Tài liệu Trang bị điện trong máy chương 3

CH¦¥NG 3 §IÒU CHØNH TèC §é TRUYÒN §éNG §IÖN 3.1 ðặt vấn ñề ðiều chỉnh tốc ñộ là một trong những nội dung chính của truyền ñộng ñiện tự ñộng nhằm ñáp ứng yêu cầu công nghệ của máy sản xuất. ðiều chỉnh tốc ñộ truyền ñộng ñiện là dùng những phương pháp thuần túy ñiện, tác ñộng lên bản thân hệ thống truyền ñộng ñiện (nguồn và ñộng cơ ñiện) ñể thay ñổi tốc ñộ quay của trục ñộng cơ ñiện. Tốc ñộ làm việc của truyền ñộng ñiện do công nghệ yêu cầu và ñược gọi là tốc ñộ ñặt, hay tốc ñộ mong muốn. Trong quá trình làm việc, tốc ñộ của ñộng cơ thường bị thay ñổi do sự biến thiên của tải, của nguồn và do ñó gây ra sai lệch tốc ñộ thực so với tốc ñộ ñặt. Trong các hệ truyền ñộng ñiện tự ñộng thường dùng các phương pháp khác nhau ñể ổn ñịnh tốc ñộ ñộng cơ, ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ ñể có ñược tốc ñộ mong muốn. ðiều chỉnh tốc ñộ một ñộng cơ ñiện khác với việc tự thay ñổi tốc ñộ của ñộng cơ ñó. Ví dụ: Một ñộng cơ ñiện một chiều kích từ ñộc lập ñang làm việc tại ñiểm làm việc A trên ñặc tính cơ 1 ứng với mômen cản MA. ðặc tính cơ 1 ứng với ñiện áp ñặt vào ñộng cơ là U1. Vì một lý do nào ñó, mômen cản tăng lên (MT>MA) làm ñộng cơ bị giảm tốc ñộ. ðiểm làm việc sẽ dịch chuyển theo ñoạn AT về phía tốc ñộ giảm. Nhưng tốc ñộ càng giảm thì dòng ñiện phần ứng Iư càng tăng và mômen càng tăng. Tới ñiểm T thì mômen ñộng cơ sinh ra bằng mômen cản (Mð=MT). ðộng cơ sẽ làm việc ổn ñịnh tại ñiểm T với tốc ñộ thấp hơn (ωT<ωA) và dòng phần ứng lớn hơn, ñộng cơ nóng hơn. ðây là hiện tượng tự thay ñổi tốc ñộ của ñộng cơ ñiện, ñiểm làm việc của ñộng cơ dịch chuyển trên cùng một ñường ñặc tính cơ. ω ω0 ω'0 ωD A B T D MB MA 1 U1 2 U2 MT M Hình 3.1 - Sự thay ñổi tốc ñộ ñộng cơ khi tải thay ñổi và sự ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ ứng với cùng một mômen tải Ở ví dụ trên, nếu mômen cản vẫn giữ nguyên giá trị MA, ñộng cơ ñang làm việc ổn ñịnh tại ñiểm A trên ñặc tính cơ 1, ta giảm ñiện áp phần ứng từ U1 xuống U2 (ñặc tính cơ tương ứng là 2). Do quán tính cơ, ñộng cơ chuyển ñiểm làm việc từ ñiểm A trên ñường 1 sang ñiểm B trên ñường 2 với cùng một tốc ñộ ωA. Mômen của ñộng cơ tại ñiểm B nhỏ hơn mômen cản A (MB ωI. ðiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều kích từ ñộc lập bằng biện pháp thay ñổi ñiện áp phần ứng có các ñặc ñiểm sau: - ðiện áp phần ứng càng giảm, tốc ñộ ñộng cơ càng nhỏ. - ðiều chỉnh trơn trong toàn bộ dải ñiều chỉnh. - ðộ cứng ñặc tính cơ giữ không ñổi trong toàn bộ dải ñiều chỉnh. GV: Lê Tiến Dũng. Bộ môn TðH_Khoa ðiện 48 - ðộ sụt tốc tuyệt ñối trên toàn dải ñiều chỉnh ứng với một mômen là như nhau. ðộ sụt tốc tương ñối sẽ lớn nhất tại ñặc tính cơ thấp nhất của dải ñiều chỉnh. Do vậy, sai số tốc ñộ tương ñối (sai số tĩnh) của ñặc tính cơ thấp nhất không vượt quá sai số cho phép cho toàn dải ñiều chỉnh. - Dải ñiều chỉnh của phương pháp này có thể: D ~ 10:1. - Chỉ có thể ñiều chỉnh tốc ñộ về phía giảm (vì chỉ có thể thay ñổi với Uư ≤ Uñm). - Phương pháp ñiều chỉnh này cần một bộ nguồn ñể có thể thay ñổi trơn ñiện áp ra. 3.3.3 ðiều chỉnh tốc ñộ bằng cách thay ñổi từ thông Muốn thay ñổi từ thông ñộng cơ, ta tiến hành thay ñổi dòng ñiện kích từ của ñộng cơ qua một ñiện trở mắc nối tiếp ở mạch kích từ. Rõ ràng phương pháp này chỉ cho phép tăng ñiện trở vào mạch kích từ, nghĩa là chỉ có thể giảm dòng ñiện kích từ (Ikt ≤ Iktñm) do ñó chỉ có thể thay ñổi về phía giảm từ thông. Khi giảm từ thông, ñặc tính dốc hơn và có tốc ñộ không tải lớn hơn. Họ ñặc tính giảm từ thông như hình 3.5. + Ikt Iu KT§ Rkt § E ω ω ωo2 ωo2 ωo1 ωo1 ωo®m ωo®m φ2 φ1 φ®m I o I nm o MC M Hình 3.5 - ðiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ ñiện một chiều kích từ ñộc lập bằng phương pháp thay ñổi từ thông kích từ. Phương pháp ñiều chỉnh tốc ñộ bằng thay ñổi từ thông có các ñặc ñiểm sau: - Từ thông càng giảm thì tốc ñộ không tải lý tưởng của ñặc tính cơ càng tăng, tốc ñộ ñộng cơ càng lớn. - ðộ cứng ñặc tính cơ giảm khi giảm từ thông. D ~ 3:1. - Có thể ñiều chỉnh trơn trong dải ñiều chỉnh: - Chỉ có thể ñiều chỉnh thay ñổi tốc ñộ về phía tăng. GV: Lê Tiến Dũng. Bộ môn TðH_Khoa ðiện 49 - Do ñộ dốc ñặc tính cơ tăng lên khi giảm từ thông nên các ñặc tính sẽ cắt nhau và do ñó, với tải không lớn (M1) thì tốc ñộ tăng khi từ thông giảm. Còn ở vùng tải lớn (M2) tốc ñộ có thể tăng hoặc giảm tùy theo tải. Thực tế, phương pháp này chỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so với ñịnh mức. - Phương pháp này rất kinh tế vì việc ñiều chỉnh tốc ñộ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ là (1÷10)% dòng ñịnh mức của phần ứng. Tổn hao ñiều chỉnh thấp. Thường khi ñiều chỉnh từ thông thì ñiện áp phần ứng ñược giữ nguyên bằng giá trị ñịnh mức, do ñó ñặc tính cơ thấp nhất trong vùng ñiều chỉnh từ thông chính là ñặc tính có ñiện áp phần ứng ñịnh mức, từ thông ñịnh mức và ñược gọi là ñặc tính cơ bản (ñôi khi chính là ñặc tính tự nhiên của ñộng cơ). Tốc ñộ lớn nhất của dải ñiều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp ñiện. Khi giảm từ thông ñể tăng tốc ñộ quay của ñộng cơ thì ñồng thời ñiều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu ñi, vì vậy ñể ñảm bảo ñiều kiện chuyển mạch bình thường cần phải giảm dòng ñiện phần ứng cho phép, kết quả là mômen cho phép trên trục ñộng cơ giảm rất nhanh. Ngay cả khi giữ nguyên dòng ñiện phần ứng thì ñộ cứng ñặc tính cơ cũng giảm rất nhanh khi giảm từ thông kích thích. 3.4 Các hệ thống ñiều chỉnh tốc ñộ truyền ñộng ñiện một chiều 3.4.1 Hệ truyền ñộng máy phát - ñộng cơ (F - ð) 3.4.1.1 Hệ F - ð ñơn giản Hệ thống máy phát - ñộng cơ (F-ð) là hệ truyền ñộng ñiện mà BBð ñiện là máy phát ñiện một chiều kích từ ñộc lập. Máy phát này thường do ñộng cơ sơ cấp không ñồng bộ 3 pha quay và coi tốc ñộ quay của máy phát là không ñổi. K CKK §K F § CKF CK§ §Tr R KF T N N R K§ T Hình 3.7 - Hệ truyền ñộng F-ð ñơn giản. Trong sơ ñồ: - ð : Là ñộng cơ ñiện một chiều kéo cơ cấu sản xuất, cần phải ñiều chỉnh tốc ñộ. - F : Là máy phát ñiện một chiều, ñóng vai trò là BBð, cấp ñiện cho ñộng cơ ð. GV: Lê Tiến Dũng. Bộ môn TðH_Khoa ðiện 50 - ðTr : ðộng cơ KðB 3 pha kéo máy phát F, có thể thay thế bằng một nguồn năng lượng khác. - K : Máy phát tự kích, ñể cấp nguồn ñiện cho các cuộn kích từ CKF và CKð. ðiện áp ra của bộ biến ñổi cấp cho ñộng cơ ð: uF = uð = EF - I.RưF = K.φF.ωðTr - I.RưF Khi ta thay ñổi giá trị của biến trở RKF thì sẽ làm cho dòng ñiện qua cuộn kích từ CKF thay ñổi, do ñó từ thông kích từ φF của máy phát thay ñổi (giảm), dẫn ñến ñiện áp uF thay ñổi, do ñó tốc ñộ ñộng cơ ð thay ñổi: ω < ωcb. Như vậy, bằng cách ñiều chỉnh biến trở RKF, ta ñiều chỉnh ñiện áp phần ứng ñộng cơ ð trong khi giữ từ thông không ñổi: φð = φñm. Khi thay ñổi giá trị của biến trở RKð ta có thể thay ñổi từ thông kích từ ñộng cơ ð. Khi φð giảm thì tốc ñộ ñộng cơ ð tăng: ω < ωcb. Trong khi ñiều chỉnh từ thông φð, ta giữ ñiện áp phần ứng ñộng cơ không ñổi: Uưð = Uñm. ðảo chiều: Cặp tiếp ñiểm T ñóng hoặc N ñóng, dòng ñiện kích từ máy phát ICKF ñảo chiều, do ñó ñảo chiều từ thông φF, do ñó UF ñảo dấu, dẫn ñến ω ñảo chiều. Khi thực hiện hãm thì ñộng cơ ð sẽ qua 2 giai ñoạn hãm tái sinh: + Tăng φð về ñịnh mức. + Giảm ñiện áp phần ứng ñộng cơ về 0. Nhận xét về hệ F-ð: - Ưu ñiểm: + ðiều chỉnh tốc ñộ ñơn giản, ít tốn năng lượng vì chỉ thực hiện trong mạch kích từ. + Dễ dàng ñảo chiều quay bằng cách ñảo chiều từ thông máy phát hoặc ñảo chiều từ thông ñộng cơ. Tuy nhiên trong thực tế thường dùng cách ñảo chiều từ thông máy phát vì không thể ñể φð = 0 (ω → ∞). - Nhược ñiểm: + Nhược ñiểm quan trọng nhất của hệ F-ð là dùng nhiều máy ñiện quay, trong ñó ít nhất là 2 máy ñiện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp ñặt máy ít nhất gấp 3 lần công suất ñộng cơ chấp hành, dẫn ñến giá thành tăng, hiệu suất thấp. + Ngoài ra, do các máy phát một chiều có từ dư, ñặc tính từ hóa có trễ nên khó ñiều chỉnh sâu tốc ñộ. Phạm vi ñiều chỉnh tốc ñộ: D = Du.Dφ = 10.(2÷3)/1 = (20 ÷ 30)/1 Phạm vi ñiều chỉnh tốc ñộ bị chặn dưới bởi ñiện áp dư Udư. Bị chặn trên bởi giới hạn cơ học. Khi dòng kích từ ICKF = 0 thì UF = Udư ≠ 0, do ñó tồn tại giá trị tốc ñộ ω ≠ 0. Vì vậy ñể giảm nhanh tốc ñộ ñộng cơ về 0 ta phải thực hiện hãm ñộng năng. 3.4.1.2 Hệ F - ð có phản hồi âm áp, dương dòng. Cuộn kích từ của máy phát F ñược cấp ñiện bởi một máy ñiện khuếch ñại từ trường ngang MKð. Máy ñiện khuếch ñại MKð có 4 cuộn kích từ: CCð, CFA, CFD, COð. GV: Lê Tiến Dũng. Bộ môn TðH_Khoa ðiện 51 BA CKF MK§ § F Rα CPF CP§ CFA FA CFD FD CO§ FO§ CC§ FC§ U C§ Hình 3.8 - Hệ truyền ñộng F-ð có phản hồi âm áp, dương dòng. + CCð: Gọi là cuộn chủ ñạo hay cuộn ñiều khiển, ñược cấp ñiện từ nguồn một chiều ổn ñịnh. ðiện áp ñặt vào cuộn này thay ñổi ñược nhờ biến trở RCð. ðiện áp này tạo ra sức từ ñộng FCð ñịnh giá trị sức ñiện ñộng máy phát, cũng là ñiện áp ñặt lên ñộng cơ, do ñó quyết ñịnh tốc ñộ ñặt ñộng cơ. + CFA: Là cuộn phản hồi âm áp. Cuộn CFA nối song song với ñiện trở Rα (là một phần của ñiện trở R1). Khi hệ F-ð làm việc thì trên R1 có ñiện áp tỉ lệ với UF, do ñó dòng ñiện trên cuộn CFA cũng tỉ lệ với ñiện áp máy phát: ICFA ~ UF, do ñó FA ~ UF. Chiều của FA ngược với chiều của FCð, vì vậy cuộn CFA gọi là cuộn phản hồi âm áp. + CFD: Là cuộn phản hồi dương dòng. Cuộn CFD nối song song với 2 cuộn phụ của máy phát và ñộng cơ: CPF & CPð. Khi hệ F-ð làm việc thì tổng sụt áp trên CPF & CPð là: ∆U = Rcf.I. Trong ñó: Rcf = RCPF + RCPð là tổng trở của 2 cuộn phụ, I là dòng ñiện ñi qua ñộng cơ. Do ñó sức từ ñộng của cuộn CFD tỉ lệ với dòng ñiện qua ñộng cơ: FCFD ~ ∆U hay FCFD ~ I, FCFD cùng chiều với FCð. Vì vậy cuộn CFD ñược gọi là cuộn phản hồi dương dòng. + COð: Là cuộn ổn ñịnh hay cuộn phản hồi mềm. Cuộn COð lấy dòng trên thứ cấp máy biến áp BA, sơ cấp của BA nối song song với máy phát. Khi hệ thống ở chế ñộ tĩnh thì trong cuộn sơ cấp không có phản ứng. Khi hệ thống ở chế ñộ ñộng, dòng ñiện biến thiên, trong máy biến áp BA có tín hiệu, cuộn COð xuất hiện dòng ñiện, sinh ra sức từ ñộng FOð. Chiều của FOð có xu hướng chống lại sự biến thiên ñó, làm cho hệ nhanh chóng ổn ñịnh. Phản hồi này gọi là phản hồi mềm. Sức từ ñộng tổng kích từ của bộ khuếch ñại Kð là: FΣ = FCð - FCFA + FCFD ± FOð Ở chế ñộ tĩnh thì FOð = 0. GV: Lê Tiến Dũng. Bộ môn TðH_Khoa ðiện 52 Giả sử ñộng cơ ñang làm việc ổn ñịnh ở một tốc ñộ nào ñó, vì một nguyên nhân khách quan nào ñó làm cho ñộng cơ nặng tải, tốc ñộ của ñộng cơ giảm xuống, dòng ñiện qua ñộng cơ tăng lên (I = uF − u§ ), vì thế FCFD tăng, FCFA giảm, dẫn ñến sức từ ñộng tổng FΣ tăng, do ñó UF tăng làm RΣ tốc ñộ ñộng cơ lại tăng lên bù lại phần sụt giảm tốc ñộ. Phương trình ñặc tính cơ - ñiện: ω = K1.UCð - K1.[Ru - f(Rcf, Ru § ,R−F,α) = ω0 - ∆ω Muốn cho hệ ổn ñịnh thì ta phải có ∆ω → 0. Do ñó cần chỉnh ñịnh giá trị α sao cho f(Rcf, Ru § ,R−F,α) → R−. Trong ñó: α= Rα R1 * Khi nghiên cứu mạch từ người ta thường dùng khái niệm sức từ ñộng (F) và từ trở. Những khái niệm ñó ñược ñưa ra trên cơ sở sau ñây: Từ thông ñược miêu tả bằng công thức: φ = µaHS, và cường ñộ từ trường bằng H = Iw/l. Vậy có thể viết: φ = µaIwS/l. Nếu cùng chia tử số và mẫu số cho µaS thì ta có:  l   φ = Iw.  µ S  a  −1 Trong công thức trên Iw gọi là sức từ ñộng F. Cũng giống như trong mạch ñiện, dòng ñiện tỉ lệ với sức ñiện ñộng còn trong mạch từ, từ thông tỉ lệ với sức từ ñộng. ðại lượng l µa S ñứng ở mẫu số gọi là từ trở RM, và toàn bộ công thức trên gọi là ñịnh luật Ôm ñối với mạch từ: φ= F RM µa : ðộ từ thẩm của mạch từ. *MÁY ðIỆN KHUẾCH ðẠI TỪ TRƯỜNG NGANG: Máy ñiện khuếch ñại từ trường ngang (MKðN) về thực chất cũng là máy phát ñiện một chiều nhưng có các cấu tạo ñặc biệt: - Stato có nhiều cuộn kích từ trong ñó có cuộn chủ ñạo, các cuộn phản hồi và luôn có cuộn bù. - Roto có 4 chổi than trong ñó cặp chổi than 1 và 2 nối ngắn mạch với nhau, gọi là cặp chổi than ngang trục. Cặp chổi than 3 và 4 gọi là cặp chổi than dọc trục, cấp ñiện áp ra của máy ñiện khuếch ñại MKðN. Nguyên lý làm việc của máy ñiện khuếch ñại từ trường ngang MKðN như sau: Khi cuộn kích từ chính ñược cấp ñiện một chiều thì một từ trường φF (giả sử hướng xuống như ở hình vẽ) ñược tạo ra. Các dây dẫn rotor ñược kéo quay với tốc ñộ ωF trong từ trường φF sẽ cảm ứng một s.ñ.ñ E1 (s.ñ.ñ ngang trục) và trong cuộn dây phần ứng sẽ có một dòng ñiện I1 ñược tạo ra, khép kín mạch qua cặp chổi than ngắn mạch 1-2. Chiều dòng ñiện I1 ñược xác ñịnh theo quy tắc bàn tay phải. GV: Lê Tiến Dũng. Bộ môn TðH_Khoa ðiện 53 Vì ñiện trở ngắn mạch giữa 2 chổi than 1-2 rất nhỏ nên I1 khá lớn và hệ số khuếch ñại lần thứ nhất K1 của máy lớn. CB + I2 3 ωF Rc φb UMK§N φd 1 φF Rt 2 φn I1 4 _ U®k φF KT Dòng ñiện I1 chạy trong cuộn dây phần ứng sẽ sinh ra từ trường ngang trục φn hướng sang phải(xác ñịnh theo quy tắc vặn nút chai hay ñinh vít thuận) và ñến lượt từ trường ngang trục φn này làm xuất hiện trong cuộn dây phần ứng quay trong nó một s.ñ.ñ E2 (s.ñ.ñ dọc trục). S.ñ.ñ E2 lớn hơn nhiều so với E1. Nếu MKðN ñược nối tải bên ngoài Rt qua 2 chổi than 3-4 thì trong cuộn dây phần ứng sẽ có dòng ñiện phụ tải I2 mà chiều xác ñịnh theo quy tắc bàn tay phải. ðây là tầng khuếch ñại thứ 2 của MKðN với hệ số khuếch ñại K2. Vậy về nguyên lý có thể xem MKðN tương ñương với hai máy phát ñiện nối tầng với nhau thành 2 cấp khuếch ñại như mạch ñẳng trị ở hình vẽ: K1 I1 φF KT I2 φn E1 E2 Rt K2 GV: Lê Tiến Dũng. Bộ môn TðH_Khoa ðiện 54 Hệ số khuếch ñại của MKðN là: K = K1.K2 (Có thể ñạt tới hàng vạn). Các s.ñ.ñ E1, E2 và các dòng ñiện I1, I2 thực ra ñều ñược sinh ra trong một cuộn dây phần ứng. Dòng I2 (dòng tải) trong cuộn dây phần ứng lại tạo ra một từ trường dọc trục φd ngược chiều với từ trường chính φF và làm từ trường chính suy giảm, dẫn ñến s.ñ.ñ máy phát bị giảm. Dòng tải I2 càng tăng, từ trường dọc trục φd càng lớn và từ trường chính càng bị giảm nhiều dẫn ñến s.ñ.ñ của máy phát bị tụt thấp. ðó là ñiều không mong muốn. ðể hạn chế hoặc trừ khử từ trường φd này người ta ñặt thêm một cuộn dây ở stato của MKðN và gọi là cuộn bù CB. Cuộn bù ñược mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng và sẽ tạo ra một từ trường φb ngược chiều với từ trường dọc trục φd ñể hạn chế hoặc trừ khử ảnh hưởng của từ trường này. Vì dòng tải I2 cũng là dòng qua cuộn bù CB nên khi tải tăng thì φb cũng tăng ñể khử kịp sự tăng của φd theo dòng tái. ðể ñiều chỉnh ñược từ trường bù φb theo tải, cuộn bù CB ñược nối song song với một biến trở phân mạch RC. Do có hệ số khuếch ñại lớn, MKðN ñược dùng nhiều trong các hệ truyền ñộng ñể ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ một chiều trong phạm vi rộng với ñộ ổn ñịnh tốc ñộ cao và quán tính ñiện từ nhỏ. 3.4.1.3 Hệ F - ð có phản hồi âm tốc ñộ ðộng cơ ð ñược cấp ñiện từ máy ñiện khuếch ñại từ trường ngang MðKð. RC CB BA 4 M§K§ § 2 1 3 FT CDA FO§ CFT FFT CC§ FC§ UC§ Hình 3.9 - Hệ truyền ñộng F-ð có phản hồi âm tốc ñộ. Máy phát tốc FT ñược nối trục với ñộng cơ ð. ðiện áp ra: UFT = K.ω, ñiện áp này tạo ra sức từ ñộng: FFT = c.ω. Sức từ ñộng tổng: FΣ = FCð - c.ω ± FOð Máy phát tốc ñược sử dụng rộng rãi vì nó không liên quan về mặt ñiện với mạch ñộng lực và có nhiều kiểu tín hiệu ra. GV: Lê Tiến Dũng. Bộ môn TðH_Khoa ðiện 55 3.4.2 Hệ truyền ñộng khuếch ñại từ - ñộng cơ (KðT - ð) Khuếch ñại từ là khí cụ ñiện mà tín hiệu ñầu ra ñược khuếch ñại nhờ sự thay ñổi ñiện kháng bằng cách thay ñổi dòng ñiều khiển. Sơ ñồ nguyên lý của một khuếch ñại từ ñơn giản ñược trình bày ở hình 3.10. IT ZT ~ WT W®k I ®k = R XC Hình 3.10 - Khuếch ñại từ. Trên mạch từ không có khe hở không khí ñược quấn hai cuộn dây: cuộn ñiều khiển (w®k) và cuộn tải (wT). Cuộn dây wT ñược ñấu nối tiếp với phụ tải và ñấu vào nguồn ñiện xoay chiều, còn cuộn dây w®k ñược nối nối tiếp với biến trở R , với ñiện kháng chặn XC (ñể hạn chế ảnh hưởng của dòng ñiện xoay chiều cảm ứng từ phía mạch xoay chiều) và nối với nguồn ñiện áp một chiều. Mạch từ bảo hòa ứng với trường hợp Iñk = Iñkñm là vùng giới hạn trên và trường hợp Iñk =0 là giới hạn dưới hoạt ñộng của khuếch ñại từ. Giữa hai vùng giới hạn trên, khi tăng dần Iñk thì dòng tải tăng dần từ I0 ñến ITñm. IT I T®m I0 I ®k Hình 3.11 - ðặc tính ñiều khiển của khuếch ñại từ. ðặc tính ñiều khiển của khuếch ñại từ ñược trình bày ở hình 3.11. Phương trình cơ bản của khuếch ñại từ lý tưởng là: IT.wT = Iñk.wñk Do ñó: I T = I dk w dk wT GV: Lê Tiến Dũng. Bộ môn TðH_Khoa ðiện 56 Với khuếch ñại từ lý tưởng, khi Iñk = 0 thì IT = 0, còn với khuếch ñại từ thực tế: Iñk =0 thì IT=I0. Vì công suất ñiều khiển bé hơn nhiều lần công suất xoay chiều nên ñược gọi là khuếch ñại từ. * HỆ TRUYỀN ðỘNG KHUẾCH ðẠI TỪ - ðỘNG CƠ: Khuếch ñại từ (KðT) hay còn gọi là bộ biến ñổi van từ, là tổ hợp của kháng bão hòa với chỉnh lưu không ñiều khiển. KðT ñược dùng ñể làm bộ ñiều chỉnh dòng ñiện và ñiện áp trong các hệ thống ñiều khiển, ñiều chỉnh và kiểm tra tự ñộng. Trong các máy nâng vận chuyển, KðT thường ñược dùng làm máy kích thích cho các máy phát trong hệ thống F - ð. ðối với máy cắt gọt kim loại, KðT thường ñược dùng kết hợp với chỉnh lưu diode bán dẫn ñể cung cấp cho phần ứng ñộng cơ một chiều. U1, f1 • BA • • • • • (a) • Wñk + Wlv • + CK Uñk • - V0 • Rkt • • - U1, f1 • • • • • BA Wlv Vo • • • Wñk • + • Uñk • • • • (b) + • CKð GV: Lê Tiến Dũng. Bộ môn TðH_Khoa ðiện Rkt • - 57 Trong các sơ ñồ này, máy biến áp BA có chức năng biến ñổi giá trị ñiện áp cho phù hợp với yêu cầu của ñộng cơ. Tạo ra số pha hoặc ñiểm trung tính cho phù hợp với sơ ñồ chỉnh lưu nếu cần và nâng cao hệ số công suất của hệ. Các van không ñiều khiển Vo dùng ñể biến ñổi dòng ñiện xoay chiều thành một chiều và tạo ra thành phần dòng ñiện tự từ hóa cho KðT. Trong hệ thống KðT – ñộng cơ, tốc ñộ ñộng cơ ñược ñiều chỉnh bằng cách thay ñổi trị số trung bình của sức ñiện ñộng chỉnh lưu bằng cách biến ñổi dòng ñiện ñiều khiển, tức là biến ñổi mức ñộ bão hòa của mạch từ. ðể ñơn giản trong việc khảo sát nguyên lý hoạt ñộng của hệ thống này, ta tách ra một trong ba pha từ các sơ ñồ trên và giả thuyết rằng ñặc tính từ trễ của lõi thép có dạng lý tưởng. • + • • Uñk - u2 B +BS Iñk Wñk • V0 H B0 (a) -BS a) Sơ ñồ nguyên lý một pha của bộ biến ñổi. b) Dạng ñặc tính từ trễ lý tưởng của lõi thép. Ta có: u2 = U2msinωt = iRt + Xk ( di / dωt ) Trong ñó: Xk có giá trị thay ñổi theo trạng thái từ hóa của lõi thép. Lúc ñầu, lõi thép ñược từ hóa cố ñịnh nhờ cuộn ñiều khiển Wñk ñến một giá trị B0 nào ñó trong phạm vi ( -BS ≤ B0 ≤ +BS ). * Ở bán kỳ dương của nguồn u2: Dòng ñiện thuận ñi qua V0 từ hóa lõi cuộn kháng, làm cho biên ñộ từ cảm biến thiên. Lúc này, vì lõi thép chưa bão hòa nên Xk rất lớn, nguồn chủ yếu rơi trên cuộn kháng còn giá trị iRt ≈ 0. Ta có: u2 = U2msinωt = iRt + Xk ( di/dωt ) = NlvωS ( dB / dt ) Với ñiều kiện ban ñầu: t = 0, B = B0, giải phương trình này ta ñược: B = B0 + Bm ( 1 - cosωt ) Trong ñó: - Biên ñộ từ cảm: Bm = U2m/WNlvS - Nlv: Số vòng dây của cuộn làm việc. - S : Diện tích tiết diện lõi của cuộn kháng. - ω : Tần số góc của dòng ñiện. Khi lõi thép bão hòa, ta có Xk = 0. Do ñó, toàn bộ nguồn áp chỉ ñặt lên tải. Khi ñó: u2=U2msinωt = iRt = ub GV: Lê Tiến Dũng. Bộ môn TðH_Khoa ðiện 58 Với ub là ñiện áp ra của bộ biến, tức là ñiện áp ñặt trên tải. * Ở bán kỳ âm của nguồn u2: V0 ngưng dẫn, dòng ñiện từ hóa không có nên lõi thép bị khử từ bởi cuộn ñiều khiển Wñk và ñộ từ cảm B sẽ giảm dần về giá trị ban ñầu B0, ñiện áp trên tải ub ≈ u2 = 0. Giá trị trung bình của ñiện áp chỉnh lưu ñược xác ñịnh theo công thức: U KDT p = 2π π ∫U α 2m sin ω td ω t = p U 2 m (1 + cos α ) 2π Trong ñó: - p: Số lần ñập mạch trong bộ chỉnh lưu. α = arccos(1 − BS − B0 ) Bm - α: Góc bão hòa - BS: Từ cảm bão hòa. Nếu ta chọn Bm = BS thì α = arccos ( B0/BS ). Lúc này giá trị trung bình của ñiện áp chỉnh lưu: UKðT = Um [ 1 + ( B0/BS )] = f ( B0 ).Với: Um = pU2m/2π Ta nhận thấy: Khi thay ñổi giá trị B0 từ –BS ñến +BS ta sẽ ñiều chỉnh ñược ñiện áp chỉnh lưu UKðT từ 0 ñến giá trị U2m( p/π ). Vì B0 là do dòng ñiều khiển Iñk tạo ra nên thực chất giá trị UKðT chính là hàm của Iñk: UKðT = f ( Iñk ). 3.4.3 Hệ truyền ñộng chỉnh lưu - ñộng cơ Các bộ biến ñổi dòng ñiện xoay chiều thành một chiều thực chất là các bộ chỉnh lưu (hay các bộ nắn ñiện) dùng ñể biến ñổi dòng ñiện xoay chiều thành dòng ñiện một chiều. Có rất nhiều sơ ñồ chỉnh lưu khác nhau ñược phân loại như sau: - Theo số pha có: Chỉnh lưu 1 pha, chỉnh lưu 3 pha... - Theo sơ ñồ nối có: Chỉnh lưu nửa chu kỳ, chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ, chỉnh lưu hình cầu, chỉnh lưu hình tia... - Theo sự ñiều khiển có: Chỉnh lưu không ñiều khiển, chỉnh lưu có ñiều khiển, chỉnh lưu bán ñiều khiển. 3.4.2.1 Giới thiệu Thyristor a) Chất bán dẫn: Về phương diện dẫn ñiện, các chất ñược chia thành 2 loại: Chất dẫn ñiện (có ñiện trở suất nhỏ) và chất không dẫn ñiện (có ñiện trở suất rất lớn). Chất không dẫn ñiện còn gọi là chất cách ñiện hay ñiện môi. Giữa hai loại chất này, có một loại chất trung gian mà ñiện trở suất của nó thay ñổi trong một giới hạn rộng và giảm mạnh khi nhiệt ñộ tăng (theo luật hàm mũ). Nói cách khác, chất này dẫn ñiện tốt ở nhiệt ñộ cao và dẫn ñiện kém hoặc không dẫn ñiện ở nhiệt ñộ thấp. ðó là chất bán dẫn. GV: Lê Tiến Dũng. Bộ môn TðH_Khoa ðiện 59 Trong bảng tuần hoàn Mendeleev, các nguyên tố bán dẫn chiếm vị trí trung gian giữa các kim loại và phi kim. ðiển hình là Ge, Si ... Hai nguyên tố Ge và Si trong bảng tuần hoàn ở phân nhóm IV, lớp ñiện tử ngoài cùng của Ge, Si có 4 ñiện tử (electron) và chúng liên kết ñồng hóa trị với nhau, tạo thành một mạng bền vững (hình a). Mạng liên kết bền vững Nếu trộn vào Ge một ít ñơn chất thuộc phân nhóm III, chẳng hạn In, thì do lớp ñiện tử ngoài cùng của In chỉ có 3 ñiện tử nên thiếu 1 ñiện tử ñể tạo ra cặp ñiện tử ñồng hóa trị. Nguyên tử In có thể sẽ lấy 1 ñiện tử của nguyên tử Ge lân cận và làm xuất hiện một lỗ trống dương. Ion Ge lỗ trống này lại có thể lấy 1 ñiện tử của nguyên tử Ge khác ñể trung hòa và biến nguyên tử Ge sau này thành một lỗ trống mới. Quá trình cứ thế tiếp diễn và bán dẫn Ge ñược gọi là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn dương: Bán dẫn P (Positive). Bán dẫn loại P Bán dẫn loại N Nếu trộn vào Ge một ít ñơn chất thuộc phân nhóm V, chẳng hạn As, thì do lớp ñiện tử ngoài cùng của As có 5 ñiện tử nên sau khi tạo 4 cặp ñiện tử ñồng hóa trị với 4 nguyên tử Ge xung quanh, thì As thừa ra 1 ñiện tử. ðiện tử này dễ dàng rời khỏi nguyên tử As và trở thành ñiện tử tự do. Bán dẫn Ge trở thành bán dẫn ñiện tử hay bán dẫn âm: Bán dẫn loại N (Negative). Khi nhiệt ñộ chất bán dẫn tăng hay bị ánh sáng chiếu vào thì chuyển ñộng của các phần tử mang ñiện mạnh lên nên chất bán dẫn sẽ dẫn ñiện tốt hơn. GV: Lê Tiến Dũng. Bộ môn TðH_Khoa ðiện 60 Các chất bán dẫn có thể là ñơn chất như B, C, si, Ge, S, Se..., các hợp chất như ZnS, CdSb, AlSb, Mg3SO2, các oxyt như Al2O3, Cu2O, ZnO, SiO2 ..., các sulfua như ZnS, CdS, Ag2S .v.v. Hiện nay, các chất bán dẫn ñược ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và ñời sống. b) Tính chất dẫn ñiện một chiều của lớp tiếp xúc P-N Khi ghép 2 lớp bán dẫn P và N lại với nhau thì tại chỗ 2 mặt ghép giáp nhau sẽ hình thành một lớp tiếp xúc P - N (Ký hiệu J -Junction). Quá trình xảy ra như sau: Tại chỗ ghép, các ñiện tử âm tự do từ bán dẫn N chuyển sang bán dẫn P, chúng tái hợp với các lỗ trống và trở nên trung hòa về ñiện. Phía bán dẫn P, do mất lỗ trống nên chúng trở thành mang ñiện âm. Phía bán dẫn N, do mất ñiện tử nên trở thành mang ñiện dương. Do vậy, một ñiện trường E0 ở lớp tiếp xúc P-N ñược hình thành và hướng từ N sang P. ðiện trường này như một bức rào ngăn không cho lỗ trống từ P tiếp tục sang N và ñiện tử từ N sang P. Nếu nối P-N với một nguồn ñiện một chiều ñể tạo ra sự phân cực thuận, tức là cực dương của nguồn nối với bán dẫn P, cực âm của nguồn nối với bán dẫn N thì có một ñiện trường ngoài (do nguồn ngoài tạo ra) hướng từ P sang N, mạnh hơn E0 và ngược hướng E0. ðiện trường này giúp lỗ trống dương tiếp tục từ P sang N và ñiện tử tiếp tục từ N sang P tạo ra dòng ñiện thuận Ith ñi qua lớp tiếp xúc P-N. Nếu nối P-N ñể tạo ra sự phân cực ngược, tức là cực dương của nguồn nối với bán dẫn N, cực âm của nguồn nối với bán dẫn P thì ñiện trường ngoài sẽ hướng từ N sang P cùng chiều với ñiện trường lớp tiếp xúc E0. ðiện trường này cùng với ñiện trường E0 cản trở sự chuyển dịch của các lỗ trống từ P sang N và ñiên tử tự do từ N sang P nên dòng ñiện không tạo ra ñược. Trên thực tế, vẫn có một dòng ñiện rất nhỏ qua lớp tiếp xúc khi phân cực ngược gọi là dòng ñiện ngược hay dòng ñiện rò.Vậy lớp tiếp xúc P-N có một tính chất ñặc biệt là chỉ cho dòng ñiện chạy qua khi phân cực thuận và ngăn cản không cho dòng ñiện chạy qua khi phân cực ngược. Tính chất này có ñược là do ñiện trường lớp tiếp xúc E0 hướng từ N sang P. ðiện trường E0 tạo ra một bức rào thế. GV: Lê Tiến Dũng. Bộ môn TðH_Khoa ðiện 61 c) ðiôt: ðiôt là linh kiện bán dẫn gồm 2 miếng bán dẫn P và N ghép lại với nhau. ðầu nối với bán dẫn P gọi là Anôt (A), ñầu nối với bán dẫn N gọi là Katôt (K). Ith 2 1 A K N P A Ungmax 4 Uth 0 3 Un 5 K Ing Hình 3.12 - Cấu tạo, ký hiệu và ñặc tính Vôn-Ampe của ñiôt. ðặc tính Vôn-Ampe của ñiôt biểu thị mối quan hệ I(U) giữa dòng ñiện qua ñiôt và ñiện áp ñặt vào 2 cực của ñiôt. ðặc tính Vôn-Ampe tĩnh của ñiôt có 2 nhánh. Nhánh thuận ứng với ñiện áp thuận (sơ ñồ nối mạch ở góc I), dòng ñiện ñi qua ñiôt tăng theo ñiện áp. Khi ñiện áp ñặt vào ñiôt vượt một ngưỡng Un cỡ 0,1V ÷ 0,5V và chưa lớn lắm thì ñặc tính có dạng parabol (ñoạn 1). Khi ñiện áp lớn hơn thì ñặc tính gần như ñường thẳng (ñoạn 2). Nhánh ngược ứng với ñiện áp phân cực ngược (sơ ñồ nối mạch ở góc III). Lúc ñầu, ñiện áp ngược tăng thì dòng ñiện ngược (dòng ñiện rò) rất nhỏ cũng tăng nhưng rất chậm (ñoạn 3). Tới ñiện áp ngược |U| > Ung.max thì dòng ñiện ngược tăng nhanh (ñoạn khuỷu 4) và cuối cùng (ñoạn 5) thì ñiôt bị ñánh thủng. Lúc này dòng ñiện ngược tăng vọt dù có giảm ñiện áp. ðiện áp này gọi là ñiện áp chọc thủng. ðể ñảm bảo an toàn cho ñiôt, ta nên ñể ñiôt làm việc với ñiện áp ngược ~ 0,8Ung.max. Với Ung < 0,8Ung.max thì dòng ñiện rò qua ñiôt nhỏ không ñáng kể và ñiôt coi như ở trạng thái khóa. Từ ñặc tính V-A của ñiôt có thể thấy ñiôt (do tính chất ñặc biệt của lớp tiếp xúc P-N) chỉ cho dòng ñiện chảy qua từ Anôt sang Katôt khi phân áp thuận và không cho dòng ñiện chảy qua từ Katôt sang Anôt khi phân cực ngược. Hay nói cách khác, tuỳ theo ñiều kiện phân áp mà ñiôt có thể dẫn dòng hay không dẫn dòng. ðiôt là một van bán dẫn. Tính chất này ñược sử dụng ñể chỉnh lưu (nắn) dòng ñiện xoay chiều thành một chiều. d) Tiristor: Tiristor là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn pnpn liên tiếp nhau tạo nên Anôt, Katôt và cực ñiều khiển G (hình vẽ). J1 A + P1 J2 N1 J3 P2 N2 K - A K G G Hình 3.13 - Cấu tạo và ký hiệu của Tiristor. GV: Lê Tiến Dũng. Bộ môn TðH_Khoa ðiện 62