding Current ). - Ñaët moät ñieän aùp ngöôïc leân tiristor. Khi ñaët ñieän aùp ngöôïc leân tiristor: UAK < 0, J1 vaø J3 bò phaân cöïc ngöôïc, J2 phaân cöïc thuaän, ñieän töû ñaûo chieàu haønh trình taïo neân doøng ñieän ngöôïc chaûy töø katoát veà anoát, veà cöïc aâm cuûa nguoàn ñieän ngoaøi. Tiristor môû + UAK < 0 ® tiristor khoùa. Thôøi gian khoùa toff: Thôøi gian töø khi baét ñaàu xuaát hieän doøng ñieän ngöôïc ( t0 ) ñeán doøng ñieän ngöôïc baèng 0 ( t2 ), toff keùo daøi khoaûng vaøi chuïc ms. * Xeùt söï bieán thieân cuûa doøng ñieän i( t ) trong quaù trình tiristor khoùa: Hình 1. 13 Söï bieán thieân cuûa doøng ñieän i( t ) trong quaù trình tiristor khoùa. t1 t2 t0 t Ii Töø t0 ñeán t1 doøng ñieän ngöôïc lôùn, sau ñoù J1, J3 trôû neân caùch ñieän. Do hieän töôïng khueách taùn moät ít ñieän töû giöõa hai maët J1 vaø J3 ít daàn ñi ñeán heát. J2 khoâi phuïc tính chaát cuûa maët gheùp ñieàu khieån. III. 3 ÖÙng duïng: Tiristor ñöôïc söû duïng trong caùc boä nguoàn ñaëc bieät: trong maïch chænh löu, boä baêm vaø trong boä bieán taàn tröïc tieáp hoaëc caùc boä bieán taàn coù khaâu trung gian moät chieàu. - ÖÙng duïng tiristor trong maïch ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô. - Chuyeån maïch tónh. - Khoáng cheá pha. - Naïp aécqui. - Khoáng cheá nhieät ñoä. IV. TRIAC: IV. 1 Caáu taïo: ( b ) ( a ) G T2 T1 T1 G T2 N P N N P N Triac laø thieát bò baùn daãn ba cöïc, boán lôùp coù ñöôøng ñaëc tính volt-ampe ñoái xöùng, nhaän goùc môû a cho caû hai chieàu. Triac ñöôïc cheá taïo ñeå laøm vieäc trong maïch ñieän xoay chieàu, coù taùc duïng nhö 2 SCR ñaáu song song ngöôïc. Hình 1. 14 a). Caáu taïo cuûa triac. b). Kyù hieäu cuûa triac. Triac ñöôïc cheá taïo treân cuøng moät ñôn tinh theå goàm hai cöïc vaø chæ coù moät cöïc ñieàu khieån. IV. 2 Nguyeân lyù laøm vieäc: T1 laø cöïc gaàn vôùi cöïc ñieàu khieån G. 0 ( III ) : T2 aâm ( I ) : T1 döông Traïng thaùi daãn Ig2 > Ig1 Ig = 0 : Traïng thaùi khoùa Hình 1. 15 Ñaëc tính volt-ampe cuûa triac. I Ut - Ut UB2 UB1 UB0 - It ÔÛ goùc phaàn tö thöù nhaát ( I ): UT2 > UT1 coøn ( III ) thì ngöôïc laïi. Ñieän aùp UB0 laø giaù trò ñieän aùp môû ñöa triac töø traïng thaùi bò khoùa sang daãn khi khoâng coù doøng ñieàu khieån, Ig = 0. Khi coù doøng ñieàu khieån Ig triac seõ môû vôùi ñieän aùp ñaët vaøo nhoû hôn. Triac chæ bò khoùa khi Ig = 0 vaø ñieän aùp ñaët vaøo nhoû hôn ngöôõng UB vaø môû theo chieàu naøy hoaëc chieàu khaùc tuøy theo cöïc tính cuûa doøng ñieän ñieàu khieån. * Coù 4 caùch ñeå môû triac: - ÔÛ goùc phaàn tö thöù nhaát ( I ): Caùch I+: Doøng, aùp, cöïc ñieàu khieån döông. Caùch I-: Doøng, aùp, cöïc ñieàu khieån aâm. - ÔÛ goùc phaàn tö thöù ba ( III ): Caùch III+: Doøng, aùp, cöïc ñieàu khieån döông. Caùch III-: Doøng, aùp, cöïc ñieàu khieån aâm. - Triac coù öu ñieåm laø maïch ñieàu khieån ñôn giaûn nhöng coâng suaát giôùi haïn nhoû hôn tiristor. IV. 3 ÖÙng duïng: Triac duøng ñeå ñieàu chænh toác ñoä ñoäng cô moät chieàu, trong maïch chænh löu. Ngoaøi ra, triac coøn duøng ñeå ñieàu chænh aùnh saùng ñieän, nhieät ñoä loø. Chöông II NGHIEÂN CÖÙU VAØ TRÌNH BAØY CAÙC PHÖÔNG PHAÙP ÑIEÀU CHÆNH TOÁC ÑOÄ ÑOÄNG CÔ MOÄT CHIEÀU KÍCH TÖØ ÑOÄC LAÄP I. KHAÙI NIEÄM CHUNG: I. 1 Ñònh nghóa: Ñieàu chænh toác ñoä ñoäng cô laø duøng caùc bieän phaùp nhaân taïo ñeå thay ñoåi caùc thoâng soá nguoàn nhö ñieän aùp hay caùc thoâng soá maïch nhö ñieän trôû phuï, thay ñoåi töø thoâng… Töø ñoù taïo ra caùc ñaëc tính cô môùi ñeå coù nhöõng toác ñoä laøm vieäc môùi phuø hôïp vôùi yeâu caàu. Coù hai phöông phaùp ñeå ñieàu chænh toác ñoä ñoäng cô: - Bieán ñoåi caùc thoâng soá cuûa boä phaän cô khí töùc laø bieán ñoåi tyû soá truyeàn chuyeån tieáp töø truïc ñoäng cô ñeán cô caáu maùy saûn suaát. - Bieán ñoåi toác ñoä goùc cuûa ñoäng cô ñieän. Phöông phaùp naøy laøm giaûm tính phöùc taïp cuûa cô caáu vaø caûi thieän ñöôïc ñaëc tính ñieàu chænh. Vì vaäy, ta khaûo saùt söï ñieàu chænh toác ñoä theo phöông phaùp thöù hai. Ngoaøi ra caàn phaân bieät ñieàu chænh toác ñoä vôùi söï töï ñoäng thay ñoåi toác ñoä khi phuï taûi thay ñoåi cuûa ñoäng cô ñieän. Veà phöông dieän ñieàu chænh toác ñoä, ñoäng cô ñieän moät chieàu coù nhieàu öu vieät hôn so vôùi caùc loaïi ñoäng cô khaùc. Khoâng nhöõng noù coù khaû naêng ñieàu chænh toác ñoä deã daøng maø caáu truùc maïch ñoäng löïc, maïch ñieàu khieån ñôn giaûn hôn, ñoàng thôøi laïi ñaït chaát löôïng ñieàu chænh cao trong daõy ñieàu chænh toác ñoä roäng. I. 2 Caùc chæ tieâu kyõ thuaät ñeå ñaùnh giaù heä thoáng ñieàu chænh toác ñoä: Khi ñieàu chænh toác ñoä cuûa heä thoáng truyeàn ñoäng ñieän ta caàn chuù yù vaø caên cöù vaøo caùc chæ tieâu sau ñaây ñeå ñaùnh giaù chaát löôïng cuûa heä thoáng truyeàn ñoäng ñieän: I. 2. a Höôùng ñieàu chænh toác ñoä: Höôùng ñieàu chænh toác ñoä laø ta coù theå ñieàu chænh ñeå coù ñöôïc toác ñoä lôùn hôn hay beù hôn so vôùi toác ñoä cô baûn laø toác ñoä laøm vieäc cuûa ñoäng cô ñieän treân ñöôøng ñaëc tính cô töï nhieân. I. 2. b Phaïm vi ñieàu chænh toác ñoä (Daõy ñieàu chænh): Phaïm vi ñieàu chænh toác ñoä D laø tæ soá giöõa toác ñoä lôùn nhaát nmax vaø toác ñoä beù nhaát nmin maø ngöôøi ta coù theå ñieàu chænh ñöôïc taïi giaù trò phuï taûi laø ñònh möùc: D = nmax/nmin. Trong ñoù: - nmax: Ñöôïc giôùi haïn bôûi ñoä beàn cô hoïc. - nmin: Ñöôïc giôùi haïn bôûi phaïm vi cho pheùp cuûa ñoäng cô, thoâng thöôøng ngöôøi ta choïn nmin laøm ñôn vò. Phaïm vi ñieàu chænh caøng lôùn thì caøng toát vaø phuï thuoäc vaøo yeâu caàu cuûa töøng heä thoáng, khaû naêng töøng phöông phaùp ñieàu chænh. I. 2. c Ñoä cöùng cuûa ñaëc tính cô khi ñieàu chænh toác ñoä: Ñoä cöùng: b = DM/Dn. Khi b caøng lôùn töùc DM caøng lôùn vaø Dn nhoû nghóa laø ñoä oån ñònh toác ñoä caøng lôùn khi phuï taûi thay ñoåi nhieàu. Phöông phaùp ñieàu chænh toác ñoä toát nhaát laø phöông phaùp maø giöõ nguyeân hoaëc naâng cao ñoä cöùng cuûa ñöôøng ñaëc tính cô. Hay noùi caùch khaùc b caøng lôùn thì caøng toát. I. 2. d Ñoä baèng phaúng hay ñoä lieân tuïc trong ñieàu chænh toác ñoä: Trong phaïm vi ñieàu chænh toác ñoä, coù nhieàu caáp toác ñoä. Ñoä lieân tuïc khi ñieàu chænh toác ñoä g ñöôïc ñaùnh giaù baèng tæ soá giöõa hai caáp toác ñoä keà nhau: g = ni/ni+1 Trong ñoù: - ni: Toác ñoä ñieàu chænh ôû caáp thöù i. - ni + 1: Toác ñoä ñieàu chænh ôû caáp thöù ( i + 1 ). Vôùi ni vaø ni + 1 ñeàu laáy taïi moät giaù trò moment naøo ñoù. g tieán caøng gaàn 1 caøng toát, phöông phaùp ñieàu chænh toác ñoä caøng lieân tuïc. Luùc naøy hai caáp toác ñoä baèng nhau, khoâng coù nhaûy caáp hay coøn goïi laø ñieàu chænh toác ñoä voâ caáp. g ¹ 1 : Heä thoáng ñieàu chænh coù caáp. I. 2. e Toån thaát naêng löôïng khi ñieàu chænh toác ñoä: Heä thoáng truyeàn ñoäng ñieän coù chaát löôïng cao laø moät heä thoáng coù hieäu suaát laøm vieäc cuûa ñoäng cô h laø cao nhaát khi toån hao naêng löôïng DPphuï ôû möùc thaáp nhaát. I. 2. f Tính kinh teá cuûa heä thoáng khi ñieàu chænh toác ñoä: Heä thoáng ñieàu chænh toác ñoä truyeàn ñoäng ñieän coù tính kinh teá cao nhaát laø moät heä thoáng ñieàu chænh phaûi thoûa maõn toái ña caùc yeâu caàu kyõ thuaät cuûa heä thoáng. Ñoàng thôøi heä thoáng phaûi coù giaù thaønh thaáp nhaát, chi phí baûo quaûn vaän haønh thaáp nhaát, söû duïng thieát bò phoå thoâng nhaát vaø caùc thieát bò maùy moùc coù theå laép raùp laãn cho nhau. II. ÑIEÀU CHÆNH TOÁC ÑOÄ BAÈNG CAÙCH THAY ÑOÅI ÑIEÄN AÙP ÑAËT VAØO PHAÀN ÖÙNG ÑOÄNG CÔ: Ñoái vôùi caùc maùy ñieän moät chieàu, khi giöõ töø thoâng khoâng ñoåi vaø ñieàu chænh ñieän aùp treân maïch phaàn öùng thì doøng ñieän, moment seõ khoâng thay ñoåi. Ñeå traùnh nhöõng bieán ñoäng lôùn veà gia toác vaø löïc ñoäng trong heä ñieàu chænh neân phöông phaùp ñieàu chænh toác ñoä baèng caùch thay ñoåi ñieän aùp treân maïch phaàn öùng thöôøng ñöôïc aùp duïng cho ñoäng cô moät chieàu kích töø ñoäc laäp. Ñeå ñieàu chænh ñieän aùp ñaët vaøo phaàn öùng ñoäng cô, ta duøng caùc boä nguoàn ñieàu aùp nhö: maùy phaùt ñieän moät chieàu, caùc boä bieán ñoåi van hoaëc khueách ñaïi töø… Caùc boä bieán ñoåi treân duøng ñeå bieán doøng xoay chieàu cuûa löôùi ñieän thaønh doøng moät chieàu vaø ñieàu chænh giaù trò söùc ñieän ñoäng cuûa noù cho phuø hôïp theo yeâu caàu. Phöông trình ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø ñoäc laäp: Ta coù toác ñoä khoâng taûi lyù töôûng: n0 = Uñm/KEFñm.Vaø ñoä cöùng cuûa ñöôøng ñaëc tính cô: Khi thay ñoåi ñieän aùp ñaët leân phaàn öùng cuûa ñoäng cô thì toác ñoä khoâng taûi lyù töôûng seõ thay ñoåi nhöng ñoä cöùng cuûa ñöôøng ñaëc tính cô thì khoâng thay ñoåi. U1 U2 U3 TN ( Uñm ) n0 ncb n1 n2 n3 M n MC Uñm > U1 > U2 > U3 ncb > n1 > n2 > n3 Nhö vaäy, khi ta thay ñoåi ñieän aùp thì ñoä cöùng cuûa ñöôøng ñaëc tính cô khoâng thay ñoåi. Hoï ñaëc tính cô laø nhöõng ñöôøng thaúng song song vôùi ñöôøng ñaëc tính cô töï nhieân: Hình 2. 1 Hoï ñaëc tính cô khi thay ñoåi ñieän aùp ñaët vaøo phaàn öùng ñoäng cô. Phöông phaùp ñieàu chænh toác ñoä baèng caùch thay ñoåi ñieän aùp phaàn öùng thöïc chaát laø giaûm aùp vaø cho ra nhöõng toác ñoä nhoû hôn toác ñoä cô baûn ncb. Ñoàng thôøi ñieàu chænh nhaûy caáp hay lieân tuïc tuøy thuoäc vaøo boä nguoàn coù ñieän aùp thay ñoåi moät caùch lieân tuïc vaø ngöôïc laïi. Theo lyù thuyeát thì phaïm vi ñieàu chænh D = ¥. Nhöng trong thöïc teá ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø ñoäc laäp neáu khoâng coù bieän phaùp ñaëc bieät chæ laøm vieäc ôû phaïm vi cho pheùp: Umincp = Uñm/10, nghóa laø phaïm vi ñieàu chænh: D = ncb/nmin = 10/1. Neáu ñieän aùp phaàn öùng U < Umincp thì do phaûn öùng phaàn öùng seõ laøm cho toác ñoä ñoäng cô khoâng oån ñònh. Nhaän xeùt: Phöông phaùp ñieàu chænh toác ñoä baèng caùch thay ñoåi ñieän aùp ñaët vaøo phaàn öùng ñoäng cô seõ giöõ nguyeân ñoä cöùng cuûa ñöôøng ñaëc tính cô neân ñöôïc duøng nhieàu trong maùy caét kim loaïi vaø cho nhöõng toác ñoä nhoû hôn ncb. * Öu ñieåm: Ñaây laø phöông phaùp ñieàu chænh trieät ñeå, voâ caáp coù nghóa laø coù theå ñieàu chænh toác ñoä trong baát kyø vuøng taûi naøo keå caû khi ôû khoâng taûi lyù töôûng. * Nhöôïc ñieåm: Phaûi caàn coù boä nguoàn coù ñieän aùp thay ñoåi ñöôïc neân voán ñaàu tö cô baûn vaø chi phí vaän haønh cao. · - · + · + · · - CKÑ RKÑ Iö U Ñ UKT III. ÑIEÀU CHÆNH TOÁC ÑOÄ BAÈNG CAÙCH THAY ÑOÅI TÖØ THOÂNG: Hình 2. 2 Sô ñoà nguyeân lyù ñieàu chænh toác ñoä baèng caùch thay ñoåi töø thoâng. Ñieàu chænh töø thoâng kích thích cuûa ñoäng cô ñieän moät chieàu laø ñieàu chænh moment ñieän töø cuûa ñoäng cô M = KMfIö vaø söùc ñieän ñoäng quay cuûa ñoäng cô Eö = KEfn. Thoâng thöôøng, khi thay ñoåi töø thoâng thì ñieän aùp phaàn öùng ñöôïc giöõ nguyeân giaù trò ñònh möùc. Ñoái vôùi caùc maùy ñieän nhoû vaø ñoâi khi caû caùc maùy ñieän coâng suaát trung bình, ngöôøi ta thöôøng söû duïng caùc bieán trôû ñaët trong maïch kích töø ñeå thay ñoåi töø thoâng do toån hao coâng suaát nhoû. Ñoái vôùi caùc maùy ñieän coâng suaát lôùn thì duøng caùc boä bieán ñoåi ñaëc bie._.ät nhö: maùy phaùt, khueách ñaïi maùy ñieän, khueách ñaïi töø, boä bieán ñoåi van… Thöïc chaát cuûa phöông phaùp naøy laø giaûm töø thoâng. Neáu taêng töø thoâng thì doøng ñieän kích töø IKT seõ taêng daàn ñeán khi hö cuoän daây kích töø. Do ñoù, ñeå ñieàu chænh toác ñoä chæ coù theå giaûm doøng kích töø töùc laø giaûm nhoû töø thoâng so vôùi ñònh möùc. Ta thaáy luùc naøy toác ñoä taêng leân khi töø thoâng giaûm: n = U/KEF. Maët khaùc ta coù: Moment ngaén maïch Mn = KMfIn neân khi f giaûm seõ laøm cho Mn giaûm theo. Ñoä cöùng cuûa ñöôøng ñaëc tính cô: Khi f giaûm thì ñoä cöùng b cuõng giaûm, ñaëc tính cô seõ doác hôn. Neân ta coù hoï ñöôøng ñaëc tính cô khi thay ñoåi töø thoâng nhö sau: F1 F2 Fñm 0 MC M2 M1 Mn Hình 2. 3 Hoï ñaëc tính cô khi thay ñoåi töø thoâng. ncb n1 n2 n M fñm > f1 > f2 ncb < n1 < n2 Phöông phaùp ñieàu chænh toác ñoä baèng caùch thay ñoåi töø thoâng coù theå ñieàu chænh ñöôïc toác ñoä voâ caáp vaø cho ra nhöõng toác ñoä lôùn hôn toác ñoä cô baûn. Theo lyù thuyeát thì töø thoâng coù theå giaûm gaàn baèng 0, nghóa laø toác ñoä taêng ñeán voâ cuøng. Nhöng treân thöïc teá ñoäng cô chæ laøm vieäc vôùi toác ñoä lôùn nhaát: nmax = 3ncb töùc phaïm vi ñieàu chænh: D = nmax/ncb = 3/1. Bôûi vì öùng vôùi moãi ñoäng cô ta coù moät toác ñoä lôùn nhaát cho pheùp. Khi ñieàu chænh toác ñoä tuøy thuoäc vaøo ñieàu kieän cô khí, ñieàu kieän coå goùp ñoäng cô khoâng theå ñoåi chieàu doøng ñieän vaø chòu ñöôïc hoà quang ñieän. Do ñoù, ñoäng cô khoâng ñöôïc laøm vieäc quaù toác ñoä cho pheùp. Nhaän xeùt: Phöông phaùp ñieàu chænh toác ñoä baèng caùch thay ñoåi töø thoâng coù theå ñieàu chænh toác ñoä voâ caáp vaø cho nhöõng toác ñoä lôùn hôn ncb. Phöông phaùp naøy ñöôïc duøng ñeå ñieàu chænh toác ñoä cho caùc maùy maøi vaïn naêng hoaëc laø maùy baøo giöôøng. Do quaù trình ñieàu chænh toác ñoä ñöôïc thöïc hieän treân maïch kích töø neân toån thaát naêng löôïng ít, mang tính kinh teá. Thieát bò ñôn giaûn. IV. ÑIEÀU CHÆNH TOÁC ÑOÄ BAÈNG CAÙCH THAY ÑOÅI ÑIEÄN TRÔÛ PHUÏ TREÂN MAÏCH PHAÀN ÖÙNG: · - · - + · + · · · Iö Rf CKÑ RKÑ U E UKT Phöông phaùp ñieàu chænh toác ñoä baèng caùch thay ñoåi ñieän trôû phuï treân maïch phaàn öùng coù theå ñöôïc duøng cho taát caû ñoäng cô ñieän moät chieàu. Trong phöông phaùp naøy ñieän trôû phuï ñöôïc maéc noái tieáp vôùi maïch phaàn öùng cuûa ñoäng cô theo sô ñoà nguyeân lyù nhö sau: Hình 2. 4 Sô ñoà nguyeân lyù ñieàu chænh toác ñoä ñoäng cô baèng caùch thay ñoåi ñieän trôû phuï treân maïch phaàn öùng. Ta coù phöông trình ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø ñoäc laäp: Khi thay ñoåi giaù trò ñieän trôû phuï Rf ta nhaän thaáy toác ñoä khoâng taûi lyù töôûng: vaø ñoä cöùng cuûa ñöôøng ñaëc tính cô: ; seõ thay ñoåi khi giaù trò Rf thay ñoåi. Khi Rf caøng lôùn, b caøng nhoû nghóa laø ñöôøng ñaëc tính cô caøng doác. ÖÙng vôùi giaù trò Rf = 0 ta coù ñoä cöùng cuûa ñöôøng ñaëc tính cô töï nhieân ñöôïc tính theo coâng thöùc sau: Ta nhaän thaáy bTN coù giaù trò lôùn nhaát neân ñöôøng ñaëc tính cô töï nhieân coù ñoä cöùng lôùn hôn taát caû caùc ñöôøng ñaëc tính cô coù ñoùng ñieän trôû phuï treân maïch phaàn öùng. Vaäy khi thay ñoåi giaù trò Rf ta ñöôïc hoï ñaëc tính cô nhö sau: TN Rf1 Rf2 Rf3 0 MC n3 n2 n1 ncb n0 n M, I 0 < Rf1 < Rf2 < Rf3 ncb > n1 > n2 > n3 Hình 2. 5 Hoï ñaëc tính cô khi thay ñoåi ñieän trôû phuï treân maïch phaàn öùng. Nguyeân lyù ñieàu chænh toác ñoä baèng caùch thay ñoåi ñieän trôû phuï treân maïch phaàn öùng ñöôïc giaûi thích nhö sau: Giaû söû ñoäng cô ñang laøm vieäc xaùc laäp vôùi toác ñoä n1 ta ñoùng theâm Rf vaøo maïch phaàn öùng. Khi ñoù doøng ñieän phaàn öùng Iö ñoät ngoät giaûm xuoáng, coøn toác ñoä ñoäng cô do quaùn tính neân chöa kòp bieán ñoåi. Doøng Iö giaûm laøm cho moment ñoäng cô giaûm theo vaø toác ñoä giaûm xuoáng, sau ñoù laøm vieäc xaùc laäp taïi toác ñoä n2 vôùi n2 > n1. Phöông phaùp ñieàu chænh toác ñoä naøy chæ coù theå ñieàu chænh toác ñoä n < ncb. Treân thöïc teá khoâng theå duøng bieán trôû ñeå ñieàu chænh neân phöông phaùp naøy seõ cho nhöõng toác ñoä nhaûy caáp töùc ñoä baèng phaúng g xa 1 töùc n1 caùch xa n2, n2 caùch xa n3… Khi giaù trò nmin caøng tieán gaàn ñeán 0 thì phaïm vi ñieàu chænh: D = ncb/nmin » ¥. Trong thöïc teá, Rf caøng lôùn thì toån thaát naêng löôïng phuï taêng. Khi ñoäng cô laøm vieäc ôû toác ñoä n = ncb/2 thì toån thaát naøy chieám töø 40% ñeán 50%. Cho neân, ñeå ñaûm baûo tính kinh teá cho heä thoáng ta chæ ñieàu chænh sao cho phaïm vi ñieàu chænh: D = ( 2 ® 3 )/1. Khi giaù trò Rf caøng lôùn thì toác ñoä ñoäng cô caøng giaûm. Ñoàng thôøi doøng ñieän ngaén maïch In vaø moment ngaén maïch Mn cuõng giaûm. Do ñoù, phöông phaùp naøy ñöôïc duøng ñeå haïn cheá doøng ñieän vaø ñieàu chænh toác ñoä döôùi toác ñoä cô baûn. Vaø tuyeät ñoái khoâng ñöôïc duøng cho caùc ñoäng cô cuûa maùy caét kim loaïi. Nhaän xeùt: Phöông phaùp ñieàu chænh toác ñoä baèng caùch thay ñoåi ñieän trôû phuï treân maïch phaàn öùng chæ cho nhöõng toác ñoä nhaûy caáp vaø nhoû hôn ncb. * Öu ñieåm: Thieát bò thay ñoåi raát ñôn giaûn, thöôøng duøng cho caùc ñoäng cô cho caàn truïc, thang maùy, maùy naâng, maùy xuùc, maùy caùn theùp. * Nhöôïc ñieåm: Toác ñoä ñieàu chænh caøng thaáp khi giaù trò ñieän trôû phuï ñoùng vaøo caøng lôùn, ñaëc tính cô caøng meàm, ñoä cöùng giaûm laøm cho söï oån ñònh toác ñoä khi phuï taûi thay ñoåi caøng keùm. Toån hao phuï khi ñieàu chænh raát lôùn, toác ñoä caøng thaáp thì toån hao phuï caøng taêng. V. ÑIEÀU CHÆNH TOÁC ÑOÄ BAÈNG CAÙCH REÕ MAÏCH PHAÀN ÖÙNG: Ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø ñoäc laäp khi ñieàu chænh toác ñoä baèng caùch reõ maïch phaàn öùng coù sô ñoà nguyeân lyù nhö sau: Iö IS In Rn RS · · · · · · - + · CKÑ RKÑ E U Hình 2. 6 Sô ñoà nguyeân lyù phöông phaùp ñieàu chænh toác ñoä baèng caùch reõ maïch phaàn öùng. Moät heä thoáng khi ñieàu chænh caàn toác ñoä nhoû hôn ncb vaø ñieàu chænh nhaûy caáp. Heä thoáng coù ñoä cöùng töông ñoái lôùn vaø thieát bò vaän haønh ñôn giaûn thì ngöôøi ta duøng phöông phaùp reõ maïch phaàn öùng hay coøn goïi laø phaân maïch. Theo phöông phaùp reõ maïch phaàn öùng thì phaàn öùng ñoäng cô noái song song vôùi ñieän trôû vaø noái noái tieáp vôùi moät ñieän trôû khaùc. Phöông phaùp naøy gioáng vôùi phöông phaùp thay ñoåi ñieän trôû treân maïch phaàn öùng nhöng ñieän aùp phaàn öùng laïi khoâng thay ñoåi. Do ñoù, phöông phaùp naøy ñoøi hoûi phaûi: - Ñieän aùp ñaët vaøo phaàn öùng ñoäng cô khoâng thay ñoåi. - Vì doøng kích töø khoâng thay ñoåi neân khi ñieàu chænh toác ñoä, töø thoâng khoâng ñoåi laøm cho moment phuï taûi cho pheùp ñöôïc giöõ khoâng ñoåi vaø baèng trò soá ñònh möùc. Ta coù phöông trình ñaëc tính cô: Töø phöông trình treân, ta nhaän thaáy toác ñoä ñoäng cô nÑ < ncb. Maët khaùc ta coù: Ñoä cöùng cuûa ñöôøng ñaëc tính cô reõ maïch phaàn öùng bPM nhoû hôn ñoä cöùng cuûa ñaëc tính cô töï nhieân bTN nhöng laïi lôùn hôn ñoä cöùng cuûa ñaëc tính cô coù ñieän trôû phuï bRf vôùi ñieän trôû phuï chính laø Rn. Ñeå ñieàu chænh toác ñoä ñoäng cô trong tröôøng hôïp naøy ta tieán haønh nhö sau: * Giöõ nguyeân Rn, thay ñoåi giaù trò RS: Ta coù hoï ñaëc tính cô nhö sau: TN n n0 n3 n2 n1 I IA MC RS = 0 RS = ¥ RS2 RS1 · RS1 < RS2 n1 < n2 - Khi RS = 0: Ñaây laø traïng thaùi haõm ñoäng naêng vôùi toác ñoä haõm ñoäng naêng nHÑN = 0. Hình 2. 7 Hoï ñaëc tính cô khi Rn = const, RS thay ñoåi. Nhö vaäy, khi giöõ nguyeân Rn, thay ñoåi giaù trò RS thì vuøng ñieàu chænh toác ñoä bò haïn cheá vaø modun ñoä lôùn ñaëc tính cô taêng daàn khi toác ñoä giaûm. * Giöõ nguyeân RS, thay ñoåi giaù trò Rn: - Khi Rn = 0: RS khoâng aûnh höôûng ñeán ñöôøng ñaëc tính cô. Luùc naøy ta xem RS nhö laø taûi noái song song vôùi ñoäng cô. Ta coù ñöôïc ñöôøng ñaëc tính cô töï nhieân. Hình 2.8 Hoï ñaëc tính cô khi RS = const, Rn thay ñoåi. n1 n2 ncb I TN ( RN = 0 ) MC Rn = 0 IB n Rn1 Rn2 n0 0 < Rn1 < Rn2 < Rn = ¥ n2 < n1 < ncb - Khi Rn = ¥: Ñoäng cô ñieän bò hôû maïch neân khoâng coù ñieän aùp rôi treân phaàn öùng ñoäng cô. Ñaây laø traïng thaùi haõm ñoäng naêng vôùi RHÑN = RS. Ta coù : IB = Uñm/RS. Ta coù hoï ñaëc tính cô nhö sau: Vaäy, khi giöõ nguyeân RS vaø thay ñoåi Rn thì phaïm vi ñieàu chænh khoâng bò haïn cheá nhö tröôøng hôïp treân. Nhöng khi toác ñoä giaûm xuoáng thì ñoä cöùng ñöôøng ñaëc tính cô laïi bò giaûm xuoáng. * Ngoaøi ra coøn coù phöông phaùp thay ñoåi ñoàng thôøi giaù trò cuûa RS vaø Rn: Phöông phaùp naøy thöôøng ñöôïc söû duïng trong thöïc teá. So vôùi phöông phaùp ñieàu chænh baèng caùch thay ñoåi ñieän trôû phuï treân maïch phaàn öùng ta nhaän thaáy: Khi toác ñoä vaø moment ñoäng cô nhö nhau nghóa laø khi coâng suaát cô nhö nhau doøng ñieän nhaän töø löôùi trong sô ñoà reõ maïch phaàn öùng luoân luoân lôùn hôn trong sô ñoà ñieàu chænh baèng ñieän trôû phuï treân maïch phaàn öùng moät löôïng baèng doøng ñieän chaïy qua RS. Phöông phaùp naøy chæ duøng cho caàn truïc, caàu truïc, thang maùy, maùy caùn theùp. Ñoàng thôøi tuyeät ñoái khoâng duøng cho maùy caét kim loaïi. Nhaän xeùt: Phöông phaùp ñieàu chænh toác ñoä baèng caùch reõ maïch phaàn öùng thì ñieàu chænh toác ñoä nhaûy caáp vaø cho nhöõng toác ñoä nhoû hôn ncb. * Öu ñieåm: - Vôùi cuøng moät toác ñoä yeâu caàu thì ñoä cöùng cuûa ñöôøng ñaëc tính cô phaân maïch coù ñoä cöùng lôùn hôn ñaëc tính cô duøng ñieän trôû phuï treân maïch phaàn öùng. - Thieát bò vaän haønh ñôn giaûn. * Nhöôïc ñieåm: - Phöông phaùp naøy duøng tieáp ñieåm ñeå ñoùng caét ñieän trôû neân ñoä tinh chænh khoâng cao, ñieàu chænh toác ñoä coù caáp, phaïm vi ñieàu chænh: D = ( 2 ® 3 )/1. - Do toån thaát coâng suaát trong sô ñoà naøy khaù lôùn neân phaïm vi öùng duïng bò haïn cheá. Phöông phaùp naøy chæ aùp duïng cho ñoäng cô coù coâng suaát nhoû, thôøi gian laøm vieäc ngaén vôùi toác ñoä thaáp. VI. ÑIEÀU CHÆNH TOÁC ÑOÄ BAÈNG HEÄ THOÁNG MAÙY PHAÙT - ÑOÄNG CÔ ( F - Ñ ): VI. 1 Sô ñoà nguyeân lyù: Vôùi nhöõng heä thoáng ñieàu chænh toác ñoä voâ caáp, phaïm vi ñieàu chænh toác ñoä töông ñoái roäng. Caàn nhöõng toác ñoä lôùn hôn hay nhoû hôn so vôùi toác ñoä cô baûn vaø caàn ñieàu chænh lieân tuïc nhö truyeàn ñoäng chính cuûa moät soá maùy baøo giöôøng coù naêng suaát thaáp, truyeàn ñoäng quay truïc caùn theùp coù coâng suaát trung bình vaø nhoû, truyeàn ñoäng ñuùc oáng trong phöông phaùp ñuùc lieân tuïc… thì ngöôøi ta duøng heä thoáng F - Ñ coù sô ñoà nguyeân lyù nhö sau: - + CD1 Iö PñmC IKF RKF CKF · · · · · · · · · · · 2 IKÑ RKÑ CKÑ 1 CD2 UK RKK CKK Pñ~ Pcô2 Pcô1 UÑ ÑSC n U1; f1 K F CCSX Ñ Hình 2. 9 Sô ñoà nguyeân lyù heä thoáng maùy phaùt – ñoäng cô. Trong ñoù: - ÑSC: Ñoäng cô sô caáp, cung caáp ñoäng löïc cho toaøn heä thoáng. Nhaän coâng suaát ñieän xoay chieàu, bieán ñoåi ñieän naêng thaønh cô naêng keùo maùy phaùt F vaø maùy phaùt kích thích K. ÑSC coù theå laø ñoäng cô noå, ñoäng cô ñieän tuøy thuoäc vaøo chæ tieâu kyõ thuaät cuûa heä thoáng. - F: Maùy phaùt moät chieàu kích thích ñoäc laäp, cung caáp tröïc tieáp nguoàn moät chieàu cho phaàn öùng ñoäng cô. - Ñ: Ñoäng cô ñieän moät chieàu kích töø ñoäc laäp keùo cô caáu saûn xuaát ( CCSX ), laø ñoái töôïng caàn ñieàu chænh toác ñoä trong phaïm vi töông ñoái nhoû. - K: Maùy phaùt kích thích, thöïc chaát laø maùy phaùt ñieän moät chieàu ñaëc bieät coù töø dö lôùn neân coù khaû naêng töï kích. Phaùt ra ñieän moät chieàu UK cung caáp cho maïch kích thích maùy phaùt CKF vaø kích thích cuûa ñoäng cô CKÑ. VI. 2 Nguyeân lyù hoaït ñoäng: Ñeå khôûi ñoäng heä thoáng F - Ñ ta tieán haønh caùc böôùc nhö sau: - Môû taát caû caùc caàu dao CD1, CD2. - Ñieàu chænh bieán trôû ôû maïch kích thích cuûa ñoäng cô RKÑ ôû trò soá cöïc tieåu sao cho FÑmax vaø ñieàu chænh bieán trôû ôû maïch kích thích cuûa maùy phaùt RKF ôû trò soá cöïc ñaïi sao cho FFmin. - Ñoùng caàu dao CD1 ( luùc naøy CD2 vaãn hôû ) khôûi ñoäng ñoäng cô ÑSC. Ñoäng cô ÑSC seõ quay vaø ñôïi cho toác ñoä oån ñònh. ÑSC quay laøm cho maùy phaùt F vaø maùy phaùt kích thích K quay. - Ñoùng caàu dao CD2 ñeå choïn chieàu quay cho ñoäng cô laø thuaän hay ngöôïc. Luùc naøy coù FF nhöng raát beù seõ laøm cho EF beù neân UÑ = EF – IöRöF beù. Ñoäng cô seõ khôûi ñoäng vaø quay vôùi toác ñoä thaáp. - Ñeå taêng daàn ñieän aùp ñaët vaøo ñoäng cô, ta ñieàu chænh bieán trôû RKF giaûm daàn veà trò soá cöïc tieåu ( taêng doøng kích töø cuûa maùy phaùt ), do ñoù, doøng Iö taêng daàn, ñoäng cô taêng toác ñoä cho ñeán khi ñaït ñeán ncb. Quaù trình khôûi ñoäng ñeán ñaây laø chaám döùt. - Ñeå ngöøng truyeàn ñoäng ta ñieàu chænh RKF taêng daàn ñeå giaûm doøng kích thích cuûa maùy phaùt laøm cho ñieän aùp phaùt ra cuûa maùy phaùt UF giaûm. Do ñoù, toác ñoä cuûa ñoäng cô giaûm xuoáng vaø ngöøng haún vaøo luùc UF = 0. Sau ñoù môû caàu dao CD2 döøng ñoäng cô ÑSC. Muoán thay ñoåi chieàu quay cuûa ñoäng cô ta gaït caàu dao CD2 sang vò trí 2. Vôùi heä thoáng F - Ñ ta coù theå ñieàu chænh toác ñoä theo hai höôùng nhö sau: * Ñeå cho nÑ < ncb: Ñieàu chænh bieán trôû RKF cuûa maùy phaùt ñaït giaù trò cöïc ñaïi ñeå giaûm doøng kích töø cuûa maùy phaùt laøm cho UF giaûm, toác ñoä ñoäng cô giaûm xuoáng ñaït nÑ < ncb. Goïi DUÑ: Phaïm vi ñieàu chænh baèng caùch thay ñoåi ñieän aùp ñaët leân phaàn öùng ñoäng cô. Ta coù: DUÑ = ncb/nmin = 10/1. * Ñeå cho nÑ > ncb : Ta giöõ UF ôû trò soá ñònh möùc vaø ñieàu chænh bieán trôû RKÑ ñaït giaù trò cöïc ñaïi ñeå giaûm töø thoâng kích thích cuûa ñoäng cô. Luùc naøy toác ñoä cuûa ñoäng cô taêng leân ñaït nÑ > ncb. Goïi DFÑ: Phaïm vi ñieàu chænh toác ñoä baèng caùch thay ñoåi töø thoâng cuûa ñoäng cô. Ta coù: DFÑ = nmax/ncb = 3/1. Keát hôïp hai phöông phaùp ñieàu chænh laø giaûm ñieän aùp ñaët vaøo phaàn öùng ñoäng cô UÑ vaø giaûm töø thoâng FÑ ta ñöôïc phaïm vi ñieàu chænh chung: D = DUÑDFÑ = nmax/nmin = 30/1. VI. 3 Thaønh laäp phöông trình ñaëc tính cô cuûa heä thoáng F - Ñ: Phöông trình ñaëc tính cô toång quaùt: Phöông trình caân baèng söùc ñieän ñoäng cuûa maùy phaùt: UÑ = EF – IöRöF Thay vaøo phöông trình ñaëc tính cô ta ñöôïc: Ñaây laø phöông trình ñaëc tính toác ñoä cuûa heä thoáng.  Thay Iö = M / KMFÑ vaøo phöông trình ñaëc tính toác ñoä ta ñöôïc phöông trình ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô trong heä thoáng F - Ñ nhö sau: Töø phöông trình ñaëc tính cô cuûa heä thoáng ta nhaän thaáy: ÖÙng vôùi moãi höôùng ñieàu chænh toác ñoä ñoäng cô khaùc nhau ( lôùn hay nhoû hôn so vôùi toác ñoä cô baûn ) ta seõ coù nhöõng hoï ñaëc tính ñieàu chænh khaùc nhau nhö ñaõ trình baøy ôû treân. n’3 n’2 n’1 RKF ­ RKÑ ­ ncb n2 n1 UÑ ¯ FÑ ¯ F3 F2 F1 U1 U2 Uñm, Fñm n M 0 MC Hình 2. 10 Hoï ñaëc tính cô ñieàu chænh trong heä thoáng F - Ñ. VI. 4 Ñaùnh giaù heä thoáng F - Ñ: VI. 4. a Öu ñieåm: - Heä thoáng naøy coù theå ñieàu chænh toác ñoä voâ caáp, phaïm vi ñieàu chænh roäng: D = ( 10 ® 30 )/1 bôûi vì quaù trình ñieàu chænh ñöôïc thöïc hieän baèng maïch kích thích cuûa maùy phaùt vaø ñoäng cô. Coù theå duøng phöông phaùp bieán trôû. - Heä thoáng coù söï chuyeån ñoåi traïng thaùi laøm vieäc raát linh hoaït, khaû naêng quaù taûi lôùn neân thöôøng ñöôïc söû duïng ôû caùc maùy khai thaùc trong coâng nghieäp nhoû. VI. 4. b Nhöôïc ñieåm: - Duøng 4 maùy ñeå quay neân khi laøm vieäc seõ gaây tieáng oàn lôùn, chieám nhieàu dieän tích ñeå ñaët maùy. Ñoàng thôøi toång coâng suaát ñaët vaøo heä thoáng F - Ñ quaù lôùn: Gaáp 3 laàn so vôùi yeâu caàu neân voán ñaàu tö lôùn. - Hieäu suaát hoaït ñoäng cuûa heä thoáng töông ñoái thaáp: h = Pcô2/Pñ~ < 0,75 - Ñaëc tính cô doác neân khi coù dao ñoäng ôû phuï taûi thì theå hieän roõ hôn nöõa. - Ngoaøi ra, do caùc maùy phaùt moät chieàu coù töø dö, ñaëc tính töø hoùa coù treå neân khoù ñieàu chænh saâu toác ñoä. VI. 4. c Nhaän xeùt: Vôùi heä thoáng F - Ñ voøng hôû nhö treân, ta khoâng theå thöïc hieän vieäc oån ñònh toác ñoä ñoäng cô laø nhieäm vuï caàn thieát ñoái vôùi caùc heä thoáng truyeàn ñoäng nhaèm naâng cao chaát löôïng saûn phaåm ñöôïc gia coâng treân maùy, naâng cao chaát löôïng kyõ thuaät cuûa moät qui trình coâng ngheä maø maùy saûn xuaát tham gia hoaëc naâng cao naêng suaát cuûa maùy. Ñeå thöïc hieän nhieäm vuï ñoù, ta thöôøng duøng caùc heä thoáng F-Ñ coù khueách ñaïi maùy ñieän duøng phaûn hoài voøng kín. Trong caùc heä thoáng naøy, caùc boä khueách ñaïi maùy ñieän seõ sö ûduïng caùc lieân heä phaûn hoài, nghóa laø ñöa moät tín hieäu ñaàu ra cuûa heä thoáng quay trôû laïi ñaàu vaøo cuûa noù. Tín hieäu ñaàu ra coù theå laø ñieän aùp, doøng ñieän trong maïch chính hoaëc toác ñoä quay cuûa ñoäng cô. Tín hieäu ñaàu vaøo laø söùc töø ñoäng cuûa khueách ñaïi maùy ñieän. Caùc khueách ñaïi maùy ñieän thöôøng duøng hieän nay laø maùy kích töø nhieàu cuoän daây ñieàu chænh ñöôïc, khueách ñaïi maùy ñieän töï kích vaø khueách ñaïi maùy ñieän töø tröôøng giao truïc. VII. HEÄ THOÁNG KHUEÁCH ÑAÏI MAÙY ÑIEÄN – ÑOÄNG CÔ: VII. 1 Khueách ñaïi maùy ñieän ( KÑMÑ ): KÑMÑ laø maùy phaùt moät chieàu ñaëc bieät. Coù 2 loaïi KÑMÑ: - KÑMÑ töï kích. - KÑMÑ töø tröôøng giao truïc. VII. 1. a Khueách ñaïi maùy ñieän töï kích: Laø loaïi maùy phaùt ñieän moät chieàu ñaëc bieät. Maïch töø ñöôïc laøm baèng theùp kyõ thuaät caùn nguoäi neân coù töø trôû nhoû vaø ñaëc tính töø treã heïp. Heä thoáng kích töø coù töø 3 ñeán 4 cuoän daây: - Moät cuoän laøm kích töø ñoäc laäp ( kích töø chính ) ñaët ñieän aùp moät chieàu vaøo vaø duøng ñeå ñieàu khieån söùc ñieän ñoäng phaùt ra cuûa phaàn öùng maùy ñieän. - Moät cuoän laøm nhieäm vuï töï kích, laáy ñieän aùp phaùt ra hai ñaàu phaàn öùng hoaëc doøng ñieän treân maïch phaàn öùng quay trôû laïi töï kích. - Caùc cuoän coøn laïi duøng ñeå thöïc hieän caùc phaûn hoài trong heä thoáng. Sô ñoà nguyeân lyù KÑMÑ töï kích: * KÑMÑ töï kích theo ñieän aùp ( töï kích song song ): Ung R1 CK1 CK3 CK4 CK2 F1 F2 R2 UKÑMÑ · · · · · · · · + · - · KÑM ÑTK Hình 2. 11 Sô ñoà nguyeân lyù KÑMÑ töï kích song song.  * KÑMÑ töï kích theo doøng ñieän ( töï kích noái tieáp ): IKÑMÑ R2 F2 CK2 CK3 CK4 F1 UKÑMÑ Ung R1 CK1 - · + · · · · · · · · KÑM ÑTK Hình 2. 12 Sô ñoà nguyeân lyù KÑMÑ töï kích noái tieáp. Nhôø cuoän töï kích maø ñieän aùp phaùt ra cuûa KÑMÑ ñöôïc naâng cao so vôùi maùy phaùt thoâng thöôøng. Döïa vaøo ñaëc tính volt-ampe cuûa KÑMÑ ta thaáy: UñmKÑMÑ = Uñm1 + Uñm2 CK2 CK1 IK Iñm1 Uñm1 Uñm2 UñmKÑMÑ UKÑMÑ Hình 2. 13 Ñaëc tính volt-ampe cuûa heä thoáng KÑMÑ. Khi coù theâm CK2 thì U taêng leân moät löôïng Uñm2. Heä soá coâng suaát: KP = Pfö/PKT = UKÑMÑIKÑMÑ/UKIK = haøng traêm/1. VII. 1 Khueách ñaïi maùy ñieän töø tröôøng giao truïc: Laø maùy phaùt moät chieàu ñaëc bieät: - Maïch töø laøm baèng theùp kyõ thuaät ñieän caùn nguoäi, cöïc töø daïng aån. - Phaàn kích coù töø 3 ñeán 4 cuoän daây: . Moät cuoän laøm kích thích chính ( kích töø ñoäc laäp ) taïo ra töø tröôøng chính. . Moät cuoän laøm nhieäm vuï buø. . Caùc cuoän coøn laïi duøng ñeå thöïc hieän phaûn hoài trong truyeàn ñoäng. - Treân coå goùp ñaët hai caëp choåi than coù truïc vuoâng goùc nhau. Trong ñoù, moät caëp ñöôïc noái taét vôùi nhau coøn moät caëp ñeå laáy ñieän aùp ra. MFI ; KPI MFII ; KPII UKÑMÑ F2 F1 R1 CK1 I1 I2 · · - · + · E1 E2 Ung Hình 2. 14 Sô ñoà töông ñöông KÑMÑ töø tröôøng giao truïc. Ñöùng veà maët khueách ñaïi ta coù theå xem KÑMÑ töø tröôøng giao truïc töông ñöông vôùi hai maùy phaùt ñieän laøm vieäc keá tieáp nhau vaø coù sô ñoà nguyeân lyù nhö treân. Heä soá khueách ñaïi: KP = KPIKPII = UKÑMÑI2/UKIK. Ñaây laø loaïi maùy ñieän coù heä soá khueách ñaïi cao nhaát, KP coù giaù trò haøng ngaøn laàn. VII. 2 Khueách ñaïi maùy ñieän töï kích – ñoäng cô duøng phaûn hoài aâm toác ñoä: U1~, f1 · · · R3 ÑSC Ung UÑ CK3 CK2 R2 F2 F3 F1 + · - · · · - + · · · KÑM ÑTK CKÑ RKÑ Ñ CCSX FT n R1 CK1 VII. 2. a Sô ñoà nguyeân lyù: Hình 2. 15 Sô ñoà nguyeân lyù khueách ñaïi maùy ñieän töï kích – ñoäng cô duøng phaûn hoài aâm toác ñoä. Trong ñoù: - Pñm cuûa ñoäng cô £ 5KW. - CK1: Cuoän kích thích chuû ñaïo ( kích töø ñoäc laäp ), sinh ra söùc töø ñoäng F1. - CK2: Cuoän töï kích thích, sinh ra söùc töø ñoäng F2 cuøng chieàu vôùi F1. - R2: Ñieàu chænh heä soá töï kích. Giaù trò R2 caøng nhoû thì heä soá töø kích caøng lôùn vaø ngöôïc laïi. - CK3: Cuoän phaûn hoài aâm toác ñoä ( tín hieäu ñöa veà ñeå khöû F1 ), sinh ra söùc töø ñoäng F3 ngöôïc chieàu F1. VII. 2. b Nguyeân lyù hoaït ñoäng: Ta coù: F3 = I3WCK3 EFT: Söùc ñieän ñoäng cuûa maùy phaùt ño toác ñoä FT. Laø maùy phaùt moät chieàu ñaëc bieät ñöôïc cheá taïo vôùi maïch töø baûo hoøa raát saâu ñeå töø thoâng naøy phaùt ra hoaøn toaøn baèng haèng soá neân söùc ñieän ñoäng phaùt ra cuûa maùy phaùt tyû leä baäc nhaát vôùi toác ñoä. Do ñoù, khi ñoïc söùc ñieän ñoäng ngöôøi ta bieát ñöôïc toác ñoä theo moái quan heä: EFT = KEfFTnFT = KEfFTn. Vì maïch töø baõo hoøa saâu neân fFT xem nhö laø haèng soá neân EFT tyû leä thuaän vôùi nFT. Töø caùc bieåu thöùc treân, ta nhaän thaáy khi R3 = const thì: F3 ~ I3 ~ EFT ~ n. Vì vaäy F3 ~ n. Söùc töø ñoäng cuûa KÑMÑ: FT = F1 + F2 + F3. Heä thoáng naøy coù khaû naêng ñieàu chænh toác ñoä theo hai höôùng: * Ñeå cho n > ncb: Ta giaûm töø thoâng baèng caùch taêng giaù trò RKÑ. * Ñeå cho n < ncb: Ta giaûm ñieän aùp ñaët leân phaàn öùng cuûa ñoäng cô UÑ thoâng qua ñieàu chænh giaûm giaù trò R1. Ngoaøi ra, khi ñieàu chænh R2 ñeå thay ñoåi heä soá töï kích nghóa laø thay ñoåi ñoä cöùng cuûa ñöôøng ñaëc tính cô. Thöïc chaát quaù trình naøy laø naâng cao ñoä cöùng cuûa ñöôøng ñaëc tính cô ñeå ñaït ñöôïc toác ñoä cao nhaát khi ñoäng cô ñöôïc môû roäng leân. Ñoàng thôøi nhôø phaûn hoài aâm toác ñoä maø ñoäng cô coù khaû naêng laøm vieäc vôùi toác ñoä thaáp hôn ncb/10, nghóa laø coù theå môû roäng theâm toác ñoä thaáp vaø cao neân ta ñöôïc phaïm vi ñieàu chænh lôùn: D = ( 40 ® haøng traêm )/1. Heä thoáng naøy coù khaû naêng oån ñònh toác ñoä khi phuï taûi thay ñoåi nhôø khaâu phaûn hoài aâm toác ñoä: Khi ñoäng cô ñang laøm vieäc vôùi phuï taûi Mc vaø toác ñoä ñaït yeâu caàu nyc. Vì lyù do naøo ñoù, moment phuï taûi ñaët leân truïc ñoäng cô thay ñoåi, khaùc nyc thì nhôø quaù trình phaûn hoài aâm toác ñoä heä thoáng seõ töï ñoäng oån ñònh toác ñoä ñaït nyc. Quaù trình töï ñoäng naøy ñöôïc giaûi thích nhö sau: Giaû söû khi Mc taêng seõ laøm cho nÑ giaûm < nyc. Maø khi n giaûm ® EFT giaûm ® I3 giaûm ® F3 giaûm ® FT = F1 + F2 + F3 taêng ® EKÑMÑ taêng ® UÑ taêng ® n taêng ñaït ñeán nyc. Vaø khi Mc giaûm thì quaù trình seõ töï ñoäng xaûy ra theo chieàu ngöôïc laïi ñeå toác ñoä ñoäng cô ñaït nyc. TN M n MC MC1 n0 nyc n1 Hình 2. 16 Ñaëc tính cô cuûa heä thoáng khueách ñaïi maùy ñieän töï kích – ñoäng cô duøng phaûn hoài aâm toác ñoä. VII. 2. c Nhaän xeùt: * Öu ñieåm: Duøng sai soá toác ñoä quay trôû laïi ñieàu khieån heä thoáng ñeå töï ñoäng oån ñònh toác ñoä ( khaâu phaûn hoài tröïc tieáp ). Vieäc tính toaùn khaâu phaûn hoài aâm toác ñoä tieán haønh raát ñôn giaûn, tieän lôïi. * Nhöôïc ñieåm: Duøng maùy phaùt toác ñoä neân giaù thaønh cuûa heä thoáng cao.  VII. 3 Heä thoáng khueách ñaïi maùy ñieän töø tröôøng giao truïc – ñoäng cô duøng phaûn hoài döông doøng ñieän vaø phaûn hoài aâm ñieän aùp: VII. 3. a Sô ñoà nguyeân lyù: U1~, f1 · · · · · · · · - + · + · - · ÑSC R1 CK1 CK3 CK2 Ung UfhI UfhU Iö R3 R4 UÑ R2 F2 F3 CKÑ RKÑ CCSX Ñ KÑMÑTTGT F1 n Hình 2. 17 Sô ñoà nguyeân lyù heä thoáng khueách ñaïi maùy ñieän töø tröôøng giao truïc – ñoäng cô duøng phaûn hoài döông doøng ñieän vaø phaûn hoài aâm ñieän aùp. Trong ñoù: - CK1: Cuoän kích thích chuû ñaïo, sinh ra söùc töø ñoäng F1. - CK2: Cuoän phaûn hoài döông doøng ñieän, sinh ra söùc töø ñoäng F2 cuøng chieàu vôùi F1. - CK3: Cuoän phaûn hoài aâm ñieän aùp, sinh ra söùc töø ñoäng F3 ngöôïc chieàu vôùi F1. VII. 3. b Nguyeân lyù hoaït ñoäng: Ta coù: . F2 = I2WCK2 Vôùi: Neáu cho R2 = const thì ta ñöôïc: F2 ~ I2 ~ UfhI ~ Iö Þ F2 ~ Iö. . F3 = I3WCK3 Vôùi: Khi giöõ cho R3 = const thì ta ñöôïc: F3 ~ I3 ~ UfhU ~ UÑ Þ F3 ~ UÑ. Töông töï nhö heä thoáng KÑMÑ töï kích – ñoäng cô duøng phaûn hoài aâm toác ñoä, heä thoáng naøy cuõng coù khaû naêng ñieàu chænh toác ñoä theo hai höôùng lôùn hay nhoû hôn so vôùi ncb. Heä thoáng naøy coù khaû naêng môû roäng phaïm vi ñieàu chænh, töï ñoäng oån ñònh toác ñoä nhôø phaûn hoài döông doøng ñieän vaø phaûn hoài aâm toác ñoä. Giaû söû: Khi heä thoáng laøm vieäc vôùi phuï taûi Mc vaø toác ñoä ñaït nyc. Khi Mc taêng ® n giaûm nhoû so vôùi nyc, luùc ñoù heä thoáng seõ: Mc taêng ® M taêng ( moment ñoäng cô taêng ñeå caân baèng vôùi phuï taûi ) ® Iö taêng ® F2 taêng. Khi Iö taêng ® DUKÑMÑ = IöRöKÑKÑ taêng ® UÑ = EKÑMÑ – DUKÑMÑ giaûm ® FT = F1 + F2 + F3 taêng ® EKÑMÑ taêng ® UÑ taêng ® n seõ taêng ñaït nyc. Khi Mc giaûm thì quaù trình xaûy ra theo chieàu ngöôïc laïi. VII. 3. c Nhaän xeùt: * Öu ñieåm: Söû duïng thieát bò ñôn giaûn (chæ duøng caùc ñieän trôû R2, R3, R4) neân giaù thaønh thaáp. * Nhöôïc ñieåm: Vieäc tính toaùn thieát keá phoái hôïp giöõa hai khaâu phaûn hoài naøy ñeå oån ñònh toác ñoä laø khaù phöùc taïp (khaâu phaûn hoài giaùn tieáp). VII. 3 Nhaän xeùt heä thoáng khueách ñaïi maùy ñieän – ñoäng cô: VII. 3. a Öu ñieåm: Ngoaøi nhöõng öu ñieåm cuûa caùc heä thoáng F - Ñ voøng hôû nhö: - Phaïm vi ñieàu chænh toác ñoä roäng vôùi ñoä chính xaùc vaø tin caäy cao. - Khôûi ñoäng maùy eâm. - Coù khaû naêng haõm taùi sinh, traû naêng löôïng laïi cho löôùi ñieän. - Toån hao naêng löôïng khi ñieàu chænh toác ñoä vaø môû maùy thaáp. Caùc heä thoáng KÑMÑ – ñoäng cô voøng kín coøn coù nhöõng öu ñieåm: - Coù khaû naêng töï ñoäng oån ñònh toác ñoä ñoäng cô khi phuï taûi thay ñoåi. - Coù khaû naêng taêng tính oån ñònh toác ñoä cuûa heä thoáng nhôø khaâu oån ñònh. - Coù heä soá khueách ñaïi coâng suaát lôùn. VII. 4. b Nhöôïc ñieåm: Heä thoáng KÑMÑ – ñoäng cô coù nhöõng nhöôïc ñieåm töông töï nhö heä thoáng F - Ñ: - Duøng nhieàu maùy ñieän vôùi toång coâng suaát laép ñaët lôùn do ñoù ñoøi hoûi giaù thaønh cao. - Hieäu suaát hoaït ñoäng thaáp. - Dieän tích laép ñaët maùy roäng vaø ñoøi hoûi neàn moùng chaéc chaén neân phí toån vaän haønh lôùn. - Gaây tieáng oàn lôùn. VIII. HEÄ THOÁNG KHUEÁCH ÑAÏI TÖØ - ÑOÄNG CÔ: VIII. 1 Sô ñoà nguyeân lyù: Khueách ñaïi töø ( KÑT ) hay coøn goïi laø boä bieán ñoåi van töø, laø toå hôïp cuûa khaùng baõo hoøa vôùi chænh löu khoâng ñieàu khieån. KÑT ñöôïc duøng ñeå laøm boä ñieàu chænh doøng ñieän vaø ñieän aùp trong caùc heä thoáng ñieàu khieån, ñieàu chænh vaø kieåm tra töï ñoäng. Trong caùc maùy naâng vaän chuyeån, KÑT thöôøng ñöôïc duøng laøm maùy kích thích cho caùc maùy phaùt trong heä thoáng F - Ñ. Ñoái vôùi maùy caét goït kim loaïi, KÑT thöôøng ñöôïc duøng keát hôïp vôùi chænh löu diode baùn daãn ñeå cung caáp cho phaàn öùng ñoäng cô moät chieàu vôùi sô ñoà nguyeân lyù nhö sau: U1~, f1 ( a ) CKÑ RKÑ BA V0 Wlv · + · - Wñk Uñk · · · · · · · · - · · + Ñ U1~, f1 BA · · · · · Wñk V0 Uñk · + · - · - + · · · · · · · · Ñ CKÑ RKÑ Wlv ( b ) Hình 2. 18 Sô ñoà nguyeân lyù heä thoáng KÑT – ñoäng cô. a). Tia ba pha. b). Caàu ba pha. Trong caùc sô ñoà naøy, maùy bieán aùp BA coù chöùc naêng bieán ñoåi giaù trò ñieän aùp cho phuø hôïp vôùi yeâu caàu cuûa ñoäng cô. Taïo ra soá pha hoaëc ñieåm trung tính cho phuø hôïp vôùi sô ñoà chænh löu neáu caàn vaø naâng cao heä soá coâng suaát cuûa heä. Caùc van khoâng ñieàu khieån Vo duøng ñeå bieán ñoåi doøng ñieän xoay chieàu thaønh moät chieàu vaø taïo ra thaønh phaàn doøng ñieän töï töø hoùa cho KÑT. Cuoän khaùng baõo hoøa KBH duøng ñeå ñieàu chænh giaù trò söùc ñieän ñoäng cuûa boä bieán ñoåi. VIII. 2 Nguyeân lyù hoaït ñoäng: Trong heä thoáng KÑT – ñoäng cô, toác ñoä ñoäng cô ñöôïc ñieàu chænh baèng caùch thay ñoåi trò soá trung bình cuûa söùc ñieän ñoäng chænh löu baèng caùch bieán ñoåi doøng ñieän ñieàu khieån, töùc laø bieán ñoåi möùc ñoä baõo hoøa cuûa maïch töø. u2 + · - · · · Iñk Uñk Wñk Rt V0 ( a ) B H +BS -BS B0 ( b ) Ñeå ñôn giaûn trong vieäc khaûo saùt nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa heä thoáng naøy, ta taùch ra moät trong ba pha töø caùc sô ñoà treân vaø giaû thuyeát raèng ñaëc tính töø treã cuûa loõi theùp coù daïng lyù töôûng. Hình 2. 19 a). Sô ñoà nguyeân lyù moät pha cuûa boä bieán ñoåi. b). Daïng ñaëc tính töø treã lyù töôûng cuûa loõi theùp. Ta coù: u2 = U2msinwt = iRt + XK ( di / dwt ) Trong ñoù: XK coù giaù trò thay ñoåi theo traïng thaùi töø hoùa cuûa loõi theùp. Luùc ñaàu, loõi theùp ñöôïc töø hoùa coá ñònh nhôø cuoän ñieàu khieån Wñk ñeán moät giaù trò B0 naøo ñoù trong phaïm vi ( -BS £ B0 £ +BS ). * ÔÛ baùn kyø döông cuûa nguoàn u2: doøng ñieän thuaän ñi qua V0 töø hoùa loõi cuoän khaùng, laøm cho bieân ñoä töø caûm bieán thieân. Luùc naøy, vì loõi theùp chöa baõo hoøa neân XK raát lôùn, nguoàn chuû yeáu rôi treân cuoän khaùng coøn giaù trò iRt » 0. Ta coù: u2 = U2msinwt = iRt + XK ( di/dwt ) = NlvwS ( dB / dt ) Vôùi ñieàu kieän ban ñaàu: t = 0, B = B0, giaûi phöông trình naøy ta ñöôïc: B = B0 + Bm ( 1 - coswt ) Trong ñoù: - Bieân ñoä töø caûm: Bm = U2m/WNlvS - Nlv: Soá voøng daây cuûa cuoän laøm vieäc. - S : Dieän tích tieát dieän loõi cuûa cuoän khaùng. - w : Taàn soá goác cuûa doøng ñieän. Khi loõi theùp baõo hoøa, ta coù XK = 0. Do ñoù, toaøn boä nguoàn aùp chæ ñaët leân taûi. Khi ñoù: u2 = U2msinwt = iRt = ub Vôùi ub laø ñieän aùp ra cuûa boä bieán, töùc laø ñieän aùp ñaët treân taûi. * ÔÛ baùn kyø aâm cuûa nguoàn u2: V0 ngöng daãn, doøng ñieän töø hoùa khoâng coù neân loõi theùp bò khöû töø bôûi cuoän ñieàu khieån Wñk vaø ñoä töø caûm B seõ giaûm daàn veà giaù trò ban ñaàu B0, ñieän aùp treân taûi ub » u2 = 0. Giaù trò trung bình cuûa ñieän aùp chænh löu ñöôïc xaùc ñònh theo coâng thöùc: Trong ñoù: - p: Soá laàn ñaäp maïch trong boä chænh löu. - a: Goùc baõo hoøa - BS: Töø caûm baõo hoøa. Neáu ta choïn Bm = BS thì a = arccos ( B0/BS ). Luùc naøy giaù trò trung bình cuûa ñieän aùp._.