Đề tài Thiết kế hệ thống truyền động ăn dao máy doa ngang 2620 dùng hệ Chỉnh lưu – động cơ một chiều

Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với các thầy giáo, cô giáo trong Khoa Điện – trường Đại học SPKT Vinh đã dạy dỗ và trang bị cho em những kiến thức chuyên ngành quý giá trong những năm học vừa qua. Đặc biệt là Th.S Vũ Anh Tuấn - Người đã trực tiếp hướng dẫn em thực hiện đề tài này. Qua đây em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình. Do trình độ và thời gian nghiên cứu có hạn chế, nên không tránh khỏi những thiếu sót, nhược điểm. Vì vậy, em rất mong nhận được sự quan tâm, đóng góp ý kiến một cách thẳng thắn, chân thành của các thầy, cô giáo trong Khoa và độc giả để đề tài ngày càng hoàn thiện, đầy đủ, có ý nghĩa cả trong lý luận và ngoài thực tiễn. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn! Vinh, ngày 30 tháng 3 năm 2011. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Thắm DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ TRONG ĐỒ ÁN Hình 1-1: Hình dạng bên ngoài của máy doa 11 DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT TT KÝ HIỆU NỘI DUNG Đ Động cơ ĐB Đồng bộ BBĐ Bộ biến đổi STĐ Sức từ động MFT Máy phát tốc MBA Máy biến áp BAX Biến áp xung KĐTG Khuếch đại trung gian KĐTT Khuếch đại thuật toán MĐKĐ Máy điện khuếch đại MỤC LỤC PHẦN I: GIỚI THIỆU VỀ MÁY DOA NGANG 2620A 10 1. Chức năng, công dụng của máy doa 10 2. Phân loại máy doa 10 3. Kết cấu của máy doa 2620A 11 4. Đặc điểm công nghệ 11 5. Yêu cầu đối với truyền động điện máy doa 12 5.1. Truyền động chính 12 5.2. Truyền động ăn dao 12 5.3. Thông số kỹ thuật 12 6. Các chế độ vận hành của máy 13 7. Các yêu cầu trang bị điện cho truyền động ăn dao của máy doa 2620A 13 7.1 Phạm vi điều chỉnh tốc độ 13 7.2. Độ trơn khi điều chỉnh 13 7.3. Độ ổn định tốc độ khi làm việc 13 7.4. Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính cơ 14 7.5. Yêu cầu tự động hạn chế phụ tải 14 7.6. Yêu cầu hãm dừng chính xác 15 7.7.Yêu cầu về đảo chiều………………………………………………………….15 7.8. Yêu cầu về kinh tế 15 8. Sơ đồ truyền động ăn dao máy doa ngang 2620 15 PHẦN II: THIẾT KẾ MẠCH LỰC HỆ TRUYỀN ĐỘNG 19 I. KHÁI QUÁT CHUNG 19 II. HỆ THỐNG CHỈNH LƯU - ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 20 1. Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều 20 2. Một số hệ truyền động T – Đ 20 3. Sơ đồ khối hệ truyền động Tiristor – động cơ (T – Đ ) 21 3.1. Giới thiệu sơ đồ: 21 3.2. Nguyên lý làm việc 22 3.3. Họ đặc tính của hệ thống T – Đ 23 4. Đánh giá chất lượng của hệ thống T – Đ 24 4.1. Ưu điểm: 24 4.2. Nhược điểm: 24 III. LỰA CHỌN SƠ ĐỒ NỐI DÂY CỦA MẠCH CHỈNH LƯU 25 1. Mạch chỉnh lưu cầu một pha 26 1.1. Mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng 26 1.1.1 Sơ đồ nguyên lý 26 1.1.2. Nguyên lý hoạt động 26 1.2. Mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng 27 1.2.1 Sơ đồ nguyên lý 27 1.2.2. Nguyên lý hoạt động 27 2. Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha 28 2.1. Sơ đồ nối dây hình tia ba pha 28 2.2. Đặc điểm của sơ đồ hình tia ba pha 29 2.3. Nguyên lí làm việc 29 3. Sơ đồ hình cầu 31 3.1. Sơ đồ nguyên lý 31 3.2. Đặc điểm của sơ đồ chỉnh lưu cầu 32 3.3. Nguyên lí làm việc sơ đồ cầu 32 4. Kết luận 34 IV. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐẢO CHIỀU 35 V. PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN 37 1. Phương án điều khiển riêng rẽ (điều khiển độc lập) 37 2. Phương án điều khiển chung (phụ thuộc) 37 VI. TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC 39 1. Chọn động cơ truyền động 39 2. Các thông số cơ bản còn lại của động cơ 39 3. Tính chọn van động lực 40 4. Tính toán máy biến áp chỉnh lưu 42 5. Tính chọn cuộn kháng cân bằng 43 6. Tính chọn cuộn kháng san bằng 44 7. Tính chọn thiết bị mạch bảo vệ 46 7.1. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn 46 7.2. Bảo vệ quá dòng điện cho van 47 7.3. Bảo vệ quá điện áp cho van 48 VII. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MẠCH LỰC 48 1.Giới thiệu thiết bị trong sơ đồ: 50 2. Nguyên lý làm việc của mạch động lực 50 PHẦN III: THIẾT KẾ MẠCH PHÁT XUNG ĐIỀU KHIỂN 52 I. KHÁI QUÁT CHUNG 52 II. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT XUNG ĐIỀU KHIỂN 52 1. Phương pháp phát xung điều khiển theo nguyên tắc pha đứng 52 2. Phương pháp phát xung điều khiển sử dụng điốt hai cực gốc (UJT ) 53 3. Phương pháp phát xung điều khiển theo pha ngang 53 III. PHÁT XUNG ĐIỀU KHIỂN THEO NGUYÊN TẮC PHA ĐỨNG 53 1. Sơ đồ khối hệ thống điều khển theo nguyên tắc pha đứng 53 1.1. Giới thiệu sơ đồ 53 1.2. Nguyên lý làm việc 54 2. Các khâu cơ bản của một mạch phát xung điều khiển theo nguyên tắc pha đứng 55 2.1. Mạch đồng bộ hóa và phát xung răng cưa (khâu đồng pha) 55 2.1.1. Sơ đồ sử dụng Transitor và tụ điện 56 2.1.2. Sơ đồ dùng hai transistor 57 2.1.3. Sơ đồ dùng IC khuếch đại thuật toán. 59 2.2. Khâu so sánh 60 2.3 Khâu tạo xung 63 2.3.1 Mạch sửa xung 64 2.3.2. Mạch khuếch đại và truyền xung 65 IV. TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 69 1. Tính chọn BAX 69 2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng 71 3. Tính chọn C2 và R11 71 4. Tính chọn tầng so sánh 72 5. Tính chọn khâu đồng pha (mạch đồng bộ hóa) 72 6. Tính chọn khâu tạo điện áp chủ đạo 72 V. THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI TRUNG GIAN 72 1. Mạch tạo nguồn nuôi 73 2. Khối tạo điện áp chủ đạo 74 3. Khâu phản hồi âm dòng có ngắt 74 4. Khâu tổng hợp mạch vòng tốc độ 75 VI. TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH KHUẾCH ĐẠI TRUNG GIAN 77 1. Tạo nguồn nuôi 77 2. Tính chọn các IC khuếch đại thuật toán 77 3. Tính chọn khâu phản hồi tốc độ 78 4. Tính chọn khâu phản hồi âm dòng điện 79 5. Hệ số khuếch đại của chỉnh lưu K 79 6. Hệ số khuếch đại động cơ KĐ 80 7. Hệ số khuếch đại trung gian KTG 80 PHẦN IV: XÂY DỰNG VÀ THUYẾT MINH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 83 1. Nguyên lý làm việc của mạch động lực 83 2. Nguyên lý làm việc của mạch điều khiển 83 2.1. Nguyên lý ổn định tốc độ và điều chỉnh tốc độ 83 2.2. Khả năng hạn chế phụ tải 84 2.3. Quá trình đảo chiều động cơ 84 2.4. Hãm dừng 84 PHẦN V: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG 85 I. ĐẶT VẤN ĐỀ 85 II. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG 85 1. Mô tả toán học chỉnh lưu điều khiển 85 2. Mô tả toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập 86 3. Bộ khuyếch đại tỷ lệ và máy phát tốc. 88 4. Xây dựng sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống kín với phản hồi 88 4.1. Khảo sát chế độ động của hệ thống 88 4.2. Xây dựng hàm truyền của hệ thống 89 III. XÁC ĐỊNH HÀM TRUYỀN CỦA HỆ THỐNG ....................................91 1. Hàm truyền của khâu phản hồi tốc độ.......................................................................91 2. Hàm truyền của khâu phản hồi âm dòng điện...........................................................91 3. Hàm truyền BBĐ của hệ thống.................................................................................91 4. Hàm truyền động cơ một chiều.................................................................................92 PHẦN VI: XÉT ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG 94 I. XÉT TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG 94 1. Tiêu chuẩn ổn định đại số 94 1.1. Điều kiện cần để hệ thống ổn định: 94 1.2. Tiêu chuẩn ổn định Hurwitz 94 2. Xét tính ổn định của hệ thống 94 PHẦN VII: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ CHẠY TRÊN PHẦN MỀN MATLAB 96 I. GIỚI THIỆU PHẦN MỀN MATLAB/SIMULINK 96 II. THƯ VIỆN KHỐI CHUẨN CỦA SIMULINK 97 1. Thư viện các khối Sources (Khối phát tín hiệu): 97 2. Thư viện các khối Sinks 99 3. Thư viện các khối Continuous. 100 4. Thư viện các khối Dicrete (tín hiệu rời rạc hay tín hiệu số Z) 101 5. Thư viện các khối Nonlinear (các khâu phi tuyến). 102 6. Thư viên khối Signal & System: 102 7. Thư viện chứa các khối toán học Math: 102 8. Thư viện chứa các khối Function & Tables: 104 9. Thư viện các khối mở rộng của Simulink: 104 III. ỨNG DỤNG MATLAP KHẢO SÁT SỰ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG 104 1. Mô phỏng bộ biến đổi của hệ thống 104 2. Mô phỏng hoạt động của động cơ điện một chiều 105 3. Mô phỏng hoạt động của mạch vòng dòng điện 105 4. Mô phỏng khâu phản hồi tốc độ của hệ truyền động 106 5. Mô phỏng hệ thống khi có hai khâu phản hồi tác động 107 Kết luận 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 LỜI NÓI ĐẦU Cuộc cách mạng khoa học công nghệ ngày càng phát triển mạnh mẽ đáp ứng được các yêu cầu đặt ra trong lĩnh vực hiện đại hóa các trang thiết bị máy móc phục vụ cho quá trình sản xuất. Để đáp ứng được công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm được sức lao động và tiết kiệm chi phí, hạ giá thành thì việc thiết kế, tính toán để chế tạo máy móc là một khâu rất quan trọng đòi hỏi người thiết kế phải nắm vững quy trình sản xuất của từng loại máy. Đồng thời, dựa vào việc so sánh các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của các phương án nhằm mục đích đảm bảo được các máy móc thiết bị khi chế tạo ra là tối ưu nhất. Chính vì vậy, qua đợt làm đồ án tốt nghiệp này là một lần nữa giúp em có thêm cơ hội, thời gian để tìm hiểu và học tập một cách sâu hơn, cụ thể hơn về lý thuyết trang bị điện. Đó chính là bài học kinh nghiệm quan trọng và vô cùng ý nghĩa đối với những kỹ sư tương lai như chúng em. Nhận thức tầm quan trọng đó em đã làm việc với tinh thần nghiêm túc, vận dụng những kiến thức của bản thân, những ý kiến đóng góp của bạn bè và đặc biệt là sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của Th.S Vũ Anh Tuấn đã giúp em khắc phục được những thiếu sót và yếu điểm của mình. Xuất phát từ những yêu cầu thực tế, bản đồ án này sẽ nghiên cứu “Thiết kế hệ thống truyền động ăn dao máy doa ngang 2620 dùng hệ Chỉnh lưu – động cơ một chiều”. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán cụ thể như sau: Giới thiệu về máy doa 2620A Thiết kế mạch lực hệ truyền động Thiết kế mạch phát xung điều khiển Xây dựng và thuyết minh sơ đồ nguyên lý hệ truyền động Xây dựng sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động Xét ổn định và hiệu chỉnh hệ thống Mô phỏng hệ thống và chạy trên phần mềm Matlab. PHẦN I: GIỚI THIỆU VỀ MÁY DOA NGANG 2620A 1. Chức năng, công dụng của máy doa Máy doa ngang 2620A nằm trong nhóm máy cắt gọt kim loại thứ ba. Đây là loại máy có vai trò quan trọng trong nền công nghiệp. Loại máy này có hệ thống trang bị điện hiện đại, nó có thể gia công được nhiều loại chi tiết khác nhau, khả năng công nghệ của nó có thể dùng để doa, khoan, khoét, phay với các nguyên công sau: - Nguyên công doa: Thường doa các lỗ hình côn, hình trụ, các mặt phẳng vuông góc với nhau có độ định tâm cao. - Nguyên công tiện: Khi nắp lưỡi dao tiện thì có thể tiện trong, cắt mặt đầu, cắt ren... Với nguyên công cắt ren thì truyền động ăn dao được truyền từ trục chính. - Nguyên công khoan: Khi cần gia công các lỗ có độ định tâm cao ta có thể thực hiện trên máy doa, nguyên công này thường nặng nề nhất. - Nguyên công phay: Phay mặt đầu, phay mặt phẳng, phay mặt trong, phay mặt ngoài. 2. Phân loại máy doa Máy doa có nhiều loại khác nhau với kích cỡ, công dụng và mức độ chuyên môn hoá khác nhau. Ta có thể phân loại máy doa theo các cách sau: - Phân loại theo chức năng, công dụng: + Máy khoan, khoét + Máy doa - Phân loại theo chuyển động: + Doa đứng: Dao quay theo phương thẳng đứng + Doa ngang: Dao quay theo phương nằm ngang - Phân loại theo mức độ trang bị điện: + Loại đơn giản: Thường dùng động cơ KĐB không có điều chỉnh tốc độ về điện. + Loại trung bình thường dùng động cơ KĐB điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực hoặc dùng động cơ một chiều nhưng là hệ thống hở. + Loại phức tạp: Dùng động cơ một chiều kích từ độc lập điều khiển theo hệ kín hoặc có thể điều khiển theo chương trình. Đây là loại máy doa gia công có độ chính xác rất cao. Phân loại theo trọng lượng của máy ta có: + Loại nhỏ: Trọng lượng của máy nhỏ hơn 10 tấn + Loại trung bình: Trọng lượng của máy từ 10 - 100 tấn + Loại lớn: Trọng lượng máy lớn hơn 100 tấn. 3. Kết cấu của máy doa 2620A Thân máy: Là phần cố định so với bệ máy, có kết cấu hình chữ U, hai đầu có hai ụ Ụ chính: Nằm trên thân máy, có thể chuyển động tịnh tiến so với thân máy. Động cơ trục chính được gắn vào thân máy cùng với hộp tốc độ, quá trình di chuyển được thực hiện nhờ trục chính hoặc động cơ chạy dao. Ụ trục phụ: Nằm trên thân máy, có thể chuyển động tịnh tiến nhờ động cơ ăn dao hoặc bằng tay. Khi gia công chi tiết có đòi hỏi độ chính xác cao thì nó có tác dụng giữ dao. Bàn máy: Được bố trí giữa hai ụ, có thể di chuyển ngang, dọc, qua trái, qua phải. 4. Đặc điểm công nghệ Đặc điểm của máy doa là có thể gia công đồng thời nhiều lỗ có trục song song hoặc trục thẳng góc với nhau. Máy doa ngang dùng để gia công các chi tiết cỡ trung bình và nặng. Hình dạng của máy được mô tả như sau: Hình 1-1: Hình dạng bên ngoài của máy doa Trên bệ máy 1 đặt trụ trước 6, trên đó có ụ trục chính 5. Trụ sau 2 có đặt giá đỡ 3 để giữ trục dao trong quá trình gia công. Bàn quay 4 gá chi tiết có thể dịch chuyển theo chiều ngang hoặc dọc bệ máy. Ụ trục chính có thể chuyển động theo chiều thẳng đứng cùng trục chính. Bản thân trục chính có thể chuyển động theo phương ngang. Chuyển động chính là chuyển động quay của dao doa (trục chính). Chuyển động ăn dao có thể là chuyển động ngang, dọc của bàn máy mang chi tiết hay di chuyển dọc của trục chính mang đầu dao. Chuyển động phụ là chuyển động thẳng đứng của ụ dao vv… 5. Yêu cầu đối với truyền động điện máy doa 5.1. Truyền động chính Yêu cầu cần phải đảo chiều quay, phạm vi điều chỉnh tốc độ D = 130/1 với công suất không đổi, độ trơn điều chỉnh j = 1,26. Hệ thống truyền động chính cần phải hãm dừng nhanh. Hiện nay hệ truyền động chính máy doa thường sử dụng động cơ không đồng bộ Roto lồng sóc và hộp tốc độ (động cơ có một hay nhiều cấp tốc độ). Ở những máy doa cỡ nặng có thể sử dụng động cơ điện 1 chiều, điều chỉnh tốc độ trơn trong phạm vi rộng. Nhờ vậy có thể giảm kết cấu, mặt khác có thể hạn chế được mômen ở vùng tốc độ thấp bằng phương pháp điều chỉnh tốc độ hai vùng. 5.2. Truyền động ăn dao Phạm vi điều chỉnh tốc độ của truyền động ăn dao D = 1500/1. Lượng ăn dao được điều chỉnh trong phạm vi 2mm/ph ¸ 600mm/ph. Khi di chuyển nhanh có thể đạt tới 2,5m/ph ¸ 3m/ph. Lượng ăn dao (mm/ph) ở những máy cỡ nặng yêu cầu được giữ không đổi khi tốc độ trục chính thay đổi. Đặc tính cơ cần có độ cứng cao, với độ ổn định tốc độ < 10%, hệ thống truyền động ăn dao phải đảm bảo độ tác động nhanh cao, dừng máy chính xác đảm bảo sự liền động với truyền động chính khi làm việc tự động. Ở những máy doa cỡ trung bình và nặng, hệ thống truyền động ăn dao sử dụng hệ thống khuếch đại máy điện - động cơ một chiều hoặc hệ thống T – Đ. 5.3. Thông số kỹ thuật Máy doa ngang 2620A là loại máy doa vạn năng dùng để gia công lỗ đã khoan hoặc khoét mà kích thước giữa các tâm lỗ yêu cầu độ chính xác tuyệt đối cao từ cấp 9 đến cấp 7 và ra = 6,3 ÷ 1,25μm. Với dao doa có chất lượng tốt, chọn chế độ cắt và để lượng dư phù hợp, doa có thể đạt độ chính xác cấp 6. Doa đạt độ cứng vững cao, lưỡi cắt thường bố trí không đối xứng nên khắc phục được độ rung động. Ngoài ra còn thực hiện một số nguyên công phụ khác như: khoan, phay bằng dao phay mặt đầu, gia công ren.... Máy doa 2620A là máy có kích thước cỡ trung bình Đường kính trục chính: 90 (mm) Công suất truyền động chính: 10(kw) Tốc độ quay trục chính điều chỉnh trong phạm vi: (12,5 ¸ 1600) vg/ph Công suất động cơ ăn dao: 2,1(kw) Tốc độ ăn dao có thể điều chỉnh được trong phạm vi: (2,1 ¸ 1500)vg/ph và tốc độ lớn nhất có thể đạt tới 3000vg/ph. 6. Các chế độ vận hành của máy Truyền dộng ăn dao nhờ hai chế độ vận hành bằng tay hoặc tự động. Trong quá trình vận hành có thể thưc hiện chạy nhanh bàn dao bằng phương pháp giảm từ thông động cơ. Chỉnh định tọa độ của ụ, trục nhờ hệ kính phóng đại quang học. Điều khiển máy nhờ các nút bấm và tay gạt, chúng được bố trí trên hai ụ máy. 7. Các yêu cầu trang bị điện cho truyền động ăn dao của máy doa 2620A Trong máy doa ngang 2620A truyền động ăn dao là truyền động phức tạp nhất, nó đòi hỏi hệ thống trang bị điện có mức độ tự động hoá cao. Truyền động dùng động cơ một chiều kích từ độc lập có các yêu cầu về chỉ tiêu chất lượng như: 7.1 Phạm vi điều chỉnh tốc độ Truyền động ăn dao của máy doa ngang 2620A có yêu cầu phạm vi tốc độ rộng, dải điều chỉnh được đặc trưng bởi hệ số: 7.2. Độ trơn khi điều chỉnh Vì máy làm việc ở nhiều chế độ gia công khác nhau như doa lỗ có đường kính lớn thì cần tốc độ nhỏ, còn khi phay thì cần tốc độ lớn. Để đảm bảo chất lượng gia công bề mặt có độ bóng từ cấp 6 ÷ 9 thì tốc độ phải được điều chỉnh vô cấp. 7.3. Độ ổn định tốc độ khi làm việc Để đảm bảo duy trì ổn định tốc độ đạt mức chính xác cao ngay cả khi tốc độ truyền động chính thay đổi. Khi phụ tải biến đổi từ 0 ¸ Mmax thì yêu cầu độ sụt tốc độ là: 7.4. Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính cơ Truyền động ăn dao của máy bao gồm các chuyển động tịnh tiến, nếu mô men cản MC do lực kéo ăn dao qui định thì nó phải đảm bảo phụ tải có mô men M lớn nhất. Nếu yêu cầu mô men M = const thì Mmax này được xác định bởi lực ăn dao, bao gồm: lực kéo Fx, tổn hao ma sát trên gờ trượt của máy. Trong hầu hết phạm vi điều chỉnh ở vùng tốc độ thấp lực ăn dao bị hạn chế bởi chiều sâu cắt do Fx không đạt tới trị số cực đại mà phụ tải vào tốc độ ăn dao. Mà vùng tốc độ cao, lực ăn dao còn phụ thuộc vào công suất của truyền động chính, vì những cấp ăn dao cực đại chỉ sử dụng với các cấp tốc độ chính xác cực đại, do đó có thể dẫn tới quá tải và gây nguy hiểm cho truyền động chính. Mặt khác, cũng với cấp tốc độ này thường dùng để gia công tinh lên lực ăn dao không cần lớn, nếu có kể đến sự biến đổi của lực ma sát trên gờ trượt ảnh hưởng tới tốc độ thì lực kéo bàn là Qn và được biểu diễn như hình vẽ sau: Mc,Pc n0 n1 n2 mc pc F,Q v n q®m f®m 0 Ở vùng tốc độ gia công ta có: M=const ; P tỉ lệ với U Ở vùng chạy dao nhanh: M» P/n ; P=const 7.5. Yêu cầu tự động hạn chế phụ tải Trong quá trình làm việc thường xảy ra quá tải tĩnh và quá tải động. Trong đó: - Quá tải tĩnh: Là do vật liệu không đồng nhất, khi dao cắt đi vào vùng chai cứng hoặc khi nhiệt độ tăng quá làm cho công suất cắt tăng dẫn tới quá tải. - Quá tải động: Là các quá trình khởi động, hãm, đảo chiều. Để rút ngắn thời gian quá tải động thì cần phải rút ngắn quá trình này. Các biện pháp hạn chế phụ tải: + Hạn chế phụ tải truyền động chính thông qua truyền động ăn dao. + Hạn chế phụ tải tĩnh và động bằng phương pháp sử dụng khâu phản hồi âm dòng có ngắt. 7.6. Yêu cầu hãm dừng chính xác Việc dừng máy chính xác là một yêu cầu rất quan trọng. Bởi vì khi dừng chính xác thì đảm bảo được chất lượng sản phẩm, tăng năng suất của máy, an toàn cho thiết bị và người vận hành. Các biện pháp nâng cao chất lượng quá trình hãm (giảm thời gian hãm) - Sử dụng những thiết bị khống chế. - Tăng gia tốc của hệ thống. - Sử dụng những vật liệu nhẹ để giảm thành phần mô men quán tính. - Tăng lực cản bằng cơ khí. - Hãm bằng điện, sử dụng một trong ba phương pháp: + Hãm ngược + Hãm động năng + Hãm tái sinh - Giảm tốc độ bằng cách giảm điện áp đặt vào phần ứng động cơ. 7.7. Yêu cầu về đảo chiều Đặc điểm công nghệ của máy doa 2620A là có đảo chiều, để đảm bảo năng suất cho máy thì việc yêu cầu về đảo chiều là rất quan trọng. 7.8. Yêu cầu về kinh tế Hệ thống thiết kế ra phải đảm bảo có kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, thuận thiện cho vận hành và sửa chữa. Vốn đầu tư mua sắm thiết bị, chi phí vận hành phải hợp lý. Giá thành hệ thống thấp, trong khi phải thoả mãn các yêu cầu về kỹ thuật. 8. Sơ đồ truyền động ăn dao máy doa ngang 2620 dùng hệ thống máy điện khuếch đại – động cơ một chiều Hệ thống truyền động ăn dao thực hiện theo hệ MĐKĐ có bộ khuếch đại điện tử trung gian, thực hiện theo hệ kín phản hồi âm tốc độ. Tốc độ ăn dao được điều chỉnh trong phạm vi (2,2 ÷ 1760)mm/ph. Di chuyển nhanh đầu dao với tốc độ 3780mm/ph chỉ bằng phương pháp điện khí. Tốc độ ăn dao được thay đổi bằng cách chuyển đổi sức điện động của khuếch đại máy điện khi từ thông động cơ là định mức, còn di chuyển nhanh đầu dao được thực hiện bằng cách giảm nhỏ từ thông động cơ khi sức điện động của MĐKĐ là định mức. Hình 1-2: Sơ đồ hệ thống truyền động ăn dao máy doa 2620 Kích từ của MĐKĐ là hai cuộn 1CK và 2CK được cung cấp từ bộ khuếch đại điện tử hai tầng. Tầng 1 là khuếch đại điện áp (đèn kép 1ĐT) và tầng hai là tầng khuếch đại công suất (đèn 2ĐT và 3ĐT). Tín hiệu đặt vào tầng 1 là: Uv1= Ucđ – γ.ω – Um2 Trong đó: Ucđ - điện áp chủ đạo lấy trên biến trở 1BT; γω - điện áp phản hồi âm tốc độ động cơ, lấy trên FT Um2- điện áp phản hồi mềm, tỷ lệ với gia tốc và đạo hàm gia tốc, lấy ở đầu ra của cuộn thứ cấp 2BO-2 và 2BO-3 của biến áp 2BO, cuộn sơ cấp của 2BO (2BO-1) nối tiếp với mạch R, C. Do đó, dòng điện sơ cấp của biến áp vi phân 2B0-1 gồm hai thành phần tỷ lệ với tốc độ và tỷ lệ với gia tốc của động cơ. Như vậy điện áp thứ cấp biến áp 2BO sẽ tỉ lệ với gia tốc và đạo hàm của gia tốc động cơ. Điện áp đặt vào tầng khuếch đại 2 là Uv2 được xác định bằng biểu thức: Uv2 = Ur1 – Um1 Trong đó: Ur1- điện áp đầu ra tầng 1, là điện áp rơi trên điện trở R8, R9. Um1- điện áp phản hồi mềm tỷ lệ với đạo hàm dòng điện mạch ngang, được lấy trên hai cuộn thứ cấp 1BO-2 và 1BO-3; cuộn sơ cấp 1BO-1 mắc nối tiếp trong mạch ngang của MĐKĐ. - Nguyên lý làm việc: Khi điện áp chủ đạo bằng không, do sơ đồ bộ khuếch đại nối theo sơ đồ cân bằng nên dòng điện anôt hai nửa đèn 1ĐT là như nhau (IaP = IaT), điện áp rơi trên R8 và R9 bằng nhau, như vậy điện áp ra tầng 1 bằng không. Ur1 = (IaP - IaT).R8 = 0 và tương tự dòng điện anôt hai đèn 2ĐT và 3ĐT bằng nhau (Ia2 = Ia3), hai cuộn dây 1CK và 2CK có điện trở và số vòng như nhau, sức từ động của chúng tác dụng ngược chiều nhau nên sức từ động tổng của KĐMĐ bằng không. F∑ = F1CK – F2CK = (Ia2 – Ia3).W = 0 Khi RT = 1, → Ucđ > 0, do sự phân cực của điện áp chủ đạo nên nửa đèn phải thông yếu hơn nửa đèn bên trái của 1ĐT, điện áp trên R8 lớn hơn điện áp trên R9, điện áp ra của tầng 1 có cực tính làm cho đèn 3ĐT thông mạnh hơn 2ĐT tức là Ia3 > Ia2 hay I2CK > I1CK và sức từ động F∑ có dấu tương ứng với chiều quay thuận của động cơ. Tốc độ động cơ lớn hay bé tuỳ thuộc vào điện áp chủ đạo. - Khâu phản hồi âm dòng điện có ngắt: Lợi dụng tính chất của MĐKĐ là khi có dòng điện phần ứng, điện áp ra của nó sẽ giảm do tác dụng của phản ứng phần ứng. Mạch phản hồi âm dòng điện có ngắt gồm có cuộn bù, cầu chỉnh lưu 1V và biến trở 2BT. Khi dòng điện phần ứng còn nhỏ và nhỏ hơn dòng điện ngắt (Iư< Ing), sụt áp trên cuộn bù nhỏ hơn điện áp trên biến trở 2BT(U0); cầu chỉnh lưu 1V không thông, và dòng điện cuộn bù hoàn toàn tương ứng với dòng điện phần ứng, MĐKĐ được bù đủ. Với giả thiết Ib = Iư thì sức từ động của cuộn bù sẽ là: Fb = Ib.Wb = Iư.Wb Khi Iư > Ing thì ta có Ub > U0; các van 1V thông, xuất hiện dòng điện phân mạch I1V và dòng điện cuộn bù sẽ giảm đi một lượng: Ib = Iư – I1V Mức độ bù giảm đi và kết quả điện áp ra của MĐKĐ giảm nhanh khi dòng điện phần ứng tăng làm cho dòng điện phần ứng được hạn chế. Trong trường hợp này, sức từ động của MĐKĐ là: F∑ = F12 + Fb - Fd = F12 + (Iư – I1V).Wb – Iư.Wb = F12 – I1V.Wb Trong đó: F12 – stđ của hai cuộn 1CK và 2CK Fb = Ib.Wb - sức từ động của cuộn bù Fd = Iư.Wb - sức từ động dọc trục được bù đủ khi Iư < Ing. Từ công thức F∑ ta thấy: khi Iư > Ing thì sức từ động của MĐKĐ bị giảm đi một lượng (Ilv.Wb). Như vậy có thể coi sức từ động tổng của MĐKĐ được sinh ra bởi hai cuộn 1CK - 2CK là F12 và cuộn bù Wb với sức từ động (I1V.Wb) ngược chiều sức từ động F12. PHẦN II: THIẾT KẾ MẠCH LỰC HỆ TRUYỀN ĐỘNG I. KHÁI QUÁT CHUNG Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các máy sản xuất ngày một đa dạng dẫn đến hệ thống trang bị điện ngày càng phức tạp và đòi hỏi sự chính xác và tin cậy cao. Một hệ thống truyền động không những phải đảm bảo được yêu cầu công nghệ, mà còn phải ổn định. Tuỳ theo loại máy công tác mà có những yêu cầu khác nhau, rất cần thiết cho giữ ổn định tốc độ, mô men với độ chính xác nào đó trước sự biến động về tải và các thông số nguồn. Do đó bộ biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành một chiều đã và đang được sử dụng rộng rải. Bộ biến đổi này có thể sử dụng nhiều thiết bị khác nhau để tạo ra như hệ thống máy phát, khuyếch đại từ, hệ thống van… Chúng được điều khiển theo những nguyên tắc khác nhau với những ưu điểm khác nhau. Do đó để có được một phương án phù hợp với từng loại công nghệ đòi hỏi các nhà thiết kế phải so sánh những chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật để đưa ra phương án tối ưu. Trong kỹ thuật, việc phân tích và lựa chọn bộ biến đổi dựa vào yêu cầu công nghệ của quá trình sản xuất, yêu cầu của việc điều chỉnh và ổn định tốc độ, khả năng làm việc của động cơ trong những trường hợp khác nhau đòi hỏi các đặc tính kỹ thuật khác nhau. Trên thực tế có nhiều loại bộ biến đổi như: bộ biến đổi xoay chiều – một chiều, bộ biến đổi một chiều – một chiều, bộ biến đổi xoay chiều – xoay chiều. Căn cứ vào các thông số kỹ thuật cũng như các chỉ tiêu về năng lượng, việc điều chỉnh và ổn định tốc độ động cơ nên ở đây ta chọn bộ biến đổi xoay chiều – một chiều để biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều bằng việc sử dung tổ hợp máy phát – động cơ, dùng bộ biến đổi một phần ứng, dùng chỉnh lưu vv… Nhưng phổ biến nhất và có hiệu suất cao nhất là sử dụng sơ đồ chỉnh lưu bằng các linh kiện bán dẫn. Các sơ đồ chỉnh lưu ứng dụng tính dẫn dòng một chiều của các dụng cụ điện tử hoặc bán dẫn để biến điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều một cách trực tiếp. Hiện nay dụng cụ điện tử hầu như không còn được sử dụng rộng rãi vì kích thước lớn và quá cồng kềnh, hiệu suất thấp. Dụng cụ được sử dụng chủ yếu hiện nay là các đi ốt bán dẫn và các trisitor. Việc sử dụng các dụng cụ đó như thế nào còn dựa trên việc lựa chọn phương án truyền động sẽ được trình bày sau đây. II. HỆ THỐNG CHỈNH LƯU - ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1. Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều là bộ chỉnh lưu liên hệ nguồn xoay chiều với tải một chiều, nghĩa là đổi điện áp xoay chiều của nguồn thành điện áp một chiều trên phụ tải. Điện áp một chiều trên tải không được lý tưởng như điện áp của ắc quy mà có chứa các thành phần xoay chiều cùng với một chiều. Đầu ra của các sơ đồ chỉnh lưu được coi là một chiều nhưng thực sự là điện áp đập mạch. Hoạt động của mạch do nguồn điện xoay chiều quyết định vì nhờ đó mà có thể thực hiện được các chuyện mạch dòng điện giữa các phần tử lực. Việc phân loại chỉnh lưu phụ thuộc nhiều yếu tố: - Theo số pha có: Chỉnh lưu 1 pha, chỉnh lưu 3 pha... - Theo sơ đồ nối có: Chỉnh lưu nửa chu kỳ, chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ, chỉnh lưu hình cầu, chỉnh lưu hình tia... - Theo sự điều khiển có: Chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu có điều khiển, chỉnh lưu bán điều khiển. 2. Một số hệ truyền động T – Đ Hệ truyền động T – Đ là hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập, điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ hoặc thay đổi điện áp đặt vào phần cảm của động cơ thông qua các bộ biến đổi chỉnh lưu dùng Tiristor. CL3 E 3 fa ~ Iư IKTN KTĐ IKTT K1 K2 CL1 CL2 3 fa ~ Hình 2-1: Hệ truyền động T – Đ đảo chiều bằng dòng kích từ. Hệ có thể thay đổi tốc độ và đảo chiều quay của động cơ. Việc đảo chiều quay của động cơ được thực hiện bằng cách đảo chiều dòng điện kích từ IKT qua hai bộ chỉnh lưu 3 pha có điều khiển CL1 và CL2 được nối theo hình tia hoặc hình cầu. Cũng có thể dùng một bộ chỉnh lưu có điều khiển với phương pháp đảo cực tính đầu ra thay cho 2 bộ chỉnh lưu CL1 và CL2 (được trình bày ở mục III) Khi công suất kích từ nhỏ, có thể thay các bộ chỉnh lưu 3 pha CL1 và CL2 bằng các bộ chỉnh lưu Tiristor một pha. Phương pháp đảo chiều bằng từ thông có một hạn chế do công suất của cuộn cảm có hệ số tự cảm lớn, làm tăng thời gian đảo chiều. Vì vậy ta có thể đảo chiều quay nhờ đảo chiều dòng phần ứng theo hình 2-2. E IƯT K1 K2 CL1 CL2 3 fa ~ KTĐ CL3 3 fa ~ Hình 2-2: Sơ đồ khối của hệ thống T – Đ nhờ đảo chiều dòng phần ứng. Động cơ được điều chỉnh tốc độ qua 2 vùng: - Vùng dưới tốc độ cơ bản: Nhờ thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ qua bộ chỉnh lưu 3 pha có điều khiển CL1 (quay thuận) hoặc CL2 (quay ngược). Điện áp thay đổi luôn nhỏ hơn giá trị định mức Uđm, còn từ thông là định mức Φđm. - Vùng trên tốc độ cơ bản: Nhờ thay đổi dòng điện kích từ (tức là thay đổi từ thông) xuống dưới giá trị định mức qua bộ chỉnh lưu có điều khiển CL3. Độ cứng của đặc tính là: 3. Sơ đồ khối hệ truyền động Tiristor – động cơ (T – Đ ) 3.1. Giới thiệu sơ đồ: - Đ: Động cơ một chiều kích từ độc lập kéo máy sản xuất. - CL: Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều. - TH & KĐ: Khâu tổng hợp và khuyếch đại trung gian có nhiệm vụ tổng hợp điện áp chủ đạo Ucđ và tín hiệu phản hồi. ĐK CL Đ Ud TH & KĐ Uph Ucđ 3 pha - Ud: Điện áp một chiều sau khi đã chỉnh lưu Hình 2-3: Sơ đồ khối của hệ thống T – Đ 3.2. Nguyên lý làm việc Giả sử với sơ đồ trên ta chỉ điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp phần ứng đặt vào động cơ và khâu phản hồi chỉ có khâu phản hồi âm tốc độ và âm dòng có ngắt. Khâu tổng hợp khuếch đại chỉ sử dụng các vi mạch, tín hiệu vào khâu này gồm có các tín hiệu chủ đạo Ucđ và tín hiệu phản hồi Uph, tín hiệu âm dòng có ngắt. Khi hệ thống ban đầu đã được đóng vào lưới điện với điện áp thích hợp, lúc này động cơ vẫn chưa làm việc. Đưa vào hệ thống một điện áp đặt ứng với một tốc độ nào đó của động cơ, thông qua khâu tổng hợp khuếch đại và mạch phát xung sẽ xuất hiện các xung đưa đến bộ điều khiển của các bộ biến đổi. Lúc này các van được đặt điện áp thuận sẽ mở. Đầu ra của bộ biến đổi điện áp có điện áp Ucd đặt lên phần ứng của động cơ làm cho động cơ làm việc với điện áp chủ đạo. Trong quá trình làm việc, nếu do một nguyên nhân nào đó làm cho tốc độ động cơ n giảm thì ta thấy Uđk = Ucđ - g.n, nên khi n giảm Uđk tăng (a giảm Uđk tăng) n tăng tới điểm làm việc yêu cầu. Khi n tăng quá mức cho phép thì quá trình xảy ra ngược lại, nên khi n tăng Uđk giảm (a tăng Uđk giảm) n giảm tới điểm làm việc yêu cầu. Đây chính là qua trính ổn định tốc độ. 3.3. Họ đặc tính của hệ thống T – Đ Trong hệ thống T – Đ, nguồn cung cấp cho phần ứng động cơ là bộ CL Tiristor. Dòng điện chỉnh lưu cũng chính là dòng điện phần ứng động cơ. Ta có phương trình đặc tính cơ cho hệ T – Đ ở các chế độ dòng là: Chế độ dòng điện liên tục: Dòng điện chỉnh lưu Id chính là dòng phần ứng. Dựa vào sơ đồ thay thế (hình 2.2) viết được sơ đồ đặc tính. Đặc tính cơ có độ cứng Xk : Đặc trưng cho sụt áp do chuyển mạch giữa các van. Thay đổi góc điều khiển: - Khi " sđđ chỉnh lưu biến thiên từ Edo đến - Edo và ta được một họ đặc tính song song nhau nằm ở nửa bên phải mặt phẳng toạ độ do các van không cho dòng điện phần ứng đổi chiều. WA WB WC 0 A B C a = D a1 a2 a3 a4 Giới hạn ωmax Các đặc tính cơ của hệ T - Đ mềm hơn các đặc tính cơ của hệ F - Đ bởi thành phần sụt áp do hiện tượng chuyển mạch giữa các van bán dẫn gây nên. Hình 2-4: Sơ đồ đặc tính của hệ T – Đ - Khi : Bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu, động cơ có thể làm việc ở chế độ động cơ nếu sđđ E > 0 và ở chế độ hãm ngược nếu sđđ E đổi chiều. - Khi : Bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc, biến cơ năng của tải thành điện năng xoay chiều cùng tần số lưới và trả về lưới điện. Động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh khi tải có tính thế năng. Dòng điện trung bình của mạch phần ứng: Phương trình đặc tính: Chế độ dòng điện gián đoạn: Trong thực tế tính toán hệ T - Đ chỉ cần xác định biên giới vùng dòng điện gián đoạn, là đường phân cách giữa vùng dòng điện liên tục và dòng điện gián đoạn. Trạng thái biên liên tục là trạng thái mà góc dẫn = /p và góc chuyển mạch . Đường biên liên tục gần là đường elip. Để giảm độ lớn của trục nhỏ elip, tăng số pha của chỉnh lưu. Tuy nhiên khi tăng số pha chỉnh lưu sơ đồ sẽ phức tạp. 4. Đánh giá chất lượng của hệ thống T – Đ 4.1. Ưu điểm: - Ưu điểm nổi bật của hệ thống T – Đ là tác động nhanh, độ tin cậy cao, quán tính nhỏ, hiệu suất lớn, không gây ồn và dễ tự động hóa do các van bán dẩn có hệ số khuyếch đại công suất cao. - Công suất tổn hao nhỏ, kích thước và trọng lượng nhỏ. Giá thành rẻ. - Hệ thống T – Đ có khả năng điều chỉnh độ trơn (φ ~1) với phạm vi điều chỉnh rộng (D ~ 102 ÷ 103). 4.2. Nhược điểm: - Nhược điểm chủ yếu của hệ thống T – Đ là do các van bán dẫn có tính phi tuyến, mạch điều khiển phức tạp, điện áp sau chỉnh lưu có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ đáng kể trong máy điện, và ở các truyền động có công suất lớn còn làm xấu dạng điện áp của nguồn và lưới xoay chiều. - Hệ làm việc không linh hoạt, chuyển đổi làm việc khó khăn hơn do đường đặc tính nằm trong ở mặt phẳng tọa độ. Đặc tính làm việc ở góc phần tư thứ nhất và thứ tư. Các trạng thái làm việc của hệ phụ thuộc vào góc mở của Trisitor, đảo chiều của hệ phức tạp, trong quá trình đảo chiều có xuất hiện dòng điện xoay chiều làm nóng động cơ. - Trong thành phần của hệ biến đổi có máy biến áp nên hệ số cos thấp. - Do vai trò chỉ dẩn dòng một chiều nên việc chuyển đổi chế độ làm việc khó khăn đối với các hệ thống đảo chiều. Do có vùng làm việc gián đoạn của đặc tính nên không phù hợp truyền động động cơ tải nhỏ. III. LỰA CHỌN SƠ ĐỒ NỐI DÂY CỦA MẠCH CHỈNH LƯU Để cấp nguồn cho tải một chiều, chúng ta cần thiết kế các bộ chỉnh lưu với mục đích biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành một chiều. Các loại bộ biến đổi này có thể là chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh lưu có điêu khiển. Với mục đích giảm công suất vô công, người ta thường mắc song song ngược với tải một chiều một diot (loại sơ đồ này được gọi là sơ đồ có diot ngược). Trong các sơ đồ chỉnh lưu có diot ngược, khi có và không có điều khiển, năng lượng được truyền từ phía lưới xoay chiều sang một chiều, nghĩa là các loại chỉnh lưu đó chỉ có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu. Các bộ chỉnh lưu có điều khiển, không diot ngược có thể trao đổi năng lượng theo cả hai chiều. Khi năng lượng truyền từ lưới xoay chiều sang tải một chiều, bộ nguồn làm việc ở chế độ chỉnh lưu, khi năng lượng truyền theo chiều ngược lại (nghĩa là từ phía tải một chiều về lưới xoay chiều) thì bộ nguồn làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới. Theo dạng nguồn cấp xoay chiều, chúng ta có thể chia chỉnh lưu thành chỉnh lưu một pha hay chỉnh lưu ba pha. Các thông số quan trọng của sơ đồ chỉnh lưu là: dòng điện và điện áp tải; dòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp biến áp; số lần đập mạch trong một chu kỳ. Dòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp biến áp có thể là một chiều, hay xoay chiều, có thể phân loại thành sơ đồ có dòng điện biến áp một chiều hay, xoay chiều. Số lần đập mạch trong một chu kỳ là quan hệ của tần số sóng hài thấp nhất của điện áp chỉnh lưu với tần số điện áp xoay chiều. Trong kỹ thuật điện hiện nay có nhiều trường hợp phải sử dụng nguồn điện áp một chiều có trị số thay đổi được để cung cấp cho các phụ tải khác nhau tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng. Các nguồn điện áp một chiều nhà máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi tĩnh (khuếch đại từ) có khá nhiều nhược điểm, trong đó có nhược điểm cơ bản là tổn thất riêng khá lớn. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn và vi mạch điện tử thì việc sử dụng các bộ chỉnh lưu bán dẫn có điều khiển ngày càng được phổ biến và có nhiều ưu việt. Để lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu ta đưa ra 3 phương án sau: Mạch chỉnh lưu cầu một pha Mạch chỉnh lưu tia ba pha Mạch chỉnh lưu cầu ba pha 1. Mạch chỉnh lưu cầu một pha 1.1. Mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng 1.1.1 Sơ đồ nguyên lý Hình 2-5: Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng 1.1.2. Nguyên lý hoạt động Hoạt động của sơ đồ này khái quát có thể mô tả như sau. Trong nửa bán kỳ điện áp anot của Tiristo T1 dương (+) (lúc đó catot T2 âm (-)), nếu có xung điều khiển cho cả hai van T1, T2 đồng thời thì các van này sẽ được mở thông để đặt điện áp lưới lên tải, điện áp tải một chiều còn bằng điện áp xoay chiều chừng nào các Tiristo còn dẫn (khoảng dẫn của các Tiristo phụ thuộc vào tính chất của tải). Đến nửa bán kỳ sau, điện áp đổi dấu, anot của Tiristo T3 dương (+) (catot T4 âm (-)), nếu có xung điều khiển cho cả hai van T3,T4 đồng thời thì các van này sẽ được mở thông, để đặt điện áp lưới lên tải, với điện áp một chiều trên tải có chiều trùng với nửa bán kỳ trước. Chỉnh lưu cầu một pha hình 2-5 có chất lượng điện áp ra hoàn toàn giống như chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính. Trong sơ đồ này điện áp ngược van phải chịu nhỏ hơn: Unv = 2U2. Việc điều khiển đồng thời các Tiristo T1,T2 và T3,T4 có thể thực hiện bằng nhiều cách, một trong những cách đơn giản nhất là sử dụng biến áp xung có hai cuộn thứ cấp như hình 2-6. Điều khiển các Tiristo trong sơ đồ hình 2-5, nhiều khi gặp khó khăn cho trong khi mở các van điều khiển, nhất là khi công suất xung không đủ lớn. Để tránh việc mở đồng thời các van như ở trên, mà chất lượng điện áp chừng mực nào đó vẫn có thể đáp ứng được, người ta có thể sử dụng chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng. Hình 2-6: Phương án cấp xung chỉnh lưu cầu một pha Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng có thể thực hiện bằng hai phương án khác nhau như hình 2-7. Giống nhau ở hai sơ đồ này là: chúng đều có hai Tiristo và hai diot; mỗi lần cấp xung điều khiển chỉ cần một xung; điện áp một chiều trên tải có trị số giống nhau; đường cong điện áp tải chỉ có phần điện áp dương nên sơ đồ không làm việc với tải có nghịch lưu trả năng lượng về lưới. Sự khác nhau giữa hai sơ đồ trên được thể hiện rõ rệt khi làm việc với tải điện cảm lớn, lúc này dòng điện chạy qua các van điều khiển và không điều khiển sẽ khác nhau. 1.2. Mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng 1.2.1 Sơ đồ nguyên lý Hình 2-7: Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng. 1.2.2. Nguyên lý hoạt động Khi điện áp anot T1 dương và catot D1 âm có dòng điện tải chạy qua T1, D1 đến khi điện áp đổi dấu (với anot T2 dương) mà chưa có xung mở T2, năng lượng của cuộn dây tải L được xả ra qua D2, T1. Như vậy việc chuyển mạch của các van không điều khiển D1, D2 xảy ra khi điện áp bắt đầu đổi dấu. Tiristo T1 sẽ bị khoá khi có xung mở T2, kết quả là chuyển mạch các van có điều khiển được thực hiện bằng việc mở van kế tiếp. Từ những giải thích trên chúng ta thấy rằng, các van bán dẫn được dẫn thông trong một nửa chu kỳ (các diot dẫn từ đầu đến cuối bán kỳ điện áp âm catot, còn các Tiristo được dẫn thông tại thời điểm có xung mở và bị khoá bởi việc mở Tiristo ở nửa chu kỳ kế tiếp). Về trị số, thì dòng điện trung bình chạy qua van bằng Itb=(1/2) Id, dòng điện hiệu dụng của van Ihd = 0,71. Id Nhìn chung các loại chỉnh lưu cầu một pha có chất lượng điện áp tương đương như chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính, chất lượng điện một chiều như nhau, dòng điện làm việc của van bằng nhau, nên việc ứng dụng chúng cũng tương đương nhau. Mặc dù vậy ở chỉnh lưu cầu một pha có ưu điểm hơn ở chỗ: điện áp ngược trên van bé hơn; biến áp dễ chế tạo và có hiệu suất cao hơn. Thế nhưng chỉnh lưu cầu một pha có số lượng van nhiều gấp hai lần, làm giá thanh cao hơn, sụt áp trên van lớn gấp hai lần, chỉnh lưu cầu điều khiển đối xứng thì việc điều khiển phức tạp hơn. Kết luận: Các sơ chỉnh lưu một pha cho ta điện áp với chất lượng chưa cao, biên độ đập mạch điện áp quá lớn, thành phần hài bậc cao lớn điều này không đáp ứng được cho nhiều loại tải. Muốn có chất lượng điện áp tốt hơn chúng ta phải sử dụng các sơ đồ có số pha nhiều hơn. 2. Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha 2.1. Sơ đồ nối dây hình tia ba pha Hình 2-8: Sơ đồ nguyên lý hệ thống CL - Đ hình tia 3 pha và sơ đồ thay thế - BA: Là máy biến áp 3 pha dùng để cấp cho mạch chỉnh lưu - T1, T2, T3: Các Tiristor dùng để biến điện áp xoay chiều 3 pha bên thứ cấp máy biến áp là ua, ub, uc, thành điện áp một chiều trên phụ tải. - Đ, L là thành phần phụ tải. 2.2. Đặc điểm của sơ đồ hình tia ba pha Số van chỉnh lưu bằng số pha của nguồn cung cấp. Các van có một điện cực cùng tên nối chung, điện cực còn lại nối với nguồn xoay chiều. Nếu điện cực nối chung là katôt, ta có sơ đồ katôt chung, nếu điện cực nối chung là anôt, ta có sơ đồ nối anôt chung. Các cực cùng tên của các van được nối lại với nhau tạo thành 1 cực của điện áp chỉnh lưu. Cực còn lại là trung tính của nguồn. Số đập mạch của điện áp chỉnh lưu bằng số pha của điện áp xung Hệ thống điện áp nguồn xoay chiều m pha phải có điểm trung tính nguồn là điện cực còn lại của điện áp chỉnh lưu. 2.3. Nguyên lí làm việc Ở đây xét sơ đồ tia 3 pha katôt nối chung Để một Tiristor mở cần có 2 điều kiện: Điện áp Anôt - Katôt phải dương (UA > 0) Có tín hiệu điều khiển đặt vào điện cực điều khiển và Katôt của van Do đặc điểm trên mà ta có thể điều khiển được thời điểm mở của các van bán dẫn trong khoảng nửa chu kỳ điện áp dương đặt lên van. Với chỉnh lưu pha ở 1 thời điểm bất kỳ luôn có một van dẫn động đó là van nối với pha nào đó có thế dương nhất và có dòng điều khiển. Trong thời gian 1 chu kỳ, 1 pha sẽ lần lượt đạt giá trị cực đại dương cách nhau 1 khoảng thời gian là 1/N chu kỳ, thời gian mở tối đa 1 van là 1/N chu kỳ điện áp. Thời điểm mở tự nhiên của các van trong sơ đồ chỉnh lưu N pha được tính từ thời điểm điện áp trên các van đang mở thấp hơn điện áp đặt lên van kế tiếp. Nếu tính từ thời điểm điện áp của 1 pha bắt đầu dương thì thời điểm mở tự nhiên của van được xác định theo công thức: Nếu ta đưa xung điều khiển tới van chậm hơn so với thời điểm mở tự nhiên của van 1 góc a thì tất cả các van còn lại sẽ mở chậm hơn so với thời điểm mở tự nhiên 1 góc a. Đường cong của điện áp chỉnh lưu và trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu sẽ thay đổi và phụ thuộc vào thời gian mở của các van. Góc a là góc mở và a = 0 – 1800. Khi a = 0 thì hệ chỉnh lưu điều khiển làm việc như sơ đồ không. Do đặc điểm vừa nêu mà trong sơ đồ tia 3 pha các van chỉ mở trong một giới hạn nhất định. Hình 2-9: Đồ thị chỉnh lưu Tiristor hình tia 3 pha Khi biến áp có ba pha đấu sao (Y) trên mỗi pha A,B,C ta nối một van như hình 2-8 ba catot đấu chung cho ta điện áp dương của tải, còn trung tính biến áp sẽ là điện áp âm. Ba pha điện áp A,B,C dịch pha nhau một góc là 1200 theo các đường cong điện áp pha, chúng ta có điện áp của một pha dương hơn điện áp của hai pha kia trong khoảng thời gian 1/3 chu kỳ (1200 ). Từ đó thấy rằng, tại mỗi thời điểm chỉ có điện áp của một pha dương hơn hai pha kia. Nguyên tắc mở thông và điều khiển các van ở đây là khi anot của van nào dương hơn van đó mới được kích mở. Thời điểm hai điện áp của hai pha giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của các van bán dẫn. Các Tiristior chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm góc thông tự nhiên (như vậy trong chỉnh lưu ba pha, góc mở nhỏ nhất = 00 sẽ dịch pha so với điện áp pha một góc là 300). Tại mỗi thời điểm nào đó chỉ có một van dẫn, như vậy mỗi van dẫn thông trong 1/3 chu kỳ nếu điện áp tải liên tục, còn nếu điện áp tải gián đoạn thì thời gian dẫn thông của các van nhỏ hơn. Tuy nhiên trong cả hai trường hợp dòng điện trung bình của các van đều bằng 1/3.Id. Trong khoảng thời gian van dẫn dòng điện của van bằng dòng điện tải, trong khoảng van khoá dòng điện van bằng 0. Điện áp của van phải chịu bằng điện dây giữa pha có van khoá với pha có van đang dẫn. Ví dụ: Ở pha A, trong khoảngt = 0 → uA > 0 Tuy nhiên ở các khoảngt = 0 /6 uC > uA và t = 5/6 uB > uA Như vậy van T1 nối vào pha A chỉ có thể mở trong khoảngt = /6 ÷ 5/6. Trong khoảng này nếu tín hiệu đến cực điều khiển của T1 thì T1 mở. Tương tự với T2 và T3. Thời điểm0 = t = /6 được gọi là thời điểm mở tự nhiên của sơ đồ chỉnh lưu 3 pha. Nếu truyền tín hiệu mở van chậm hơn thời điểm mở tự nhiên một góc độ điện thì khoảng dẫn dòng của van sẽ thay đổi (nhỏ hơn 2/3) dẫn đến trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu sẽ giảm đi. Khi góc mở càng lớn thì Ud càng nhỏ. Kết luận: So với chỉnh lưu một pha, thì chỉnh lưu tia ba pha có chất lượng điện một chiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn, việc điều khiển các van bán dẫn trong trường hợp này cũng tương đối đơn giản. Với việc dòng điện mỗi cuộn dây thứ cấp là dòng một chiều, nhờ có biến áp ba pha ba trụ mà từ thông lõi thép biến áp là từ thông xoay chiều không đối xứng làm cho công suất biến áp phải lớn. 3. Sơ đồ hình cầu 3.1. Sơ đồ nguyên lý . Hình 2-10: Sơ đồ nguyên lý hệ thống CL- Đ hình cầu 3 pha và sơ đồ thay thế - BA: Là máy biến áp 3 pha dùng để cấp cho mạch chỉnh lưu, trong sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha thì cũng không cần sử dụng BA nếu nguồn cung cấp có điện áp phù hợp với yêu cầu của sơ đồ và yêu cầu cách ly về điện giữa mạch động lực bộ chỉnh lưu với nguồn xoay chiều. - Các van chỉnh lưu có điều khiển từ T1 ÷ T6 dùng để biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha bên thứ cấp BA là Ua, Ub, Uc thành điện áp một chiều đặt lên phụ tải. - Đ là động cơ một chiều. 3.2. Đặc điểm của sơ đồ chỉnh lưu cầu - Số van chỉnh lưu bằng 2 lần số pha của điện áp nguồn cung cấp, trong đó có m van có katôt nối chung (các van 1, 3, 5) tạo thành cực dương của điện áp nguồn; m van có anôt chung (2, 4, 6) tạo thành cực âm của điện áp chỉnh lưu. - Mỗi pha của điện áp nguồn nối với 2 van, 1 ở nhóm anôt chung, 1 ở nhóm katôt chung. - Điểm K nối chung của các van tạo thành cực dương của điện áp chỉnh lưu. - Điểm A nối chung của van tạo thành cực âm của điện áp chỉnh lưu. Điện áp chỉnh lưu có 2 cực tính (+) và (-) 3.3. Nguyên lí làm việc sơ đồ cầu Các van K nối chung mở trong nửa chu kỳ dương. Các van A nối chung mở trong nửa chu kỳ âm. Để tạo ra dòng điện chạy qua phụ tải tại 1 thời điểm phải có 2 van cùng mở (nhưng không cùng pha) Thời điểm mở tự nhiên của các pha thuộc nhóm K nối chung cũng được tính từ thời điểm điện áp trên van mở thấp hơn điện áp đặt lên các van kế tiếp. Trong 1 chu kỳ của điện áp đặt vào mỗi van dẫn dòng trong khoản 1/N chu kỳ. Sự chuyển mạch dòng từ van này sang van khác chỉ diễn ra với các van trong cùng 1 nhóm và độc lập với nhánh khác. Như vậy ở nhóm K nối chung van nào có thể dương nhất thì van đó sẽ mở. Còn nhóm A nói chung van nào âm nhất sẽ mở. Quy luật mở van: Các van cùng nhóm mở lệch nhau 1/3 chu kỳ. Các van cùng pha mở lệch nhau 1/2 chu kỳ. Các van kế tiếp mở lệch nhau 1/6 chu kỳ. Nếu thay đổi điện áp chỉnh lưu thì có thể thay đổi góc mở a tính từ thời điểm mở tự nhiên. Thời gian gian mở tối đa của 1 van là 1/2 chu kỳ. Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng có thể coi như hai sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha mắc ngược chiều nhau, ba Tiristo T1,T3,T5 tạo thành một chỉnh lưu tia ba pha cho điện áp (+) tạo thành nhóm anot ; còn T2,T4,T6 là một chỉnh lưu tia cho ta điện áp âm tạo thành nhóm catot, hai chỉnh lưu này ghép lại thành cầu ba pha. Nguyên lý làm việc của sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha tương tự như hai sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha. Hình 2-11: Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu ba pha Từ kết cấu của sơ đồ chỉnh lưu cầu ta có nhận xét: Để có dòng qua phụ tải thì trong sơ đồ phải có ít nhất 2 van cùng thông, một ở nhóm anôt chung, một ở nhóm katôt chung. Vậy với giả thiết là sơ đồ làm việc ở chế độ dòng liên tục và bỏ qua quá trình chuyển mạch thì khi bộ chỉnh lưu cầu m pha làm việc, ở một thời điểm bất kỳ trong sơ đồ luôn có 2 van có thể dẫn dòng khi có xung điều khiển: Van ở nhóm katôt chung nối với pha có điện áp dương nhất và van ở nhóm anôt chung nối với pha có điện áp âm nhất. Thời điểm mở tự nhiên của sơ đồ cầu cũng được xác định như đối với sơ đồ tia có số pha tương ứng. Để điều khiển điện áp chỉnh lưu trên phụ tải một chiều ta thay đổi thời điểm đưa xung điều khiển đến các cực điều khiển của các van, làm thay đổi khoảng dẫn dòng của van làm điện áp trung bình của chỉnh lưu thay đổi. Đặc điểm của các sơ đồ hình tia là ngoài các thời gian chuyển mạch các van ứng với (là khoảng thời gian khi một van nào đó đang ngừng làm việc và van tiếp sau đang bắt đầu làm việc) dòng điện phụ tải id bằng dòng điện trong van đang mở. Do đó dòng điện trong mạch phụ tải được xác định bởi sức điện động pha làm việc của máy biến áp, còn độ sụt áp trong bộ biến đổi thì được xác định bởi độ sụt áp trên pha đó. Ở sơ đồ cầu, bên ngoài chu kỳ chuyển mạch vẫn có hai van làm việc đồng thời. Dòng điện phụ tải chạy liên tiếp qua hai van và hai pha của máy biến áp dưới tác dụng của hiệu số sức điện động của các van tương ứng, nghĩa là dưới tác dụng của sức điện động dây. Sau một chu kỳ biến thiên của điện áp xoay chiều cả sáu van của bộ biến đổi đều tham gia làm việc. Trị số trung bình của sức điện động chỉnh lưu Ud ở trạng thái dòng điện liên tục được xác định như sau: Ud = Uđmcos Trong đó: Uđm là trị số cực đại của sức điện động chỉnh lưu ứng với trường hợp . Với sơ đồ 3 pha hình tia trị số cực đại của sức điện động chỉnh lưu là: Uđm1 =1,17U2f . Trong đó U2f là trị số hiệu dụng của s.đ.đ pha thứ cấp máy biến áp Kết luận: Chỉnh lưu cầu ba pha hiện nay được sử dụng rất rộng rãi. Đây là sơ đồ chỉnh lưu có chất lượng điện áp ra tốt nhất và có hiệu suất sử dụng biến áp tốt nhất. Tuy vậy, đây cũng là sơ đồ phức tạp nhất do phải mở đồng thời 2 Tiristor theo đúng thứ tự pha do đó gây không ít khó khăn trong quá trình chế tạo, vận hành, sửa chữa. Giá thành cao và mạch điều khiển cũng phức tạp hơn. 4. Kết luận Có nhiều sơ đồ chỉnh lưu đáp ứng được yêu cầu công nghệ. Tuy nhiên ở mỗi sơ đồ có các chỉ tiêu về chất lượng khác nhau, giá thành khác nhau. Vấn đề đặt ra là lựa chọn cho phù hợp. Các sơ đồ một pha tuy rẻ, song có chất lượng điện áp ra kém, nhất là khi góc mở a lớn, truyền động có phạm vi điều chỉnh lớn do đó đòi hỏi góc mở a dao động rộng và như vậy sơ đồ một pha khó đáp ứng được (khi góc a có nguy cơ hệ thống làm việc ở chế độ dòng gián đoạn). Vì những lẽ đó ta chỉ lựa chọn ở sơ đồ ba pha. Sơ đồ cầu ba pha tuy có chất lượng điện áp ra tốt hơn sơ đồ tia ba pha, song nó có giá thành cao và mạch điều khiển cũng phức tạp hơn. Sơ đồ tia ba pha có chất lượng điện áp ra kém hơn (điều này có thể khắc phục bằng các cuộn kháng). Mặt khác, do máy doa 2620A có công suất trung bình (P = 3kw) nên sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu công nghệ. Mặt khác, khi ta sử dụng sơ đồ hình tia 3 pha thì có thể tránh lệch điện áp so với điện áp lưới. IV. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐẢO CHIỀU Do chỉnh lưu Tiristor dẫn dòng theo một chiều và chỉ điều khiển được khi chúng đang ở trạng thái mở, còn khóa theo điện áp lưới cho nên truyền động điện thực hiện khó khăn và phức tạp hơn truyền động máy phát động cơ. Cấu trúc mạch lực cũng như mạch điều khiển hệ truyền động T – Đ đảo chiều có yêu cầu an toàn cao và có lôgic điều khiển chặt chẽ. Có 2 nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ truyền động T – Đ đảo chiều: Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ động cơ Giữ nguyên chiều dòng điện kích từ và đảo chiều dòng phần ứng động cơ Trong thực tế, các sơ đồ truyền động T – Đ đảo chiều có rất nhiều, song đều thực hiện theo 2 nguyên tắc trên và ta đưa ra 2 loại sơ đồ chính như sau: Với nguyên tắc thứ nhất: Giữ nguyên dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ động cơ. Phương pháp này có ưu điểm là giá thành rẻ và đơn giản nhất, song có nhược điểm là thời hạn đảo chiều lớn bằng khoảng (0,5 - 2,5)s, (do hằng số thời gian của cuộn dây kích từ động cơ không lớn) không đáp ứng được yêu cầu của truyền động. Khi đảo chiều thì dòng điện phần ứng lớn sinh ra tia lửu điện ở chổi than, cổ góp làm giảm tuổi thọ máy. Với nguyên tắc thứ hai: Giữ nguyên dòng điện kích từ và đảo chiều dòng phần ứng động cơ. Phương pháp này có 2 trường hợp như sau: + Đảo chiều dòng điện phần ứng bằng cách sử dụng các tiếp điểm bằng cơ. Phương pháp này có ưu điểm là vốn đầu tư nhỏ dễ điều chỉnh. Tuy có thời gian đảo chiều nhỏ hơn nhưng van không thể dưới 0,1s vì trong quá trình đảo chiều, phải đảm bảo thứ tự tác động nhất định trong hệ thống điều khiển truyền động điện. Phát sinh hồ quang khi công tắc tơ đóng cắt. Sử dụng cho truyền động công suất nhỏ, tần số đảo chiều thấp. + Đảo chiều dòng điện phần ứng bằng cách sử dụng 2 BBĐ song song ngược Đối với các hệ thống truyền động yêu cầu đảo chiều nhanh và cần có trạng thái động cơ hay trạng thái hãm trong cùng một chiều quay của động cơ, người ta sử dụng các sơ đồ có hai nhóm van (bộ biến đổi kép). Mỗi nhóm dẫn dòng điện theo một chiều nên bộ biến đổi có khả năng dẫn điện theo cả hai chiều. Bộ biến đổi như vậy có thể được nối theo nhiều sơ đồ khác nhau. Có 2 bộ chỉnh lưu điều khiển là sơ đồ đấu chéo và sơ đồ song song ngược. Về mặt nguyên lý thì sơ đồ đấu chéo hoặc sơ đồ song song ngược hoạt động tương tự như nhau. Khi BBĐ này làm việc thì BBĐ kia nghỉ, khi đổi chế độ của BBĐ thì dòng điện qua tải được đổi chiều. Mọi loại sơ đồ đều có những ưu điểm riêng thích hợp với từng loại tải và yêu cầu công nghệ. Vấn đề đặt ra là người thiết kế phải chọn ra phương án phù hợp với yêu cầu công nghệ của từng loại máy. Kết luận: Trên thực tế người ta hay sử dụng sơ đồ đấu song song ngược với các phương pháp điều khiển khác nhau. Trong sơ đồ song song ngược, cả hai nhóm van đều đựơc cung cấp từ một nhóm dây cuốn thứ cấp của máy biến áp. V. PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN Để điều khiển 2 BBĐ song song ngược có thể sử dụng 2 phương án sau: 1. Phương án điều khiển riêng rẽ (điều khiển độc lập) Hình 2-12: Sơ đồ mạch điều khiển riêng rẽ Là sử dụng 2 bộ phát xung độc lập nhau. Khi bộ phát xung này làm việc (phát xung mở cho BBĐ) thì bộ phát xung kia nghỉ, do đó các van trong bộ biến đổi còn lại không thể mở được. Khi cần đảo chiều thì cho bộ này nghỉ, sau đó cho bộ thứ 2 phát xung để mở các van của BBĐ 2. Sử dụng bộ biến đổi điều khiển riêng có ưu điểm là không có dòng điện cân bằng chạy qua 2 bộ chỉnh lưu nên không cần phải sử dụng cuộn kháng cân bằng. Làm việc an toàn, song cần một khoảng thời gian trễ trong đó dòng điện động cơ bằng không. Ngoài ra phương pháp điều khiển riêng có nhược điểm là tần số đảo chiều không cao vì các van Tiristor cần có thời gian để khôi phục đặc tính khóa của nó. 2. Phương án điều khiển chung (phụ thuộc) Ở phương pháp điều khiển chung cả 2 bộ phát xung cùng phát xung đến các BBĐ, trong đó một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lưu, bộ còn lại làm việc ở chế độ nghịch lưu chờ. Khi sử dụng phương pháp này, sẽ có dòng điện không cân bằng chạy trong các BBĐ. Để hạn chế dòng điện này người ta sử dụng các cuộn kháng cân bằng. Khi cả 2 sơ đồ chỉnh lưu đồng thời làm việc thì giá trị của điện áp tức thời trên đầu ra của 2 sơ đồ (lấy trước cuộn kháng cân bằng) thường không bằng nhau. Điều này tạo nên một sự chênh lệch điện thế và khi chúng tác động thuận chiều dẫn dòng của các van trong 2 sơ đồ chỉnh lưu sẽ gây nên dòng điện khép vòng qua các van này và các pha nguồn cung cấp xoay chiều mà không đi qua tải của BBĐ, nó thường được gọi là dòng cân bằng. Do tổng trở của nguồn rất nhỏ nên giá trị của dòng điện có thể rất lớn dẫn đến làm hỏng các van và phá hủy chế độ làm việc của bộ biến đổi. Do thành phần một chiều của dòng không cân bằng không có mà chỉ có thành phần xoay chiều nên ta có thể sử dụng cuộn cảm cân bằng (CB1 ÷ CB4) để hạn chế dòng điện cân bằng giữa hai bộ biến đổi. Đặc điểm của điện cảm là hạn chế được dòng điện xoay chiều nhưng lại cho dòng điện một chiều đi qua dễ dàng và không nên tổn thất công suất tác dụng. Giá trị đó thường lớn hơn 4 hay 5 lần điện cảm cuộn kháng cân bằng. Điện áp của hai bộ biến đổi đều đặt lên tải. Ta thấy rằng điện áp cân bằng phụ thuộc rất nhiều vào góc điều khiển của các sơ đồ chỉnh lưu. Khi góc điều khiển của một sơ đồ thay đổi trong khoảng từ 00 ÷ 600 thì điện áp cân bằng đập mạch 3 lần trong một chu kỳ của nguồn. Còn khi góc điều khiển của một sơ đồ nằm trong vùng lớn hơn khoảng từ 600 ÷ 900 thì điện áp cân bằng đập mạch 6 lần trong một chu kỳ của nguồn xoay chiều. Kết luận: Từ những phân tích trên ta thấy do tính chất dẫn dòng theo một chiều của chỉnh lưu và để phù hợp với truyền động có công suất đã chọn ta dùng phương án đảo chiều trong hệ T- Đ là dùng 2 bộ biến đổi. Một bộ biến đổi làm việc ở chế độ thuận, một bộ thuận làm việc ở chế độ ngược. Để điều khiển các bộ biến đổi ta dùng phương pháp điều khiển chung. Đây là phương pháp được dùng phổ biến trong các hệ truyền động đảo chiều tần số lớn mà còn giảm số lượng thiết bị. Hình 2-13: Sơ đồ nối song song ngược của hệ thống CL – Đ có đảo chiều quay VI. TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC Việc tính chọn thiết bị có một ý nghĩa rất quan trọng cả về mặt kỹ thuật và kinh tế.Việc tính chọn càng chính xác, tỉ mỉ bao nhiêu thì hệ thống làm việc càng an toàn bấy nhiêu. Hơn nữa, việc tính chọn thiết bị chính xác còn nâng cao được hiệu suất của hệ thống. Nếu tính chọn thiếu chính xác thì hệ thống có thể làm việc kém chất lượng hoặc không làm việc được. Vì vậy, việc tính chọn thiết bị phải đáp ứng được các yêu cầu sau: - Về mặt kỹ thuật phải đảm bảo yêu câu công nghệ và các thông số phù hợp với thiết bị. - Về mặt kinh tế, các thiết bị được chọn trong khi thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật phải đảm bảo có chi phí mua sắm hợp lý. 1. Chọn động cơ truyền động Động cơ được chọn là động cơ 1 chiều kích từ độc lập có: - Điện áp định mức : Uđm = 220V, - Tốc độ định mức: nđm = 1200v/p, - Công suất động cơ: P = 3 kW, - Dòng điện định mức: Iđm = 17,5A, Rư + Rcp = 1,43, - Số cực: 2p = 4, - Số mạch nhánh song song 2a = 2, - Hiệu suất: = 0,8 = 80% - Sai lệch tĩnh - Dải điều chỉnh D = 20:1 Kiểu (%) Rư + Rcp 3 220 17,5 1200 80 1,43 2. Các thông số cơ bản còn lại của động cơ - U2a,U2b,U2c: Sức điện động thứ cấp máy biến áp nguồn - E: Sức điện động của động cơ - R, L: Điện trở, điện cảm trong mạch R = 2.Rba + Ru + Rk + Rdt L = 2.Lab + Lu + Lk - Rba, Lba: Điện trở, điện cảm của MBA qui đổi về thứ cấp. - Rk, Lk: Điện trở và điện cảm cuộn kháng lọc - Điện trở mạch phần ứng động cơ được tính : = 0,5.(1 – 0,8).= 1,25() - Điện cảm mạch phần ứng động cơ được tính theo công thức: (H) = 100 (mH) Trong đó: Lấy g = 0,25 là hệ số lấy cho động cơ điện một chiều có cuộn bù. - Vận tốc góc và từ thông định mức: Wb - Mômen định mức và ngắn mạch: Mômen điện từ của động cơ ở chế độ định mức, bỏ qua tổn hao cơ và sắt từ thì có thể coi: M = Mcơ ≈ Mđt = KФđm.Iđm = 1,57.17,5 = 27,475(Nm) Dòng điện ngắn mạch của dộng cơ: Inm = Uđm/Ru = 220/1,25 =176A Mômen ngắn mạch: Mnm = KФđm.Inm = 1,57.176 = 276,32(Nm) 3. Tính chọn van động lực Hai thông số quan tâm nhất khi chọn van bán dẫn cho chỉnh lưu là điện áp và dòng điện, các thông số còn lại là những thông số tham khảo khi lựa chọn. Khi đã đáp ứng được hai thông số cơ bản trên các thông số còn lại có thể tham khảo theo gợi ý sau: Loại van nào có sụt áp ∆U nhỏ hơn sẽ có tổn hao nhiệt ít hơn. Dòng điện rò của loại van nào nhỏ hơn thì chất lượng tốt hơn. Nhiệt độ cho phép của loại van cao hơn thì khả năng chiụ nhiệt tốt hơn Điện áp và dòng điện điều khiển của loại van nào nhỏ hơn, công suất điều khiển thấp hơn. Loại van nào có thời gian chuyển mạch bé mạch bé hơn sẽ nhạy hơn. Tuy nhiên, trong đa số các van bán dẫn, thời gian chuyển mạch thường tỷ lệ nghịch với tổn hao công suất. Các van động lực được lực được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là: Dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều khiển tỏa nhiệt, điện áp làm việc. Các thông số cơ bản của van động lực được tính như sau: - Điện áp ngược của van: Ulv = knv.U2 với U2 = = = 188,03(V) Trong đó : + Knv= 2,495 là hệ số điện áp ngược (so với điện áp xoay chiều) + Ku = 1,17 là hệ số điện áp tải chỉnh lưu có điều khiển hình tia 3 pha đối xứng + Ud = 220v là điện áp tải → Ulv = 2,495.188,03 = 469,149(V) - Để có thể chọn van theo điện áp hợp lý thì điện áp ngược của van cần phải chọn lớn hơn điện áp làm việc qua hệ số dự trữ kdtU. Hệ số đó chọn lớn hơn 1,6. Ở đây chọn kdtU = 2 Unv = KdtU . Ulv = 2 .460,149 = 920,298 920 (V). - Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng: Ilv = Ihd = Khd .Id = 0,58.17,5 = 10,15 (A) Trong đó: + Id = 17,5A là dòng điện tải + Khd = 0,58 là hệ số hiệu dụng (Được tra từ bảng 1.2 sách Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất của tác giả Trần Văn Thịnh) - Với các điều kiện làm việc ở trên ta chọn điều kiện làm việc của van là cánh toả nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt, không có quạt đối lưu không khí, với điều kiện làm việc đó dòng điện định mức của van cần chọn: IdmV = Ki .Ilv = 4. 10,15 = 40,6 (A) 41(A) Trong đó: Ki = 4 là hệ số dự trữ dòng điện. Từ thông số Unv, Idm tính được và theo bảng phụ lục 2 (sách Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất của tác giả Trần Văn Thịnh) ta chọn 6 Tristor loại T46N600COC do Mỹ sản xuất có các tham số sau: + Điện áp ngược cực đại: Un = 600 V + Dòng điện địng mức của van: Idm = 46A + Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 1000 A + Dòng điện xung điều khiển: Idk = 0,15 A + Điện áp của xung điều khiển: Udk = 2,5 V + Dòng điện rò: Ir = 10 mA + Sụt áp lớn nhất của Tiristor ở trạng thái dẫn là: = 1,9V + Tốc độ biến thiên điện áp: 400V/s + Thời gian chuyển mạch: tcm = 60 + Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: Tmax = 1250C 4. Tính toán máy biến áp chỉnh lưu Như ở phần thiết kế ta đã chọn máy biến áp có tổ nối dây /Y làm mát bằng không khí, Việc chọn sơ cấp đấu có tác dụng sẽ triệt tiêu được sóng điều hòa bậc 3 nên dạng sóng sẽ sin hơn. Dựa vào các thông số của tảu và bộ chỉnh lưu ta tính toán các thông số cho máy. Máy biến áp được chọn theo điều kiện: + Sđmba ≥ Stt + I1fđm ≥ I1dm + I2fđm ≥ I2dm + U2fdm ≥ Ku.Kr.Kσ.Ka.Udm - Tính công suất biểu kiến máy biến áp: Sba = Ks.Pdmax (KVA) Trong đó: ks = 1,345 là hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực (tra bảng 1.2 sách Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất của tác giả Trần Văn Thịnh). Pdmax = Uđm .Id = 220.17,5 = 3850W là công suất cực đại của tải. Thay vào công thức trên ta có: Sba = Ks.Pdmax = 1,345.3850 = 5178,25W ≈ 5,178(KVA) Vậy ta chọn công suất thiết kế của máy là: Sba = 20(KVA) - Điện áp sơ cấp máy biến áp (MBA): U1f = Ulưới = 380(V) do sơ cấp đấu - Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp được chọn theo biểu thức: U2f = (V) Với Udo = , Ud = Uđm +2.∆Uv + ∆Uba + ∆Udn Trong đó: - ∆Uv = 1,9v là sụt áp trên mỗi Tiristor - ∆Uba là sụt áp trên máy biến áp, chọn ∆Uba = 6% Uđm =0,06.220 =13,2v - ∆Udn là sụt áp trên điện trở dây nối, có thể bỏ qua, ∆Udn ≈ 0 Ud = 220 + 2.1,9 + 13,2 + 0 = 237 (V) Với là góc dự trữ khi có suy giảm điện lưới Udo = = 240,65(V) Từ đó ta tính được điện áp pha thứ cấp của máy biến áp là: U2f = = = 205,68(V) - Chọn giá trị hiệu dụng của dòng pha thứ cấp MBA: I2 == .17,5 = 10,1(A) Trong đó: k2 là hệ số dòng điện hiệu dụng thứ cấp, với tia 3 pha thì k2 = - Giá trị hiệu dụng của dòng pha sơ cấp của MBA: I1 = Kba.I2 = .I2 = .10,1 = 5,46(A) Kiểu U1fđm (v) U2fđm (v) Sđm (Kva) I1đm (A) I2đm (A) TM-20/6 380 205,68 20 5,46 10,1 5. Tính chọn cuộn kháng cân bằng Ucb Ud2 Ud1 wt wt wt Khi hệ thống làm việc sẽ có những thời điểm hai van của hai bộ biến đổi ở hai pha cùng mở. Lúc đó dòng cân bằng sẽ chạy từ pha có điện áp tức thời lớn hơn sang pha kia; dòng cân bằng này khiến cho bộ biến đổi phải làm việc nặng nề hơn và nó có khả năng phá hỏng các Tiristo nếu ta không tìm cách hạn chế. Vì vậy nhất thiết phải đặt thêm cuộn kháng cân bằng. Để minh hoạ ta xét a1 = 300, a2 = 1500: Qua hình vẽ ta thấy rằng: Trong khoảng thời gian từ 0 ¸ q1 dòng cân bằng chảy từ T5 vào T2. Từ q2 ¸ q3 dòng cân bằng chạy từ T1 vào T4. Chênh lệch điện áp giữa hai bộ biến đổi là: u12 = uT5 - uT2 = uT1- uT4 = ua - ub = u2.sin(wt + p/6) Gọi X1 = X2 = X là điện kháng của hai cuộn kháng cân bằng. Dịch gốc toạ độ theo chiều wt một góc 1500 điện thì: u12 = -u2 sinq, với q = wt u12 = 2X(di/dwt) Û u2.sinq = 2X (di/dwt) Þi = (u2.coswt)/ 2X + C Khi wt = q2 thì icb = 0 Û i = [u2 (coswt - cosq2)] / 2X Giá trị trung bình của dòng điện cân bằng: Lưu ý rằng với gốc mới 0' thì q2 = - q3 Qua giản đồ điện áp ta dễ thấy với a = 600 thì thời gian tồn tại dòng cân bằng là lớn nhất. Ta cần tính toán giá trị X sao cho Icb £ 10 % Iđm. Với a = 600 thì: Icb = (0,3424 u2 )/ 2pX Þ L CK1 ³ (0,3424 u2) / (2pw. 0,1.0,9) Þ LCK1 ³ 0,123 (H) Ta chọn cuộn kháng cân bằng có các thông số: LCK = 123 (mH) RCK = 0,48 (W) 6. Tính chọn cuộn kháng san bằng Cuộn kháng san bằng có tác dụng lọc thành phần xoay chiều của dòng điện . Ta biết rằng khi góc mở a = p/2 thì điện áp ra có phần nửa âm bằng nửa dương. Tức là lúc này thành phần xoay chiều là dữ dội nhất, ta sẽ tính cuộn kháng theo góc a này. Để đơn giản ta bỏ qua ảnh hưởng của cuộn cân bằng. 0 Ucb wt 0 Ucb wt Nếu lấy gốc toạ độ là 01 thì ta có thể viết: Ud = u2sinwt Khai triển Furie của điện áp ud ta có: Ud = b1sin3wt + b2sin6wt + ... + bnsin3nwt n = 1, 2, 3, ... Tương tự ta có: Trị hiệu dụng của các thành phần xoay chiều: Ud1 = ÷ (b1/ )÷ = 161,26 (V) Ud2 = ÷ (b2/ )÷ = 73,72 (V) Giá trị hiệu dụng của các thành phần dòng xoay chiều (khi bỏ qua điện cảm của động cơ và điện trở thuần) là: (Trong đó: CK, CK1là cuộn kháng cân bằng và san bằng) → Tổng giá trị hiệu dụng của các thành phần dòng xoay chiều: Þ Ixc phải thoả mãn nhỏ hơn 10 % Iđm Þ LCK ³ 0,193 (H) Từ đây ta chọn cuộn kháng cân bằng có các thông số sau: LCK = 200 (mH) RCK = 0,48 (W) Từ đó ta tính được: I1 = 0,877 (A) ; I2 = 0,2 (A) Công suất tác dụng của cuộn kháng san bằng: P = (I2đm + I12 + I22)RCK = 39 (W) Công suất phản kháng của cuộn kháng: Q = X1I12 + X2I22 = 56 (VAR) Công suất biểu kiến của cuộn kháng: = 68 (VA) 7. Tính chọn thiết bị mạch bảo vệ Ta biết rằng các Tiristo là phần tử rất nhạy với sự biến thiên đột ngột của điện áp hay dòng điện, đặc trưng cho những hiện tượng này là gia tốc dòng điện và điện áp di/ dt và du/dt. Các nguyên nhân gây ra những hiện tượng này bao gồm: Quá gia tốc dòng, áp do quá trình chuyển mạch. Quá gia tốc dòng, áp do cộng hưởng. Quá gia tốc dòng, do cắt máy biến áp ở chế độ không tải hay tải nhỏ. Để bảo vệ an toàn cho các van trước những tác nhân nêu trên ta dùng các phần tử R-C mắc song song với các Tiristo như hình vẽ R C T Trị số của R, C có thể tra theo các đường cong được xây dựng bằng máy tính. 7.1. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn Khi van bán dẫn làm việc, có dòng điện chạy qua, trên van có sụt áp ∆U. Do đó có tổn hao công suất ∆P. Tổn hao này sinh nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác, van bán dẫn chỉ cho phép hoạt động trong nhiệt độ cho phép. Nếu quá nhiệt thì van sẽ bị hỏng do đó mà phải tính toán nhiệt cho van để van hoạt động bình thường. - Tổn thất công suất trên một Tristor là: ∆P = ∆U.Ilv = 2,2.11,93 = 26,246(W) - Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: Stn = (W/m2) Trong đó: + ∆P là tổn hao công suất (W) + τ là độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường + Chọn nhiệt độ của môi trường là Tm = 400C, nhiệt độ làm việc cho phép của Trisitor là Tcp = 1250C, chọn nhiệt độ cánh tỏa nhiệt của Trisitor là 800C. → τ = Tlv – Tmt = 80 - 40 = 400C + Km là hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ, chọn Km = 8 (W/m2 0C) - Chọn loại cánh tỏa nhiệt có 12 cánh, kích thước của mỗi cánh là: - Tổng diện tích tỏa nhiệt của cánh: STN = 12.2.10.10 = 2400 (cm2) 7.2. Bảo vệ quá dòng điện cho van Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động cắt mạch khi quá tải và khi ngắn mạch Trisitor, ngắn mạc ở đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp MBA, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu. - Chọn 1 Aptomat có dòng điện chạy qua aptomat là: - Dòng điện aptomat cần chọn là: Iđm = 1,1.Ilv = 1,1.5,363 = 5,899(A), U = 380/220(V), có 3 tiếp điểm chính có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện. - Chỉnh định dòng ngắn mạch: Inm = 2,5.Ilv =2,5.5,363 = 13,4075(A) - Dòng quá tải: Iqt = 1,5.Ilv = 1,5.5,363 = 8,0445(A) → Từ các thông số trên ta chọn Aptomat NF50-UH (sách cung cấp điện) do hãng Mistsubishi chế tạo có dòng điện định mức là: Iđm = 10A, Uđm = 380V - Chọn cầu dao có dòng điện định mức: Iđm = 1,1. Ilv = 1,1.5,363 = 5,9(A) - Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sửa chữa hệ thống truyền động và dùng để đóng cắt bộ nguồn chỉnh lưu khi khoảng cách từ nguồn cung cấp tới bộ chỉnh lưu đáng kể. - Ngắn mạch trong hệ thống Tiristor có thể xảy ra do ngắn mạch bên ngoài hay bên trong một hệ thông Tiristor nào đó bị xuyên thủng. Bảo vệ ngắn mạch được thực hiện bằng cách dùng cầu chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Trisitor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu. Còn cầu chảy bình thường có khả năng cắt dòng kém hơn. - Dây chảy trong cầu chảy bảo vệ cần có dòng định mức bằng hoặc lớn hơn dòng điện cần bảo vệ song không được vượt quá 10% dòng điện cần bảo vệ. - Tùy theo yêu cầu bảo vệ mà ta có thể đặt cầu chảy ở các pha sơ cấp, hoặc ở thứ cấp MBA, hoặc ở đầu ra bộ biến đổi, hoặc ở từng Tiristor. Nhóm 1cc: Dòng điện định mức nhóm 1cc là I1cc = 1,1.I2 = 1,1.9,74 = 10,714(A) Nhóm 2cc: Dòng điện định mức nhóm 2cc là I2cc = 1,1.Ihd = 1,1.6,9194 = 7,4113(A) Nhóm 3cc: Dòng điện định mức nhóm 3cc là I3cc = 1,1.Id = 1,1.11,93 = 13,123(A) Vậy chọn cầu chì có dây chảy nhóm: - 1cc loại 15A - 2cc loại 10A - 3cc loại 20A 7.3. Bảo vệ quá điện áp cho van Phải có quá trình bản vệ quá điện áp cho van vì do trong quá trình đóng cắt các Trisitor được thực hiện bằng cách mắc các R – C song song với Trisitor. Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tụ trong lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo thành dòng điện ngược trong khoamngr thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho qua điện áp giũa anot và katot của Trisitor. Khi có mạch R – C mắc song song với Trisitor tạo ra mạch phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Trisitor không bị quá điện áp. Theo kinh nghiệm chọn R = (5 ÷ 30), C = (0,25 ÷ 4)μF. Ở đây chọn R = 12,5 Ώ, C = 0,75 μF. VII. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MẠCH LỰC Như đã phân tích ở trên phương án truyền động tối ưu đáp ứng được yêu cầu công nghệ là hệ T – Đ. Sơ đồ nối dây mạch chỉnh lưu là chỉnh lưu hình tia 3 pha. Mặt khác, theo yêu cầu công nghệ của hệ truyền động thì động cơ làm việc có đảo chiều, nên ta dùng 2 bộ chỉnh lưu có điều khiển song song ngược. Việc tiến hành phương pháp điều khiển các bộ biến đổi được tiến hành bằng phương pháp điều khiển chung. Từ đó ta có thể xây dựng được sơ đồ mạch động lực như sau: Hình 2-14: Mạch động lực các thiết bị bảo vệ 1.Giới thiệu thiết bị trong sơ đồ: - Aptomat, cầu dao đóng điện. - Máy biến áp cung cấp nguồn cho bộ chỉnh lưu. - Mạch chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển dùng các tiristor cấp nguồn một chiều cho động cơ, gồm hai bộ thuận ngược chiều mắc song song. - Cuộn kháng CK có tác dụng lọc dòng phần ứng. - Máy biến dòng dùng để lấy tín hiệu dòng cho khâu phản hồi âm dòng có ngắt. - Đ động cơ 2. Nguyên lý làm việc của mạch động lực Ban đầu để đưa hệ thống vào làm việc ta đóng áptômát AP → hệ thống được cấp nguồn. Tuy nhiên lúc này động cơ chưa làm việc. Giả sử BBĐ1 (gồm các van: T1, T2, T3) khi làm việc ở chế độ chỉnh lưu thì động cơ quay thuận; BBĐ2 (gồm các van: T4, T5, T6) khi làm việc ở chế độ chỉnh lưu thì động cơ quay ngược. Khi ta phát xung đến mở cho các van ở BBĐ1 với góc mở a1 900 với quan hệ góc mở: a1 + a2 = 1800. Lúc này ở đầu ra của hai BBĐ có điện áp ra là: ud1 và ud2 ud1 = Ud0cosa1 ud2 = Ud0 cosa2 Điện áp đặt lên động cơ là ud, điện áp cân bằng là điện áp giữa hai điểm N-M ud = uk - 0 ucb = ud1 + ud2 = ud1 - (- ud2 ) Điện áp ud đặt nên phần ứng động cơ và động cơ sẽ quay thuận. Ta có giản đồ điện áp ud, ud1, ud2, ucb, icb và dòng qua các van như hình vẽ (trên hình vẽ a1= 300, a2 = 1500). Ta thấy rằng do tồn tại điện áp ucb mà sinh ra dòng điện icb và như vậy dòng qua các van ngoài thành phần dòng Id qua động cơ còn dòng icb. Dòng icb chỉ chạy quanh giữa hai BBĐ, do điện trở thuận của các van nhỏ nên với một ucb nhỏ cũng sinh ra dòng icb có biên độ lớn có nguy cơ phá hỏng các van, vì vậy phải có biện pháp hạn chế dòng icb này. Trong sơ đồ sử dụng hai cuộn kháng CK1 và CK2 có Lk lớn để đảm bảo Icb £ 10% Id. Như ta biết rằng cuộn kháng có Rk nhỏ, Lk lớn và dòng cân bằng là dòng đập mạch. Như vậy cuộn kháng dễ dàng cho thành phần dòng một chiều Id đi qua và cản hiệu quả dòng đập mạch icb. Cuộn kháng CK có nhiệm vụ san phẳng dòng điện tải Id. PHẦN III: THIẾT KẾ MẠCH PHÁT XUNG ĐIỀU KHIỂN I. KHÁI QUÁT CHUNG Phần trước chúng ta đã nghiên cứu sự hoạt động sơ đồ mạch động lực bộ chỉnh lưu có điều khiển. Như ta đã biết, để các van của bộ chỉnh lưu có thể mở tại thời điểm mong muốn thì ngoài điều kiện tại thời điểm đó trên van có điện áp thuận thì trên cực điều khiển G và K của van phải có điện áp điều khiển (thường gọi là tín hiệu điều khiển). Để có hệ thống các tín hiệu điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu mở van người ta sử dụng mạch điện tạo ra các tín hiệu đó gọi là mạch điều khiển hay còn gọi là hệ thống điều khiển mạch chỉnh lưu. Điện áp điều khiển các Tiristor phải đáp ứng được các yêu cầu cần thiết về công suất, biên độ cũng như thời gian tồn tại. Do đặc điểm của Tiristor là khi van đã mở thì việc tồn tại tín hiệu điều khiển nữa hay không cũng không ảnh hưởng đến dòng qua van. Vì thế hạn chế công suất của mạch phát tín hiệu điều khiển và giảm tổn thất trên vùng cực điều khiển tạo ra các tín hiệu điều khiển Tiristor có dạng xung. Do đó mạch điều khiển còn được gọi là mạch phát xung điều khiển. Các xung điều khiển được tính toán về độ dài xung sao cho đủ thời gian cần thiết để mở van với mọi loại phụ tải có thể có trong sơ đồ làm việc. Thông thường độ dài xung thường nằm trong giới hạn 200 μs đến 600 μs. Các hệ thống phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu hiện nay được phân thành 2 nhóm: Nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ Nhóm các hệ thống điều khiển không đồng bộ II. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT XUNG ĐIỀU KHIỂN Các hệ thống điều khiển đồng bộ hiện nay thường sử dụng ba phương pháp phát xung chính là: Phát xung điều khiển theo pha đứng. Phát xung điều khiển theo pha ngang. Phát xung điều khiển sử dụng diốt hai cực gốc. 1. Phương pháp phát xung điều khiển theo nguyên tắc pha đứng Hệ thống này tạo ra các xung điều khiển nhờ việc so sánh giữa tín hiệu điện áp tựa hình răng cưa thay đổi theo chu kì điện áp lưới và có thời điểm xuất hiện phù hợp góc pha của lưới với điện áp điều khiển một chiều thay đổi được. Hệ thống này có nhược điểm là khá phức tạp, song nó có những ưu điểm nổi bật như khoảng điều chỉnh góc mở a rộng, ít phụ thuộc vào sự thay đổi của điện áp nguồn, dễ tự động hoá, mỗi chu kì của điện áp anốt của Tiristo chỉ có một xung được đưa đến mở nên giảm tổn thất trong mạch điều khiển... Do đó hệ thống này được sử dung rộng rãi. 2. Phương pháp phát xung điều khiển sử dụng điốt hai cực gốc (UJT ) Phương pháp này cũng tạo ra các xung nhờ việc so sánh giữa điện áp răng cưa xuất hiện theo chu kì nguồn xoay chiều với điện áp mở của UJT. Phương pháp này mặc dù đơn giản nhưng có nhược điểm là góc mở a có phạm vi điều chỉnh hẹp vì ngưỡng mở của UJT phụ thuộc vào điện áp nguồn nuôi. Mặt khác, trong một chu kì điện áp lưới mạch thường đưa ra nhiều xung điều khiển nên gây tổn thất phụ trong mạch điều khiển. 3. Phương pháp phát xung điều khiển theo pha ngang Ở phương pháp này người ta tạo ra điện áp điều khiển hình sin có tần số bằng tần số nguồn và góc pha điều khiển được (dùng các cầu R- C hoặc cầu R - L). Thời điểm xuất hiện xung trùng với góc pha đầu của điện áp điều khiển. Phương pháp này có nhược điểm là khoảng điều chỉnh góc mở a hẹp, rất nhạy với sự thay đổi của dạng điện áp nguồn, khó tổng hợp nhiều tín hiệu điều khiển... Do vậy thường ít được sử dụng. Kết luận: Qua những phân tích ở trên ta thấy rằng với yêu cầu công nghệ của truyền động ăn dao của máy Doa là khoảng điều chỉnh rất rộng, độ sụt tốc độ nhỏ nên phải sử dụng các phản hồi. Tức là cần phải tổng hợp nhiều tín hiệu điều khiển. Do vậy, phương án điều khiển theo nguyên tắc pha đứng là phù hợp hơn cả. III. PHÁT XUNG ĐIỀU KHIỂN THEO NGUYÊN TẮC PHA ĐỨNG 1. Sơ đồ khối hệ thống điều khển theo nguyên tắc pha đứng 1.1. Giới thiệu sơ đồ Trong hệ thống truyền động ta dùng các hệ thống phát xung điều khiển đồng bộ, khống chế theo nguyên tắc pha đứng với sơ đồ khối như sau: Hình 3-1: Sơ đồ khối khâu phát xung theo nguyên tắc pha đứng. Ta thấy có thể phân chia mạch điện hệ thống ra làm 3 khối chức năng như sau: Khối 1: Khối đồng bộ hóa và phát xung răng cưa, khối này có nhiệm vụ lấy tín hiệu đồng bộ hóa và phát ra sóng điện áp hình răng cưa đưa vào khối so sánh. Khối 2: Khối so sánh có nhiệm vụ so sánh tín hiệu điện áp hình răng cưa URC và điện áp điều khiển Uđk để phát ra xung điện áp đưa tới mạch tạo xung. Khối 3: Khối tạo xung có nhiệm vụ tạo ra các xung điều khiển đưa tới cực điều khiển của Thyristor. U1: Điện áp lưới xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu. Urc: Điện áp tựa hình răng cưa lấy từ đầu ra của khối ĐBH – FXRC Uđk: Điện áp điều khiển một chiều dùng để điều khiển giá trị góc mở của cực điều khiển của Tiristor. 1.2. Nguyên lý làm việc Điện áp cấp cho mạch động lực của BBĐ được đưa đến mạch đồng bộ hoá của khối 1. Trên đầu ra của mạch đồng bộ hoá có điện áp hình sin cùng tần số với điện áp nguồn cung cấp và được gọi là điện áp đồng bộ. Điện áp đồng bộ được đưa vào mạch phát xung răng cưa để tạo ra điện áp răng cưa cùng tần số với điện áp cung cấp. Điện áp răng cưa và điện áp điều khiển (thay đổi được trị số) đưa vào mạch so sánh sao cho cực tính của chúng ngược nhau. Tại thời điểm trị số của 2 điện áp này bằng nhau thì đầu ra của mạch so sánh thay đổi trạng thái ® xuất hiện xung điện áp. Như vậy xung điện áp có tần số xuất hiện bằng với tần số xung răng cưa ® bằng với tần số nguồn cung cấp. Thay đổi trị số nguồn điều khiển sẽ làm thay đổi thời điểm xuất hiện xung ra của mạch so sánh. Xung này có thể đưa đến cực điều khiển của Tiristor để mở van. Thực tế thì xung đầu ra của mạch so sánh thường không đủ độ rộng và biên độ để mở van, do đó người ta sử dụng mạch khuếch đại và truyền xung. Nhờ đó mà các xung ra của mạch này đủ điều kiện mở chắc chắn các Tiristor. Mỗi Tiristor cần có một mạch phát xung, do đó trong sơ đồ có bao nhiêu van cần có bấy nhiêu mạch phát xung. Vấn đề là phải phối hợp sự làm việc của các mạch phát xung này để phù hợp với quy luật mở các van ở mạch động lực. Từ sơ đồ khối của của mạch ta có thể phân tích và thiết kế từng khối chức năng. Hình 3-2: Nguyên lý điều khển chỉnh lưu 2. Các khâu cơ bản của một mạch phát xung điều khiển theo nguyên tắc pha đứng 2.1. Mạch đồng bộ hóa và phát xung răng cưa (khâu đồng pha) Để tạo ra hệ thống các xung xuất hiện lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và điều khiển được thời điểm xuất hiện xung trong mỗi chu kỳ, ta phải sử dụng các mạch phát xung phát ra các xung đồng bộ với điện áp xoay chiều của bộ chỉnh lưu. Do nguyên tắc làm việc của mạch phát xung điều khiển pha đứng là so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa hình răng cưa nên phải tạo ra điện áp răng cưa có tần số bằng tần số với tần số điện áp xoay chiều. Để tạo ra điện áp răng cưa có yêu cầu như trên cần có mạch đồng bộ và phát xung răng cưa. Mạch đồng bộ hóa: Để tạo ra điện áp đồng bộ theo yêu cầu đặt ra, thường sử dụng hai kiểu mạch đơn giản là mạch phân áp và mạch dùng biến áp đồng bộ. Mạch phân áp là mạch dùng điện trở hoặc kết hợp với điện trở, điện dung, điện cảm nhằm tạo ra điện áp xoay chiều hình sin cùng tần số, trùng hoặc lệch pha so với điện áp cung cấp cho mạch chỉnh lưu. Mạch dùng biến áp đồng bộ là mạch dùng một số biến áp công suất nhỏ để tạo ra điện áp đồng bộ. Thứ cấp của biến áp có thể la một hoặc nhiều cuộn thứ cấp, một pha, ba pha hoặc sáu pha...tùy thuộc vào sơ đồ mạch chỉnh lưu. Đây là loại mạch đồng bộ thường được sử dụng nhiều nhất. Mạch phát sóng rằn cưa: Có thể dùng các mạch phát xung răng cưa như sau: + Mạch dùng diot – điện trở - tụ điện (D-R-C) + Mạch dùng D-R-C và Transitor Sau đây ta sẽ xét một số sơ đồ ĐBH-FXRC: 2.1.1. Sơ đồ sử dụng Transitor và tụ điện Trong trường hợp các bộ biến đổi đòi hỏi phạm vi điều chỉnh tốc độ đến 180˚ điện,người ta thường dùng sơ đồ sau. Hình 3-3: Mạch tạo xung răng cưa và giản đồ thời gian - Thiết bị của mạch gồm: BA: Là máy biến áp đồng bộ để tạo ra tín hiệu đồng bộ hóa. D, Tr: Diot, transitor. R1, R2, R3: Các điện trở. C: Tụ điện. - Nguyên lý làm việc: Ta thấy rằng: tại ωt = 0 thì Ung = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương, tại ωt = 0 điện áp trên tụ C đang bằng 0 (Uc = 0). Sau thời điểm ωt = 0 thì Ung > 0 nên trên Diot D được đặt điện áp thuận, D sẽ mở dẫn đến sẽ có dòng điện từ cuộn thứ cấp BA đi qua R2 và diot D. Nếu bỏ qua sụt điện áp rất nhỏ trên cuộn dây máy biến áp đồng bộ hóa và trên diot D thì R2 được đặt điện áp bằng toàn bộ s.đ.đ thứ cấp BA, tức là Udb. Điện áp sụt trên R2 lúc này có thể âm đặt vào cực phát Tr,còn thế dương đặt vào cực gốc Tr, do vậy mạch cực gốc – phát Transitor của Tr bị đặt điện áp ngược và Tr khóa (không có dòng cực góp). Tr khóa thì tụ C được nạp từ nguồn một chiều cung cấp cho sơ đồ có giá trị ổn định là Ucc. Đến ωt = π thì dòng điện đồng bộ Udb = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ âm. Van D bị đặt điện áp ngược và khóa lại do vậy điện điện áp đồng bộ không còn tác động đến mạch gốc - phát của Tr nữa, lúc này dưới tác động của nguồn cung cấp một chiều qua điện trở R1 nên Tr mở dẫn đến tụ C ngừng nạp và bắt đầu phóng điện qua mạch phát – gốc của Transitor Tr và điện trở R3. Quá trình làm việc được lặp lại cho chu kỳ tiếp theo. Sơ đồ này có ưu điểm là đơn giản, làm việc tin cậy. 2.1.2. Sơ đồ dùng hai transistor Hình 3-4: Mạch dùng hai Transitor - Thiết bị của mạch gồm: - BAĐ: Là máy biến áp đồng bộ xoay chiều một pha gồm một cuộn dây pha sơ cấp và hai cuộn dây pha thứ cấp có cực tính ngược nhau. Để lấy tín hiệu đồng bộ và hai cuộn dây pha thứ cấp còn lại độc lập với hai cuộn dây trên dùng để cung cấp điện áp nguồn nuôi cho mạch điều khiển. - Trên mạch ra của cuộn dây thứ cấp lấy tín hiệu đồng bộ có các phần tử là mạch tạo điện áp răng cưa, trong đó: + Mạch gồm Tr2, ĐZ, R4, WR là mạch ổn định dòng để nạp tụ. + URC là điện áp răng cưa đầu ra của sơ đồ. + U0 là điện áp ổn định trên diot ổn áp DZ. + ic1, ic2 là dòng điện cực góp Tr1, Tr2 - Nguyên lý làm việc: Điện áp Ucb2 giữa cực phát ra và cực Tr2 là Ucb2 = U0 - ic2.RWR, với RWR là trị số điện trở của biến trở WR. Do sụt áp giữa cực phát va cực gốc của một Tranzitor hầu như không đổi nên ta xem Ucb2 = A = const. Do đó ta có: ic2 = (U0- Ucb2)/RWR = 1 = const. Mặt khác, ta lại có dòng điện qua cực góp Tr2 là không đổi. Ta giả thiết rằng: tại t = 0 thì Uđb = 0 và bắt đầu chuyển sang chu kỳ dương, tại t = 0 thì điện áp trên tụ C = 0. Vậy sau thời điểm t = 0 thì Uđb > 0 nên diot D được đặt điện áp thuận, D sẽ mở dẫn đến có dòng điện tử cuộn thứ cấp BAĐ đi qua R2 và D, nếu bỏ qua sụt áp rất nhỏ trên cuộn dây máy biến áp đồng bộ hóa và trên điốt D thì trên R2 được đặt điện áp bằng toàn bộ sức điện động thứ cấp BAĐ tức là Uđb. Điện áp sụt trên R2 lúc này có thể dương đặt vào cực phát Tr2 còn thế âm đặt vào cực gốc Tr1, do vậy mạch gốc phát Tranzitor bị đặt điện áp ngược và Tr1 khóa và tụ được nạp điện bởi dòng cực góp Tr2 có giá trị ổn định. Điện áp trên tụ tăng dần theo quy luật UC = I.t/c đây là quy luật tuyến tính. Hình 3-5: Đồ thị điện áp khâu tạo xung Đến thời điểm t = thì Uđb = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ âm. Van D bị đặt điện áp ngược và khóa lại do vậy điện áp đồng bộ không tác động đến mạch gốc phát của Tr1 nữa lúc này dưới tác động của nguồn cung cấp một chiều qua điện trở định thiên R1 trong mạch định thiên trong kiểu phân áp gồm R1 và R2 mà Tr1 mở. Khi Tr1 mở thì tụ ngừng nạp và bắt đầu phóng điện qua mạch góp phát của Tr1 và điện trở bảo vệ Tranzitor R3. Người ta tính chọn các điện trở R1, R2 và Tr2 sao cho Tr1 mở bảo hòa với dòng cực góp là 1. Vậy tụ C sẽ ngừng phóng điện khi điện áp trên tụ giảm xuống bằng sụt áp bảo hòa của Tr1 cộng với sụt áp trên R3 gây nên bởi dòng mở bảo hoà của Tr1; UR3 = iR3, sụt áp bảo hòa trên một Tranzitor rất nhỏ nên ta có thể bỏ qua, mặt khác R3 và I cũng có giá trị rất nhỏ (1 ÷ 5mA) nên ta có thể bỏ qua sụt áp trên R3. Như vậy thì tụ C phóng đến điện áp bằng không. Đến thời điểm t = vt và do Tr1 vẫn mở nên tụ vẩn giữ nguyên giá trị điện áp bằng không cho đến thời điểm t =2. Tại thời điểm này thì Uđb = 0 và lại bắt đầu chuyển sang dương, điốt D lại được đặt điện áp thuận và lại mở và Tr1 lại bị khóa, do vậy tụ C lại được nạp tương tự như khi t = 0 và sự làm việc của sơ đồ lặp lại như chu kỳ vừa xét. Điện áp răng cưa trên đầu ra cũng chính là điện áp trên tụ C và dạng điện áp ra URC được cho trên đồ thị điện áp. Với sơ đồ này thì biên độ điện áp răng cưa không phụ thuộc vào biện độ điện áp đồng bộ, dạng điện áp ra đã gần giống hình răng cưa và độ dài sườn trước (giai đoạn nạp tụ) cũng đạt đến 1800 ta sẽ sử dụng sườn này của URC. Trong sơ đồ thì R3 là điện trở hạn chế dòng phóng của tụ C qua Tr1 mở để bảo vệ Tr1, còn WR để điều chỉnh tiến độ điện áp răng cưa cho phù hợp với yêu cầu. Nhận xét: Sơ đồ này cho dạng điện áp răng cưa chính xác nhưng do có điện trở bảo vệ R3 mà điện áp trên tụ không giảm về không (0V) được. Mặt khác, điện trở tải nhỏ sẽ ảnh hưởng đến dạng điện áp uRC. 2.1.3. Sơ đồ dùng IC khuếch đại thuật toán. Hình 3-6: Sơ đồ dùng IC khuếch đại thuật toán - Nguyên lý làm việc: - Ở nửa chu kỳ dương Tr khoá, điện áp âm qua R3, R4 dẫn tới đầu vào đảo của IC khiến điện áp ra của IC có giá trị dương và tụ C được nạp bởi điện áp đầu ra này. Dòng nạp cho tụ được xác định là: ic = iv - iI, nếu IC là lý tưởng thì iv = 0 nên ic = - iI Nên ic = const và điện áp trên tụ tuyến tính. - Ở nữa chu kỳ âm, D khoá. Tr mở nhờ cặp điện trở định thiên R1, R2; tụ C phóng điện qua Tr. Điện áp trên tụ giảm về 0V. Nhận xét: Sơ đồ này có ưu điểm là dạng điện áp tựa rất chính xác, dung lượng của tụ C cần rất nhỏ nên không cần điện trở bảo vệ Tr. Mặt khác, do điện trở đầu ra của IC nhỏ nên dạng điện áp ra hầu như không phụ thuộc vào điện trở tải mắc ở đầu ra của IC. Điện áp ra có dạng gần lý tưởng. Để nâng cao chất lượng làm việc của hệ thống ta thì trong đồ án này ta sử dụng mạch như ở sơ đồ hình vẽ sau: Hình 3-7: Sơ đồ mạch tạo xung răng cưa Trong sơ đồ này ta sử dụng mạch dịch pha R-C bằng R1, R2, C để dịch điện áp lấy bên cuộn thứ cấp máy biến áp đồng bộ BAĐ dịch đi một góc 300 và như vậy điện áp đồng bộ sẽ có thời điểm bằng không và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương trùng với thời điểm mở tự nhiên của các Tiristor. - Nguyên lý làm việc: Ta giả thiết trong tại thời điểm thì và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương, chỉ sau thời điểm này một khoảng rất ngắn thì đạt giá trị bằng áp trên tiếp giáp gốc – phát khi mở của Transitor TR1 và lúc đó TR1 sẽ mở bảo hòa. TR1 mở thì TR2 nên TR3 cũng bị khóa và lúc đó tụ điện C1 sẽ được nạp bởi dòng cực góp trên thì TR4. Do cách mắc thì TR4 như sơ đồ ta có dòng cực góp thì TR4 không đổi (vì vậy điện áp trên C1 tăng theo quy luật tuyến tính. Đến thời điểm và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ âm thì không đủ làm mở TR1 nên TR1 khóa lại, dẫn đến TR2 mở nên TR3 mở và lúc đó tụ điện C1 sẽ phóng điện qua TR3 đến điện áp bằng không và sẽ duy trì giá trị bằng không đó cho đến nửa chu kỳ dương tiếp theo của thì TR1 lại mở và tụ điện C1 lại được nạp. Trong sơ đồ này người ta hiệu chỉnh giá trị WR1 để cho điện áp trên C1 bằng Ucc. Điện áp răng cưa là điện áp trên cực góp giữa TR4 so với điểm chung (mát) và nó bằng . 2.2. Khâu so sánh Để tạo ra một hệ thống xung xuất hiện một cách chu kỳ với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa(cũng là chu kỳ nguồn cung cấp cho bộ chỉnh lưu) và điều khiển được thời điểm xuất hiện các xung ta sử dụng mạch so sánh. Có thể thực hiện khâu so sánh theo nhiều mạch khác nhau, nhưng phổ biến nhất hiện nay là sơ đồ so sánh dùng Transitor và dùng IC khuyếch đại thuật toán bằng vi mạch điện tử. Trong sơ đồ mạch so sánh này thường có hai tín hiệu vào là điện áp răng cưa (URC) lấy từ đầu ra của khâu ĐBH – PXRC và điện áp điều khiển một chiều (Uđk). Hai điện áp này được mắc sao cho tác dụng của chúng đối với đầu vào của khâu so sánh là ngược chiều nhau. Có hai cách đấu nối điện áp này trên đầu vào của mạch so sánh: Nối nối tiếp Urc và Uđk còn gọi là mạch tổng hợp nối tiếp Nối Urc và Uđk song song qua các điện trở tổng hợp còn gọi là mạch tổng hợp song song. Việc so sánh với điện áp răng cưa và điện áp điều khiển có thực hiện bằng Tranrito hay vi mạch điện tử. Việc ghép nối các tín hiệu có thể là nối tiếp hay song song miễn là đảm bảo tín hiệu răng cưa và tín hiệu điều khiển có tác dụng ngược chiều nhau. Phương pháp so sánh nối tiếp có ưu điểm là chính xác nhưng khi tín hiệu răng cưa có dạng xoay chiều thì việc so sánh gặp nhiều khó khăn. Do đó ta chỉ sử dụng phương pháp so sánh song song. Trong đồ án này sử dụng sơ đồ so sánh song song dùng vi mạch Hình 3-8: Sơ đồ mạch so sánh - Thiết bị của mạch gồm: - IC1 là IC khuyếch đại thuật toán có nhiệm vụ khuếch đại và so sánh tín hiệu URC và Uđk. URC là điện áp răng cưa có chu kỳ theo điện áp thuận đặt lên các van ở mạch động lực, còn Uđk là điện áp điều khiển một chiều. - Điốt D1 bảo vệ đầu ra của mạch so sánh. - Trong mạch so sánh này, tín hiệu điện áp ra (-ucd) được đưa vào thông qua điện trở 1R6 đó là nguồn 1 chiều có trị số không đổi và là nguồn điện áp âm. Mục đích của việc đưa thêm (- ucd) vào mạch song song với uđk và ur như sau. Chúng ta biết rằng bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu khi các Tiristor mở với góc điều khiển a p/2 thì bộ biến đổi làm nghịch lưu. Còn khi a = 0 (vị trí giao nhau của các điện áp pha của nguồn xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu) thì các van mở tự nhiên và điện áp chỉnh lưu có giá trị lớn nhất. Như đã phân tích ở khối đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa là điện áp răng cưa (ur) có giá trị dương và sườn trước tăng dần theo quy luật tuyến tính còn sườn sau giảm rất nhanh về không, cũng theo quy luật tuyến tính mà mạch điều khiển sử dụng sườn trước của điện áp răng cưa nói trên. Như vậy đưa nguồn (-ucd) vào sẽ làm cho điện áp răng cưa chuyển dịch (tịnh tiến song song với trục điện) xuống theo chiều âm, sao cho tổng đại số uđk + ur = 0 tại vị trí ứng với tại thời điểm điện áp pha của nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu đạt đến trị số điều khiển a = p/2. Vậy tổng đại số điện áp (uđk+ur) đưa vào so sánh với điện áp điều khiển có trị số dương (uđk > 0) sẽ thảo mãn quy luật điều khiển uđk = 0 ® a = p/2 ® ud = 0 uđk­ ® a giảm ® ud tăng uđk¯ ® a tăng ® ud giảm Khi uđk giảm nhỏ hơn không (uđk < 0) thì góc điều khiển a tăng lơn hơn p/2 và bộ biến đổi làm việc nghịch lưu. - Nguyên lý làm việc: Khâu so sánh gồm có 3 tín hiệu điện áp đưa đầu vào (đầu vào của KĐTT 1IC1 làm việc ở chế độ báo hoà) điện áp uđk là tín hiệu ra của mạch khuếch đại trung gian, được sử dụng mạch phát sóng răng cưa được làm điện áp tựa. Điện áp (-ucđ) là điện áp lấy trên điện trở mẫu (Rm) do nguồn chỉnh lưu bên ngoài cung cấp điện áp. Trị số của (-ucđ) thoả mãn điệu kiện ucđ + ur = 0 tại thời điểm a = p/2 (tại uđk= 0). Khuếch đại thuật toán 1IC1 làm việc ở chế độ bão hoà, nghĩa là nó có thể biến đổi tức thì giá trị điện áp trên đầu ra của nó từ mức bão hoà âm sang dương hay từ mức bão hoà dương sang âm khi tín hiệu vào của nó đổi dấu. Vậy tổng đại số ucđ + ur so sánh với uđk sẽ có các trường hợp sau: ur +ucđ 0 (có mức bão hoà dương) ur + ucđ + uđk = 0 ® bắt đầu lật trạng thái ur + ucđ + uđk > 0 ® ura < 0 (có mức bão hoà âm) Như vậy điện áp ra của mạch so sánh là dạng xung có hai mức bão hoà dương và bão hoà âm. Các xung điện áp này được đưa tới đầu vào của khâu tạo xung. Chú ý: giản đồ trên biểu diễn chỉ định tính điện áp trong khâu so sánh nên ta lý tưởng hoá dạng dạng của điện áp răng cưa. p/6 u p wt wt wt ur 2p p ur p 2p Ucđ ur Uđk+ucđ+ur wt 0 0 0 0 a Ur+uđk p/2 UĐK Hình 3-9: Giản đồ điện áp khâu so sánh 2.3 Khâu tạo xung Để đảm bảo độ chính xác của thời điểm xuất hiện xung và tính đối xứng của các xung ở các kênh khác nhau... Nên người ta thiết kế cho khâu so sánh cho công suất xung ra nhỏ, do đó xung ra của khâu so sánh thường chưa đảm bảo các thông số yêu cầu của điện cực điều khiển Tiristor. Để có xung có đủ các thông yêu cầu cần thiết ta phải thực hiện việc khuếch đại xung, thay đổi lại các giải xung và trong một só trường hợp phải phân chia các xung, và cuối cùng là truyền xung từ đầu ra của mạch phát xung đến điện cực điều khiển và katôt của Tiristor. Vì vậy, cần phải có mạch tạo xung. Mạch tạo xung gồm nhiều khâu như: Mạch sửa xung Mạch phân chia xung - Mạch khuếch đại xung và mạch truyền xung (thường được gọi là thiết bị đầu ra). Kết luận: Tuỳ từng trường hợp cụ thể mà có thể có đầy đủ các phần mạch riêng để thực hiện đầy đủ các nhiệm vụ đã nêu, có trường hợp chỉ có một hoặc một số mạch nhất định nào đó. Xuất phát từ yêu cầu công nghệ của máy doa là mạch động lực sử dụng sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha nên trong mạch điều khiển sử dụng các khâu như sau: Mạch sửa xung Mạch khuếch đại xung và mạch truyền xung. 2.3.1 Mạch sửa xung Xuất phát từ nguyên lý hoạt động của khâu so sánh ta thấy: Khi thấy đổi trị số điện áp điều khiển Uđk để thay đổi góc điều khiển a thì độ dài của các xung ra của khâu so sánh thay đổi. Như vậy sẽ xuất hiện tình trạng một số trường hợp độ dài xung quá ngắn không đủ để mở các Tiristor hoặc độ dài xung quá lớn, gây tổn thất lớn trong mạch phát xung. Mạch sửa xung nhằm khắc phục các vấn đề nêu trên. Mạch làm việc theo nguyên tắc khi có xung vào với độ dài khác nhau nhưng mạch vẫn cho xung ra có độ dài bằng nhau theo yêu cầu và giữ nguyên thời điểm xuất hiện của mỗi xung. Sơ đồ nguyên lý của một mạch sửa xung như hình vẽ. Trong sơ đồ: Uv là điện áp vào của mạch, đó chính là điện áp ra của khâu so sánh (điểm E) có mức bão hoà dương và âm. Các phần tử R11 và C2 sẽ quyết định độ dài của xung ra. Hình 3-10: Sơ đồ nguyên lý mạch sửa xung - Nguyên lý làm việc: Khi điện áp vào Uv ở mức bão hoà dương, tín hiệu khi qua khuếch đại thuật toán đảo sẽ cho tín hiệu âm đặt lên tụ điện C (phía trái), còn phía phải của tụ có điện áp dương. Do thế cực gốc của Tr6 dương hơn thế cực phát Tr6 và cùng với điện trở định thiên R12, Tr6 mở bão hoà, tụ C2 được nạp với cực tính như phía trên (+ Ucc qua +C2 → R11 → Tr6 → phái trái tụ → -Ucc). Tr6 mở bão hoà làm điểm F có mức lôgíc “0”. Mức lôgíc này tồn tại trong suốt quá trình Uv bão hoà dương. Khi điện áp Uv ở mức bão hoà âm, tụ C2 phóng điện (+C2 → IC → D1 → R11 → -C2) đặt thế âm lên mạch phát – gốc của Tr6 làm Tr6 khoá dẫn đến điểm F có mức lôgíc “1”, nghĩa là đầu ra nhận được xung ra. Do điện trở ngược của Tr6 rất lớn nên Ura ≈ Ucc. Khi C2 phóng hết điện tích, nó sẽ được nạp theo chiều ngược lại. Nhờ có R12 mà thế (+) lại đặt lên mạch phát – gốc của Tr6 làm đầu ra lại có mức lôgíc “0”. Mặc dù còn xung âm ở đầu vào nhưng nhờ có R12 mà Tr6 mở bão hoà. Thời gian tồn tại xung được xác định theo biểu thức: tx = R12 .C1.ln2 Độ dài của xung chỉ phụ thuộc vào giá trị của R11 và C2 do đó các xung ra luôn có giá trị không đổi. Hình 3-11: Giản đồ điện áp khâu sửa xung 2.3.2. Mạch khuếch đại và truyền xung * Mạch khuếch đại Để khuyếch đại công suất của xung điều khiển, hiện nay phổ biến nhất là các sơ đồ khuếch đại bằng Ti và Tr. Tín hiệu đầu vào của Uv của mạch khuếch đại xung sử dụng 2 Tr ghép nối tiếp (còn gọi là ghép kiểu Darlinhtơn). Tr7 và Tr8 mắc nối tiếp tương đương một Transisto có hệ số khuyếch đại dòng điện: b = b1. Hình 3-12: Sơ đồ nguyên lý mạch khuyếch đại và truyền xung - Chức năng của các phần tử trong sơ đồ: - Tác dụng của D2 là điôt có tác dụng như sau: Sau khi mất xung vào các Transtor khóa lại và gây nên sự giảm dòng điện qua cuộn dây sơ cấp W1 của BAX làm xuất hiện các xung điện áp có cực tính ngược với khi mở các Transito (được gọi là xung âm) thì xung trên cuộn sơ cấp đặt thuận lên D2 làm D2 mở. Do vậy mà dòng điện qua cuộn sơ cấp BAX không giảm đột ngột mà vẫn được duy trì qua D1 nên xung điện áp xuất hiện trên các cuộn dây cũng có giá trị nhỏ. Trong trường hợp này thì điện áp tổng trên W1 bằng sụt áp trên một điốt mở và sức điện động cảm ứng trên W1 bằng sụt điện áp trên D1 cộng với sụt áp trên điện trở của cuộn sơ cấp cũng có giá trị rất nhỏ. Vì vậy mà xung trên cuộn thứ cấp cũng có giá trị không đáng kể nên rất an toàn cho các Transitor, đồng thời hạn chế quá điện áp trên Transitor. - D3: Để bảo vệ cuộn dây thứ cấp của BAX như đối với D2 của mạch sơ cấp. - D4: Để ngăn xung âm có thể tới cực điều khiển của Tiristor như các Transistor khác. Ngăn không cho dòng điện chảy ngược từ Tr về BAX - Tr7, Tr8: Khuếch đại công suất vào - Các điện trở R16 và R17: Để hạn chế xung áp đầu vào và dòng điện cực góp của Transistor. - Nguyên lý làm việc của sơ đồ: Trong đó: - txv là thời gian tồn tại của một xung điện áp vào - tbh là thời gian tính từ lúc có dòng điện một chiều qua cuộn dây sơ cấp của BAX (khi Tr7 và Tr8 mở bão hoà) đến lúc lõi thép bão hoà từ. - txr là thời gian tồn tại của xung ra. Hình 3-13: Giản đồ điện áp đầu ra của biến áp xung Xét trường hợp tbh > txv: - Khi t < t1: Chưa có xung vào, không có dòng qua BAX nên thứ cấp của máy không có tín hiệu. Tr7, Tr8 khóa không có xung điều khiển. - Khi t = t1: Xuất hiện xung vào làm Tr7, Tr8 mở bão hoà làm xuất hiện xung điều khiển nên cuộn W1 có dòng điện chạy qua, làm cảm ứng sang phía thứ cấp xung điện áp, tạo dòng điện qua D4 đến mạch G - K của Ti. - Khi t = t2: (lúc này mạch từ chưa bão hoà) mất xung vào. Tr7, Tr8 đóng dòng điện sơ cấp giảm về không qua D2. Bên thứ cấp có s.đ.đ cảm ứng (ngược chiều với ban đầu do tự cảm) nhưng nhờ D4 mà xung âm không truyền tới Ti. Xung dòng âm khép mạch qua R17 và D3 thiêu tán trên điện trở. Nhờ có D2 và D3 mà không xuất hiện điện áp tự cảm rất lớn trên dây quấn sơ thứ của BAX. Khi tbh < txv: - Khi t < t1: Chưa có xung đầu vào, Tr7, Tr8 khoá, không có xung điều khiển. - Khi t = t1: Xuất hiện xung vào làm Tr7, Tr8 mở bão hoà làm xuất hiện xung điều khiển. - Khi t = t1 + tbh: Mạch từ BAX bị bão hoà, từ thông lõi thép bằng const nên mất xung cảm ứng trên W2. - Khi t = t2: Dòng điện sơ cấp về không làm xuất hiện xung âm trên dây quấn thứ cấp nhưng không đưa đến mạch G - K như đã nói trên. Như vậy thời gian làm việc của mạch từ BAX có ảnh hưởng rất lớn đến độ dài của xung điều khiển. Khi tbh > txv thì độ dài xung điều khiển bằng độ dài xung vào. Còn trong trường hợp ngược lại, độ dài xung điều khiển chính bằng thời gian bão hoà mạch từ của BAX. Do đó cần cho BAX có thời gian bão hoà từ đủ lớn. * Mạch truyền xung Thông thường có 2 cách truyền xung từ đầu ra hệ thống điều khiển mạch G - K của Thyristor là truyền xung trực tiếp và truyền xung qua máy biến áp xung. Để truyền xung điều khiển đến các chân điều khiển của các Tiristor tốt nhất là dùng biến áp xung. Truyền xung qua BAX có ưu điểm là: - Đảm bảo sự cách ly tốt về điện giữa mạch động lực và mạch điều khiển bộ chỉnh lưu. - Dễ dàng thực hiện việc truyền đồng thời các xung đến các Tiristor mắc nối tiếp nhau hoặc song song bằng cách dùng BAX nhiều cuộn thứ cấp. - Dễ dàng phối hợp giữa điện áp nguồn cung cấp cho tầng khuyếch đại công suất xung và biên độ xung cần thiết trên cực điều khiển của Ti nhờ việc chọn tỷ số BAX hợp lý. - BAX về cơ bản kết cấu giống như biến áp bình thường công suất nhỏ. Hoạt động của BAX tương tự biến áp thờng với dòng điện không sin hoặc có thể xác định như là phi tuyến và sẽ bằng không khi mạch từ bão hoà. BAX có mạch từ rất chóng bão hoà, nó chỉ hoạt động trong thời gian ngắn. -Ucc w3 D BAX Hình 3-14: Sơ đồ nguyên lý mạch truyền xung Hình 3-15: Sơ đồ nguyên lý mạch phát xung của pha A IV. TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tâng khuếch đại ngược trở lên. Công suất cho tầng khuếch đại để tính là thông số của cực điều khiển Tristor (Uđk, Iđk). Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tristor. Mạch điều khiển từ các thông số cơ bản sau: + Điện áp ngược cực đại: Un = 600 V + Dòng điện định mức của van: Idm = 46 A + Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 1000 A + Dòng điện xung điều khiển: Idk =1,5 A + Điện áp của xung điều khiển: Udk = 2,5V + Dòng điện rò: Ir = 10 mA + Sụt áp lớn nhất của Tiristor ở trạng thái dẫn là: = 1,9V + Tốc độ biến thiên điện áp: 400V/s + Thời gian chuyển mạch: tcm = 60 + Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: Tmax = 1250C + Độ rộng của xung điều khiển: tx = 2. tm = 2.60 = 120 + Tần số xung điều khiển: fx = 3 kHz 1. Tính chọn BAX Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá DB = 0,3T; DH = 30A/m không có khe hở không khí. - Tỷ số biến áp xung thường là Ta chọn n = 3 - Để đảm bảo tristor mở khi điện áp lưới dao động ta chọn điện áp đặt lên cuộn thứ cấp BAX là: U2 = Uđk = 2,5V - Để đảm bảo tristor mở ta chọn