Đề tài Thiết kế hệ truyền động của xe cầu

MỤC LỤC PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC VÀ CẦU TRỤC PHÂN XƯỞNG I. Lý thuyết chung máy nâng hạ, vận chuyển: Khái niệm chung: Sự phát triển kinh tế của mỗi nước phụ thuộc rất nhiều vào mức độ cơ giới hoá và tự động hoá các quá trình sản xuất. Trong quá trình sản xuất máy nâng hạ vận chuyển đóng vai trò khá quan trọng. Máy nâng, vận chuyển là cầu nối giữa các hạng mục công trình sản xuất riêng biệt, giữa các phân xưởng trong một nhà máy, giữa các máy công tác trong một dây chuyền sản xuất. Máy nâng vận chuyển được dùng rất phổ biến trong công nghiệp, xây dựng, giao thông... Trong nhóm máy vận chuyển thì cầu trục là một thiết bị vận chuyển điển hình. Trong cầu trục có 3 chuyển động: Chuyển động của xe cầu theo phương ngang (xe cầu đi dọc theo phân xưởng). Chuyển động của xe con theo phương ngang (xe con di chuyển trên xe cầu theo chiều ngang phân xưởng) Cơ cấu nâng hạ được bố trí trên xe con và nó được chuyển động theo phương thẳng đứng (thực hiện nâng hạ tải trọng). 2. Phân loại máy nâng - vận chuyển: Phụ thuộc vào đặc điểm hàng hoá cần vận chuyển, kích thước, số lượng và phương vận chuyển mà các máy nâng, vận chuyển rất đa dạng. Việc phân loại một cách hoàn hảo các máy nâng, vận chuyển rất khó khăn. Có thể phân loại các máy nâng, vận chuyển theo các đặc điểm sau: - Theo phương vận chuyển hàng hoá: + Theo phương thẳng đứng: thang máy, máy nâng + Theo phương nằm ngang: băng chuyền, băng tải + Theo mặt phẳng nghiêng: xe kíp, thang chuyền, băng tải + Theo các phương kết hợp: cầu trục, cần trục, cầu trục cảng, máy xúc... - Theo cấu tạo của cơ cấu di chuyển: + Máy nâng, vận chuyển đặt cố định: thang máy, máy nâng, thang chuyền, băng tải, băng chuyền... + Di chuyển tịnh tiến: cầu trục cảng, cần cẩu con dê, các loại cần trục, cầu trục... + Di chuyển quay với một góc quay giới hạn: cần cẩu tháp, máy xúc ... - Theo cơ cấu bốc hàng: + Cơ cấu bốc hàng là thùng, cabin, gầu treo... + Dùng móc, xích treo, băng + Cơ cấu bốc hàng bằng nam châm điện - Theo chế độ làm việc: + Chế độ dài hạn: băng tải, băng chuyền, thang chuyền + Chế độ ngắn hạn lặp lại: máy xúc, thang máy, cần trục... 3. Đặc điểm đặc trưng cho chế độ làm việc của hệ truyền động điện máy nâng, vận chuyển. Máy nâng, vận chuyển thường được lắp đặt trong nhà xưởng hoặc để ngoài trời. Môi trường làm việc của các máy nâng, vận chuyển rất nặng nề, đặc biệt là ngoài hải cảng, các nhà máy hoá chất, các xí nghiệp luyện kim... Các khí cụ, thiết bị điện trong hệ thống truyền động và trang bi điện của các máy nâng, vân chuyển phải làm việc tin cậy trong mọi điều kiện nghiệt ngã của môi trường, nhằm nâng cao năng suất, an toàn trong vận hành và khai thác. * Đối với hệ truyền động điện cho băng truyền và băng tải phải đảm bảo khởi động động cơ truyền động khi đầy tải; đặc biệt là vào mùa đông khi nhiệt độ môi trường giảm làm tăng mômen ma sát trong các ổ đỡ dẫn đến làm tăng đáng kể mômen cản tĩnh Mc. Trên hình 1.3 biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc giữa mômen cản tĩnh và tốc độ động cơ: Mc = f() Mc 0 đm Trên đồ thị ta thấy: Khi = 0, Mc lớn hơn (22,5)Mc ứng với tốc độ định mức thay đổi đối với cơ cấu nâng - hạ, mômen theo * Động cơ truyền động cầu trục nhất là tải trọng rất rõ rệt. Khi không có tải trọng (không tải) mô men của động cơ không vượt quá (1525)%Mđm Đối với cơ cấu nâng của cần trục gầu ngoạm đạt tới 50%Mđm Hình 1.1: quan hệ Mc=f Đối với động cơ di chuyển xe khi động cơ không tải cầu bằng (5055)%Mđm Trong các hệ truyền động các cơ cấu của máy nâng, vận chuyển yêu cầu quá trình tăng tốc và giảm tốc xảy ra phải êm, đặc biệt là đối với thang máy và thang chuyên chở khách. Bởi vậy mômen động trong quá trình quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu của kĩ thuật an toàn. Năng suất của máy nâng, vận chuyển quyết định bởi hai yếu tố: tải trọng của thiết bị và số chu kỳ bốc, xúc trong một giờ. Số lượng hàng hoá bốc xúc trong mỗi một chu kỳ không giống nhau và nhỏ hơn trọng tải định mức, động cho nên phụ tải đối với cơ chỉ đạt (60 70)% công suất định mức động cơ. Do điều kiện làm việc của máy nâng, vận chuyển nặng nề, thường xuyên làm việc trong chế độ quá tải (đặc biệt là máy xúc) nên các máy nâng, vận chuyển được chế tạo có độ bền cơ khí cao, khả năng chịu quá tải lớn Xe cầu có thể chạy trên các đường ray đặt trên cao dọc theo nhà xưởng, còn xe con có thể chạy dọc theo dầm cầu.  Vì vậy mà cầu trục có thể nâng hạ và vận chuyển hàng theo yêu cầu tại bất kỳ điểm nào trong không gian của nhà xưởng. II. Đặc điểm của hệ truyền động cầu trục và cầu trục phân xưởng: * Mômen cản trên trục động cơ là: Tổng hợp của hai mômen thành phần - Mômen do ma sát gây ra luôn chống lại chuyển động quay của đông cơ. - Mômen do tải trọng sinh ra sẽ chống lại hoặc hỗ trợ chuyển động quay của động cơ tuỳ thuộc vào lúc tải trọng đi lên hay đi xuống. * Tính chất của phụ tải là làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. * Chu kỳ làm việc của cơ cấu: - Di chuyển không tải - Di chuyển khi mang tải. (Giữa các giai đoạn có thời gian nghỉ). Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ: Hệ số tiếp điện tương đối TĐ%: Khi tính toán hệ số tiếp điện tương đối chúng ta bỏ qua thời gian hãm và thời gian mở máy. Thời gian toàn bộ một chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng hạ có thể được tính theo năng suất Q và tải trọng định mức Gđm: Trong đó: Q : năng suất bốc giỡ hàng hoá Gdm : tải trọng nâng hạ định mức Thời gian làm việc khi nâng, hạ được xác định từ chiều cao vận tốc nâng hạ. Hệ số tiếp điện tương đối: TĐ% = Tlv : Thời gian làm việc của 1 chu kỳ xác định theo điều kiện làm việc cụ thể của cơ cấu. Chọn sơ bộ công suất động cơ: * Xây dựng đồ thị phụ tải: * Tính mômen trung bình hoặc mômen đẳng trị: - Mômen trung bình được xác định theo công thức: Mtb = - Mômen đẳng trị được xác định theo công thức: Mđt = Trong đó: Mi : Trị số mômen ứng với khoảng thời gian ti k = 1,2 1,3 Hệ số dự trữ phụ thuộc vào mức độ nhấp nhô của đồ thị phụ tải, tần số mở máy, hãm máy. Điều kiện chọn công suất động cơ: Mdm Mtb , Mdm Mđt Kiểm nghiệm: * Xây dựng biểu đồ phụ tải chính xác sau khi đã tính đến thời gian khởi động và hãm của động cơ. * Tính lại hệ số tiếp điện tương đối thực có tính đến thời gian khởi động và hãm. TĐ%th = Trong đó: : Tổng thời gian làm việc, : Tổng thời gian khởi động : Tổng thời gian hãm Và tính phụ tải chính xác theo đại lượng đẳng trị Mđtcx * Tính mômen đẳng trị chính xác của đồ thị phụ tải: Trong đó: Mtc : Mômen quy đổi về hệ số tiếp điện tiêu chuẩn TĐ% : Hệ số tiếp điện tiêu chuẩn: 15%, 25%, 40%, 60% Động cơ được chọn là đúng nếu thoả mãn yêu cầu: Mtc MđmĐC Mtc = Mđtcx PHẦN II: THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHO XE CẦU CỦA CẦU TRỤC CHƯƠNG 1 : TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT TRUYỀN ĐỘNG ỨNG DỤNG CHO TRUYỀN ĐỘNG XE CẦU CỦA CẦU TRỤC Xác định phụ tải tĩnh * Phụ tải tĩnh khi xe di chuyển có tải: Thành phần được xác định theo biểu thức Trong đó là trọng lượng bản thân cơ cấu là trọng lượng tải trọng là bán kính bánh xe lấy bằng 17,5 (cm) là hệ số ma sát lăn = 0,045 (cm) Thành phần lực được xác định theo biểu thức Với là hệ số ma sát trượt Nếu dời điểm đặt của lực này về vành bánh xe thì tính theo biểu thức Với la bán kính cổ trục bánh xe lấy bằng 5 (cm) Toàn bộ lực đặt lên bánh xe là Đối với các cơ cấu có bánh xe sắt lăn trên đường ray phải tính đến lực cản ma sát giữa mép bánh xe và đường ray.Lực đó được tính thêm bắng hệ số dự trữ k.hệ số dự trữ k được xác định theo kinh nghiệm vận hành lấy K=2 và toàn bộ lực cản trong trường hợp này là Công suất và mômen trên trục động cơ lúc xe mang tải là: * Phụ tải tĩnh khi di chuyển không tải: Thành phần được xác định theo biểu thức Thành phần lực được xác định theo biểu thức = = 70000 0,08 = 5600(N) Toàn bộ lực đặt lên bánh xe lúc không tải là: Đối với các cơ cấu có bánh xe sắt lăn trên đường ray phải tính đến lực cản ma sát giữa mép bánh xe và đường ray.Lực đó được tính thêm bắng hệ số dự trữ k.hệ số dự trữ k được xác định theo kinh nghiệm vận hành lấy K=2 và toàn bộ lực cản trong trường hợp này là Công suất và mômen trên trục động cơ lúc xe mang tải là: Với = 0,5. Tra hình 1.7 trang 11 _ Trang bị điên – điện tử Xác định hệ số tiếp điện tương đối TĐ%: TĐ% = Với: Tlv = T0 + T1 Tck = Tlv + Tnghỉ Trong đó: T0 : Thời gian xe di chuyển không tải: T0 = T1 : Thời gian xe di chuyển mang tải: T1 = * Thời gian làm việc là: Tlv = 33,33 + 83,33 =116,66 * Thời gian nghỉ bao gồm thời gian thao tác lấy tải, cắt tải: Tnghỉ = 100 + 150 + 20 = 250 s * Thời gian chu kỳ: Tck = 116,66 + 250 = 336,66 s * Hệ số làm việc tương đối: TĐ% = Tính chọn sơ bộ công suất động cơ: Chọn sơ bộ công suất động cơ theo phụ tải đẳng trị kết hợp với hệ số tiếp điện tương đối: Theo công thức (3.32) trang 128 – Trang bị điện, ta có: Điều kiện chọn công suất động cơ: P P Pđmđc ≥ 10,9(Kw) Tra bảng ta chọn động cơ kích từ song song loại cầu trục luyện kim, điện áp 220V, vỏ kín, làm mát tự nhiên, chế độ làm việc ngắn hạn lập lại, TĐ% = 25, chế độ định mức dài hạn, TĐ% = 100, với các số liệu sau: Kiểu _32 TĐtc% = 25% Pđm = 12 kW rư + rcp = 0,266 Uđm = 220 V rcks = 94 nđm = 790 vg/p Iđm = 65 A đm = 1,32 mWb Kiểm nghiệm công suất động cơ: * Kiểm nghiệm theo điều kiện phát nóng: Mô men cản tĩnh khi xe chuyển động với tải được tính ở trên là : Mô men cản tĩnh khi xe di chuyển không tải là : Mô men quán tính trên trục động cơ khi xe cầu đầy tải: J = J + J + + (m+ m) () = Mô men quán tính trên trục động cơ khi xe di chuyển không tải: = Nếu mô men trung bình của động cơ M trong thời gian mở máy là không đổi và bằng 2M thì thời gian chạy xe cầu có tải t và không tải t từ lúc bắt đầu chạy đến lúc đạt tốc độ ổn định là: t = = t = Quãng đường tăng tốc của xe cầu khi đầy tải và khi không tải: L = L = Nếu việc hãm xe cầu bằng phanh điện cơ ở cổ trục động cơ với mô men hãm M =2M thì thời gian hãm từ v(hay ) đến v = 0 khi xe cầu đầy tải và không tải là: t = t= Quãng đường hãm của xe cầu khi đầy tải và khi không tải: L = L = Quãng đường xe cầu chạy ổn định khi đầy tải và khi không tải: L = l - L - L = 25 – 2,958 – 0,45 = 21,592m L = l - L - L = 25 – 0,1875 – 0,1 = 24,7125m M(N.m) t(s) 0 (rad/s) 0 t(s) a) b) Hình 1.1:a)Đồ thị phụ tải xe cầu;b) Đồ thị tốc độ Thời gian xe cầu chạy ổn định tương ứng lúc đầy tải và không tải : t = t = Thời gian của một chu kỳ làm việc của xe cầu : T = 336,66s Thời gian nghỉ trong một chu kỳ : T = T - t - t - t - t - t - t = 336,66 – 36 – 16,475 – 4,93 – 0,125 – 1,5 – 0,1 = 277,53s Thời gian đóng điện tương đối của động cơ : (%) = Đồ thị phụ tải dựng theo các số liệu được tính như hình trên. Từ đó, tính được mô men đẳng trị trong thời gian làm việc với thời gian đóng điện tương đối . Khi tính phải chú ý đến việc tỏa nhieeyj kém của động cơ trong thời gian quá độ nhờ hệ số tỏa nhiệt kém  : M = = Chuyển đổi mô men đẳng trị về = 25% M = M = Vì M = 167 < 290,28 N.m = M nên động cơ đã chọn để truyền động xe cầu có độ dự trữ nhiệt lớn. Động cơ đã chọn hoàn toàn thõa mãn điều kiện về chế độ nhiệt. * Kiểm nghiệm theo điều kiện quá tải mô men : Điều kiện kiểm nghiệm : Với = (2 ) là hệ số quá tải động cơ Mô men cực đại của động cơ : M = Ik ; M = I k Mà : I = 2I M = 2M Thật vậy, ta có : Mặt khác : M = I = Vậy : M < 2M, nên động cơ đã chọn thõa mãn điều kiện quá tải mô men. CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG CHO XE CẦU CỦA CẦU TRỤC I. Khái niệm chung: 1. Khái niệm: Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì các máy sản xuất ngày một đa dạng, đa năng hơn dẫn đến hệ thống trang bị điện ngày càng phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao và tin cậy. Một hệ thống truyền động điện không những phải đảm bảo được yêu cầu công nghệ mà phải đảm bảo có một chế độ đặt trước ổn định về thời gian quá độ, dải điều chỉnh, ổn định tốc độ... Tuỳ theo các loại máy công tác mà có những yêu cầu khác nhau cần thiết cho việc ổn định tốc độ, mômen với độ chính xác cao nào đó trước sự biến đổi của 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 rãi. Bộ biến đổi này có thể sử dụng nhiều thiết bị khác nhau chế tạo ra như hệ thống máy phát, khuếch đại từ, hệ thống van chúng được điều khiển theo những nguyên tắc khác nhau với những ưu nhược điểm khác nhau. Khi có một yêu cầu kỹ thuật sẽ có nhiều phương án lựa chọn, giải quyết, song mỗi phương án lại có một số ưu nhược điểm khác nhau về ứng dụng của chúng trong từng hoàn cảnh cụ thể cho phù hợp yêu cầu. Để đáp ứng các yếu tố có sử dụng hài hòa giữa các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật. Với những hệ thống truyền động đơn giản, không có yêu cầu cao về chất lượng và truyền động thì ta nên dùng động cơ xoay chiều đơn giản. Với những hệ thống có yêu cầu cao về chất lượng và truyền động, về thay đổi tốc độ, độ chính xác thì ta thường chọn động cơ một chiều có dải điều chỉnh phù hợp. Đối với truyền động của động cơ điện một chiều thì bộ biến đổi rất quan trọng. Nó quyết định đến chất lượng của hệ thống do vậy việc lựa chọn phương án và lựa chọn bộ biến đổi thông qua việc xét các hệ thống. 2. Ý nghĩa của việc lựa chọn phương pháp: Việc lựa chọn phương án hợp lý có một ý nghĩa quan trọng, nó được thể hiện qua các mặt: + Đảm bảo được yêu cầu công nghệ máy móc sản xuất. + Đảm bảo được sự làm việc lâu dài, tin cậy. + Giảm giá thành sản phẩm, tăng năng suất. + Dễ dàng sữa chữa, thay thế khi xảy ra sự cố. II. Các phương án truyền động: 1. Hệ truyền động máy phát động cơ (F - Đ) Trong hệ truyền động máy phát - Động cơ (F - Đ) nguồn cung cấp phần ứng động cơ là bộ biến đổi máy điện (máy phát điều khiển kích từ độc lập). Sơ đồ nguyên lý : Động cơ Đ truyền động cho máy sản xuất, máy sản xuất được cấp điện phần ứng từ máy phát F. Động cơ sơ cấp kéo máy phát F và động cơ một chiều KĐBĐK, động cơ ĐK cũng kéo máy phát tự kích từ K để cấp điện kích từ cho động cơ Đ và máy phát F. Biến trở RKK dùng để điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát tự kích từ F. Nghĩa là để điều chỉnh điện áp phát ra cấp cho các cuộn kích từ máy phát KTF và cuộn dây động cơ KT Đ. Biến trở RKF dùng để điều chỉnh dòng kích từ máy phát F, do đó điện áp phát ra của máy phát F đặt vào phần ứng động cơ Đ. Biến trở RK Đ dùng để điều chỉnh dòng kích từ động cơ, do đó thay đổi tốc độ động cơ nhờ thay đổi từ thông. Phương trình đặc tính cơ của động cơ của động cơ Đ Với U =UF – R .I hay Từ phương trình đặc tính cơ của hệ F - Đ ta có họ đặc tính cơ của hệ là những đường thẳng song song nằm ở cả bốn góc phần tư của mặt phẳng tọa độ với đặc tính cứng * Đánh giá chất lượng của hệ thống - Ưu điểm: + Phạm vi điều chỉnh dễ dàng và lớn + Có khả năng điều chỉnh rất bằng phẳng + Tổn hao khi mở máy, đảo chiều quay và khi điều chỉnh tốc độ bé, vì quá trình này được thực hiện trên mặt kích từ. + Có thể đảo chiều động cơ một cách dể dàng. + Có khả năng quá tải cao. + Đặc tính quá độ tốt, thời gian quá độ ngắn + Điện áp đầu ra của máy phát bằng phẳng có lợi cho động cơ + Có khả năng giữ cho đặc tính cơ của động cơ cao và không đổi trong quá trình làm việc. - Nhược điểm: + Hệ thống sử dụng nhiều máy điện quay cho nên gây ồn, kết cấu cơ khí cồng kềnh chiếm nhiều diện tích + Tổng công suất đặt lớn. + Vốn đầu tư ban đầu lớn. + Máy điện một chiều thường có từ dư lớn, đặc tính từ hóa có trể nên khó điều chỉnh sâu tốc độ. 2.Hệ thống van - động cơ ( T- Đ ): Hình 2.2.10: Sơ đồ thay thế XK R Ed E Hình 2.2.9: Sơ đồ khối Sơ đồ gồm: + FT : Máy phát tốc dùng để phản hồi âm tốc độ phần ứng của động cơ. + BBĐ : Bộ biến đổi dùng thyristor biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều cấp cho động cơ. + Đ : Động cơ điện một chiều kích từ độc lập kéo máy sản xuất. + TH - KĐ : Khâu tổng hợp và khuếch đại tín hiệu. + Ucd : Tín hiệu đặt vào. + .n : Tín hiệu phản hồi âm tốc độ. * Đặc tính cơ của hệ thống truyền động T - Đ: - Chế độ dòng điện liên tục: Dòng điện chỉnh lưu Id chính là dòng phần ứng. Dựa vào sơ đồ thay thế (hình 2.2.9) 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. 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 2.2.11: Họ đặc tính cơ 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. * Đánh giá chất lượng của hệ thống: - Ưu điểm: + Tốc độ nhanh, không gây tiếng ồn và dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất cao. + Công suất tổn hâo nhỏ, kích thước và trọng lượng nhỏ + Giá thành rẻ, dễ bảo dưỡng sửa chữa. - Nhược điểm: + Mạch điều khiển phức tạp, điện áp chỉnh lưu có biểu đồ đập mạch cao, gây đến tổn thất phụ đáng kể trong động cơ và hệ thống. + Chuyển mạch làm việc khó khăn do đường đặc tính nằm trong mặt phẳng toạ độ. + Trong thành phần của hệ biến đổi có MBA nên hệ số cos thấp. + Do vai trò chỉ dẫn dòng một chiều nên việc chuyển đổi chế độ làm việc khó khăn với các hệ thống đảo chiều. + Do có vùng làm việc gián đoạn của đặc tính nên không phù hợp truyền động có tải nhỏ. III. Lựa chọn phương án truyền động Qua quá trình phân tích hai hệ thống F - Đ và T - Đ ta thấy chúng có những ưu, nhược điểm nhất định. Cả hai hệ thống đều đáp ứng được yêu cầu công nghệ đặt ra. Nhưng xét về chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật thì mỗi hệ thống đạt được những đặc điểm khác nhau. Cụ thể ta thấy hệ F - Đ dễ điều chỉnh tốc độ, chuyển đổi trạng thái hoạt động linh hoạt vì đặc tính hệ thống nằm đều bốn góc phần tư.Với hệ thống F - Đ khi lắp đặtt chiếm diện tích lớn, cồng kềnh nhưng hiệu suất lại không cao. Khi làm việc lại gây tiếng ồn, rung động mạnh, vốn lắp đặt cao. Trong giai đoạn CNH - HĐH ngày nay với xu hướng chung vươn tới mục tiêu yêu cầu tối ưu nhất đảm bảo tính khoa học gọn nhẹ, không gây tiếng ồn, ít ảnh hưởng đến môi trường xung quanh. Với hệ truyền động F - Đ mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng còn nhiều hạn chế chưa đáp ứng được yêu cầu CNH - HĐH. Ngày nay với nền công nghiệp hiện đại người ta dần tiến hành thay thế hệ thống truyền động F - Đ bằng các hệ truyền động khác. Với hệ truyền động T - Đ có hệ số khuếch đại lớn, dễ tự động hoá do tác động nhanh chính xác, công suất tổn hao nhỏ, kích thước nhỏ và gọn nhẹ. Xu hướng phát triển công nghệ tự động hoá các hệ thống tự động, gia công chính xác nên điều khiển hệ thống được thực hiện bằng cách lắp ghép hệ thống với các bộ điều khiển tự động như: PLC, vi xử lý... Nhìn chung hệ T - Đ đáp ứng được yêu cầu đặt ra. Với những ưu điểm và những đặc điểm phù hợp cách truyền động. Vậy em quyết định chọn phương án truyền động T - Đ. IV.Chọn sơ bộ mạch động lực 1. Các sơ đồ nối dây của bộ chỉnh lưu có điều khiển 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 mục đích sử dụng. Các nguồn điện áp một chiều nhà máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi tĩnh (Khuyếch 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. a) Sơ đồ nối dây hình tia: Hình 2-8: Sơ đồ nguyên lý hệ thống CL - Đ hình tia 3 pha và sơ đồ thay thế Đặc điểm của sơ đồ nối dây hình tia: 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. Hệ thống điện áp nguồn xoay chiều m pha phải có điểm trung tính. trung tính nguồn là điện cực còn lại của điện áp chỉnh lưu b) Sơ đồ hình cầu 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. Hình 2-9: Sơ đồ nguyên lý hệ thống CL- Đ hình cầu 3 pha và sơ đồ thay thế 2. Nguyên lý làm việc của BBĐ xoay chiều - một chiều a) Sơ đồ tia: Xét sơ đồ tia 3 pha katôt nối chung Để một Thyristor 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 vừa nêu mà trong sơ đồ tia 3 pha các van chỉ mở trong một giới hạn nhất định. Ví dụ: ở pha A, trong khoảng wt = 0 ¸ uA > 0. Tuy nhiên ở các khoảng wt = 0 ¸ p / 6 , uC > uA và wt = 5p/6¸ ub > uA Như vậy van T1 nối vào pha A chỉ có thể mở trong khoảng wt = p/6 ¸ 5p/6. Trong khoảng này nếu tín hiệu đến cực điều khiển của T1 thì T1 mở. Tương tự với T2 và T3. Thời điểm a0 = wt= p/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 2p/3) dẫn đến trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu sẽ giảm đi. Khi góc mở a càng lớn thì Ud càng nhỏ b) Sơ đồ cầu: 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 chảy 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 Ed ở trạng thái dòng điện liên tục được xác định như sau: Ed = Eđmcos Trong đó Eđm 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: Eđm1 =1,17E2f. Với sơ đồ cầu là Eđm2 =2,34E2f Trong đó E2f là trị số hiệu dụng của s.đ.đ pha thứ cấp máy biến áp Kết luận: Để phù hợp với yêu cầu của đề tài thì ta chọn bộ chỉnh lưu cầu 3 pha. 3. Dòng điện chỉnh lưu trên phụ tải một chiều Do điện áp chỉnh lưu lặp đi lặp lại 2m (hoặc m) lần trong một chu kỳ của điện áp nguồn nên ở chế độ xác lập thì dòng qua tải cũng lặp đi lặp lại như vậy (tuỳ thuộc sơ đồ chỉnh lưu là tia hay cầu, số pha chẵn hay lẻ). Như vậy chỉ cần biết dòng và áp trên tải trong khoảng thời gian là 1/m chu kỳ hay là tương đương góc độ điện 2p / q ( q=2m hoặc q = m). Để xác định dòng và áp trên tải ta dựa vào sơ đồ thay thế của chỉnh lưu trong một khoảng thời gian làm việc của một van. Hình 2- 10: Sơ đồ thay thế của chỉnh lưu trong khoảng thời gian làm việc của van U: tổng đại số điện áp nguồn xoay chiều tác động trong mạch vòng nối với các van đang dẫn dòng trong sơ đồ ở thời gian đang xét. Nếu là sơ đồ tia thì chỉ có 1 van mở, u = uf. Nếu là sơ đồ cầu thì có 2 van ở 2 pha khác nhau cùng làm việc, u = ud. Nếu chọn mốc thời gian xét t = 0 là thời điểm bắt đầu mở một van trong sơ đồ thì u = Um.sin(wt + y) + Um - Biên độ điện áp nguồn (pha hoặc dây) + y - góc pha đầu, được xác định: y = p / 2 - p / q + a T đặc trưng cho van đang dẫn dòng, ở sơ đồ tia là 1 van, sơ đồ cầu là 2 van nối tiếp nhau, bỏ qua sụt áp trên van Ed, Rd, Ld là các phần tử của phụ tải Ud, Id - dòng và áp trên tải. Phương trình cân bằng điện áp từ sơ đồ thay thế: (2-5) Giải phương trình này ta nhận được biểu thức của dòng điện chỉnh lưu: (2-6) Tuỳ thuộc đặc tính phụ tải, dạng sơ đồ, giá trị góc điều khiển mà có thể có các chế độ làm việc khác nhau: Nếu trong toàn bộ thời gian làm việc id >0 ta có chế độ dòng tải liên tục Nếu trong một chu kỳ làm việc mà dòng tải có q khoảng bằng không và q khoảng khác không ( q = m nếu là sơ đồ tia, q = 2m nếu là sơ đồ cầu ) ta có chế độ dòng tải gián đoạn. Chế độ giới hạn giữa 2 chế độ nêu trên được gọi là chế độ dòng biên liên tục 4. Đảo chiều trong hệ thống T - Đ Trong nhiều trường hợp cần phải thay đổi được chiều dòng điện qua phụ tải của bộ chỉnh lưu. Do tính dẫn dòng một chiều của các van nên phải đảo chiều bằng công tăc tơ hoặc sử dụng các sơ đồ đặc biệt gồm 2 bộ chỉnh lưu, mỗi bộ dẫn dòng theo một chiều. 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. Thực tế người ta hay sử dụng sơ đồ đấu song song ngược với các phương pháp điều khiển khác nhau. Để điều khiển 2 BBĐ song song ngược có thể sử dụng: Điều khiển riêng rẽ (điều khiển độc lập): Là sử dụng 2 bộ phát xung độc lập nhau. Khi bộ phát xung này làm việc (phát xung mở cho BBĐ) thì bộ kia nghỉ, do đó các van trong BBĐ 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 thứ 2. Phương pháp điều khiển này có nhược điểm là tần số đảo chiều không cao vì các van Thyristor cần có thời gian để khôi phục đặc tính khoá của nó. Điều khiển phụ thuộc: 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 này người ta sử dụng các cuộn kháng cân bằng Hình 2- 10: Sơ đồ nối song song ngược của hệ thống CL - Đ có đảo chiều quay Do yêu cầu công nghệ,hệ truyền động tịnh tiến với tải trọng thấp, với tần số đảo chiều không cao nên em lựa chọn phương pháp điều khiển riêng. Như hình 2.11, hệ có 2 bộ biến đổi BBĐ và BBĐ ( A là BBĐ dương – BBĐP, B là BBĐ âm – BBĐN). Các máy phát xung A và B phát xung cấp cho các BBĐ và BBĐ. Xung phát ra được cấp hay không được cấp cho các BBĐ nhờ khối LOG. Hình 2- 11: Hệ truyền động T- Đ điều khiển riêng Gỉa sử, BBĐ đang làm việc ở chế độ nghịch lưu với góc điều khiển còn BBĐ khóa. Động cơ Đ được cấp điện quay thuận. Khi có lệnh đảo chiều bởi U, góc mở tăng lớn hơn , dòng điện phần ứng giảm dần về 0. Khi cảm biến dòng điện 0 phát tín hiệu, khối LOG sẽ cắt xung điều khiển đưa vào BBĐ và BBĐ khóa lại. Sau đó, cũng khối LOG cho tín hiệu cấp xung để xung điều khiển từ máy phát xung tới BBĐ. Góc mở với giá trị được quyết định bởi U. Điện áp phần ứng động cơ đổi dấu và động cơ quay ngược. Sơ đồ mạch động lực Trong s¬ ®å gåm cã: M¸y biÕn ¸p BA :Lµm nhiÖm vô cung cÊp nguån cho m¹ch CK lµ cuén kh¸ng dïng ®Ó läc nguån 1 chiÒu gäi lµ cuén kh¸ng san b»ng. BD lµ c¸c m¸y biÕn dßng ®­îc s÷ dông ®Ó lÊy tÝn hiÖu ©m dßng ®iÖn, ®­a trë l¹i khèng chÕ ®Çu vµo m¹ch ®iÒu khiÓn. C¸c bé R-C ®­îc m¾c song song víi c¸c Tiristor trong c¸c qu¸ tr×nh chuyÓn m¹ch vµ biÕn thiªn du/dt ; di/dt § lµ ®éng c¬ ®Þªn 1 chiÒu kÝch tõ ®éc lËp, dïng ®Ó truyÒn ®éng cho hÖ thèng. Hình 2.2.19: Sơ đồ mạch động lực CHƯƠNG 3 : TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHỦ YẾU CỦA MẠCH ĐỘNG LỰC I. Các thông số động cơ: 1. C ác thông số động cơ: Công suất định mức : Pđm = 12 (kW) Tốc độ định mức : nđm = 790 (vg/p) Điện áp định mức : Uđm = 220 (V) Dòng điện định mức : Iưđm = 2. Các thông số còn lại: U2a, U2b, U2c : Sức điện động thứ cấp MBA nguồn. E : Sức điện động của động cơ. R, L : Điện trở và điện kháng trong mạch. R = 2.Rba + Rư + Rk + Rđt L = 2.Lba + Lư + Lk Rba, Lba : Điện trở, điện kháng của MBA quy về thứ cấp Rba = R2 + R1. Lba = L2 + L1. Rk, Lk : Điện trở, điện kháng cuộn lọc. Rư, Lư : Điện trở, điện cảm mạch phần ứng động cơ. Rư = 0,5(1 - ).= 0,5.(1 - 0,8).= 0,4 Lư = Trong đó: = 0,25 hệ số lấy cho động cơ có cuộn bù II. Tính chọn thiết bị mạch động lực: 1. Tính chọn Thyristor: Thyristor được chọn dựa vào các yếu tố cơ bản: dòng tải, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm việc. Các thông số của van được tính như sau: a. Điện áp ngược lớn nhất mà Thyristor phải chịu: Unv = kdtU.Ulv Trong đó: KdtU : hệ số dự trữ điện áp Theo (8-1),(8-2) (T.25 - Thiết kế thiết bị điện tử công suất _ Trần Văn Thịnh) ta có: kdtU = 1,8 Ulv = knv.U2 = Với: Ud, Ulv, U2 : điện áp tải, nguồn xoay chiều, ngược của van. knv = : hệ số điện áp ngược ku = : hệ số điện áp tải Điện áp ngược của van cần chọn: Unv = kdt1.Ulv = 1,8 . 230,27 = 414,486 (V) b. Dòng điện làm việc của van: Dòng điện làm việc của van được chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua van theo sơ đồ đã chọn (Ilv = Ihd). Dòng điện hiệu dụng được tính: Trong đó: Ihd : dòng điện hiệu dụng của van Id : dòng điện tải khd : hệ số xác dòng điện hiệu dụng ( do sơ đồ cầu nên ) Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt, không có quạt đối lưu không khí. Với điều kiện đó dòng định mức của van cần chọn là: Iđmv = ki.Ilv = 3,2.31,49 = 100,768 (A) (ki = 3,2 là hệ số dự trữ dòng điện) Từ các thông số Unv, Iđmv ta chọn Thyristor loại C397E (T.217- sách TKTBĐTCS) có các thông số sau: Điện áp ngược cực đại của van : Un = 500 (V) Dòng điện định mức của van : Iđmv = 450 (A) Đỉnh xung dòng điện : Ipik = 7500 (A) Dòng điện của xung điều khiển : Iđk = 300 (mA) Điện áp của xung điều khiển : Uđk = 3 (V) Dòng điện rò : Ir = 45 (mA) Sụt áp lớn nhất của Thyristor ở trạng thái dẫn là: Tốc độ biến thiên điện áp : Tốc độ biến thiên dòng điện : Thời gian chuyển mạch : Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: Tmax = 1250C 2. Tính chọn máy biến áp chỉnh lưu: Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu dây làm mát bằng không khí tự nhiên. a. Tính các thông số cơ bản: * Tính chọn công suất biểu kiến của Máy biến áp: S = ks.Pd = * Điện áp pha sơ cấp của máy biến áp:j U1 = 380 (V) * Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp: Phương trình cân bằng điện áp khi có tải: Ud0.cos= Trong đó: = 10o là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện lưới. = 1,6 là sụt áp trên Thyristor. là sụt áp trên dây nối. r + x là sụt áp trên điện trở và điện kháng MBA Chọn sơ bộ: Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có: = Điện áp pha thứ cấp MBA: Với ku = ( theo bảng 8.1 Sách TKĐTCS) * Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của MBA: Với k2 = ( theo bảng 8.2 - TKTBĐTCS) * Dòng điện hiệu dụng sơ cấp MBA: b. Tính sơ bộ mạch từ: ( Xác định kích thước bản cực mạch từ ) * Tiết điện sơ bộ trụ: QFe Trong đó: Sba : công suất MBA kQ : hệ số phụ thuộc phương thức làm mát kQ = nếu là MBA dầu. kQ = nếu là MBA khô. m : số trụ của MBA (m = 3 vì ta chọn MBA 3 trụ) f : tần số nguồn điện xoay chiều (f = 50 Hz) * Đường kính trụ: d = 2.R = Chọn đường kính trụ theo tiêu chuẩn d = 11 (cm) (bảng 8.5 - T.92) * Chọn loại thép các lá thép có độ dày 0,5 mm * Chọn mật độ tự cảm trong trụ Bt = 1 (T) * Chọn tỷ số Với m = Chọn trụ cao h = 25 cm c. Tính toán dây quấn: * Số vòng dây mỗi pha sơ cấp MBA: (vòng) Lấy W1 = 270 (vòng) * Số vòng dây mỗi pha thứ cấp MBA: (vòng) Lấy W2 = 97 (vòng) * Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong MBA: Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô. Do mật độ dòng điện thường chọn trong khoảng J = Chọn J1 = J2 = 2,75 (A/mm2). * Tiết diện dẫn sơ cấp MBA: Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cấp cách điện B ( Tra bảng Phụ lục VI - T.620 - TKMĐ - Trần Khánh Hà) Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn: S1 = 3,124(mm2) Kích thước dây dẫn kể cả cách điện: S1cđ = a1.b1 = 1,06 x 3,15 (mm x mm) * Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp: (A/mm2) * Tiết diện dây dẫn thứ cấp của MBA: Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cấp cách điện B ( Tra bảng Phụ lục VI - T.620 - TKMĐ - Trần Khánh Hà). Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn: S2 = 11,15(mm2) Kích thước dây dẫn kể cả cách điện: S2cđ = a2.b2 = 1,61 x 7,52 (mm x mm) * Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp: (A/mm2) d. Kết cấu dây dẫn sơ cấp: Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục. * Tính sơ bộ vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp: (vòng) Trong đó: kc : hệ số ép chặt. Tra bảng 2.2 (T23.TKMĐ) chọn kc = 0,95 h : chiều cao trụ. hg : khoảng từ gông đến cuộn dây sơ cấp. Chọn hg = 1,5cm b1 : bề rộng của dây dẫn kể cả cách điện. * Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp: Chọn số lớp n1l = 10 (lớp). Như vậy có 270 vòng chia thành 10lớp, chọn mỗi lớp 27vòng. * Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp: (cm) * Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày: S01 = 0,1(cm) * Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp: a01 = 1 (cm) * Đường kính trong của ống cách điện: Dt = dFe + 2.a01 - 2.S01 = 11 + 2.1 - 2.0,1 = 12,8 (cm) * Đường kính trong của cuộn sơ cấp: Dt1 = Dt + 2.S01 = 12,8 + 2.0,1 = 13 (cm) * Chọn bề dày giữa hai lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd11 = 0,1 (cm) * Bề dày cuộn sơ cấp : Bd1 = (a1 + cd11).n1l = (0,106+ 0,1).6 = 1,236 (cm) * Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp: Dn1 = Dt1 + 2.Bd1 = 13 + 2.1,236 = 15,472 (cm) * Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp: (cm) * Chiều dài dây quấn sơ cấp: L1 = W1..Dtb1 = 270.3,14.14,236 = 12069 (cm) = 120,69 (m) * Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp: a12 = 1 (cm) e. Kết cấu dây quấn thứ cấp * Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp: h2 = h1 = 23,5 (cm) * Tính sơ bộ vòng dây trên một lớp: (vòng) * Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp: Chọn số lớp n21 = 4 (lớp). Như vậy có 77 vòng chia lớp thành 4, chọn mỗi lớp 19 vòng. * Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp: (cm) * Đường kính trong của cuộn thứ cấp: Dt2 = Dn1 + 2.a12 = 15,472 + 2.1 = 17,472 (cm) * Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp: cd22 = 0,1 (mm) * Bề dày cuộn thứ cấp : Bd2 = (a2 +cd22).n2l = (0,161 + 0,01).3 = 0,513 (cm) * Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp : Dn2 = Dt2 + 2.Bd2 = 17,472 + 2.0,513 = 18,498 (cm) * Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp: (cm) * Chiều dài dây quấn thứ cấp: L2 = W2..Dtb2 = 77.3,14.17,985 = 4348 (cm) = 43,48 (m) * Đường kính trung bình các cuộn dây: (cm) (cm) * Chọn khoảng cách giữa hai cuộn dây thứ cấp liền nhau: a22 = 2 (cm) f. Tính kích thước mạch từ: Hình 2.3.1:Các bậc thang ghép thành trụ W2 W1 Bd2 Bd1 hg a01 a12 Với đường kính trụ d = 11 cm, ta chọn số bậc là 6 trong nửa tiết diện trụ, với kích thước các bậc trong trụ theo Phụ lục XVII.1_Trang 664 - TKMĐ * Tính toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ: Qbt = 2.(1,6.10,5+1,1.9,5+0,7.8,5+0,6.7,5+0,4.6,5+0,7.4) = 86,2 (cm2) * Tiết diện hiệu quả của trụ: QT = khq.Qbt = 0,95.86,2 = 81,89 (cm2) * Tổng chiều dày các bậc thang của trụ: dt = 2.( 1,6 + 1,1 + 0,7 + 0,6 + 0,4 +0,7 ) = 10,2 (cm) * Số lá thép dùng trong các bậc: Bậc 1 : lá Bậc 2 : lá Bậc 3 : lá Bậc 4  : lá Bậc 5 : lá Bậc 6 : lá g. Để đơn giản trong việc chế tạo gông từ: Ta chọn gông từ có tiết diện hình chữ nhật có các kích thước sau: * Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ: b = dt = 10,2 (cm) * Chiều cao của gông bằng chiều rộng tấm lá thép thứ nhất của trụ: a = 10,5 (cm) * Tiết diện gông: Qbg = a x b = 107,1 (cm2) * Tiết diện hiệu quả của gông: Qg = khq.Qbg = 0,95.107,1 = 101,7 (cm2) * Số lá thép dùng trong một gông: lá * Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ: * Mật độ từ cảm trong gông: * Chiều rộng của sổ: c = 2.(a01 + Bd1 + a12 + Bd2) + a22 = 2.(1 + 1,236 + 1 + 0,513) + 2 = 9,498 (cm) * Tính khoảng cách giữa hai tấm trụ: c’ = c + d = 9,498 + 11 = 20,498 (cm) * Chiều rộng mạch từ: L = 2.c + 3.d = 2.9,498 + 3.11 = 51,996 (cm) * Chiều cao mạch từ: H = h + 2.a = 25 + 2.10,5 = 46 (cm) h. Tính khối lượng của sắt và đồng: * Thể tích của trụ: VT = 3.QT.h = 3.81,89.25 = 6141,75 (cm3) 6,142 (m3) * Thể tích của gông: Vg = 2.Qg.L = 2.101,7.51,996 = 10575,98 (cm3) * Khối lượng của trụ: MT = VT.mFe = 6,142.7,85 = 48,21 (kg) Trong đó: mFe =7,85 (kg/dm3) _ trọng lượng riêng của sắt * Khối lượng của gông: Mg = Vg.mFe = 10,57598.7,85 = 83,02 (kg) * Khối lượng của sắt: MFe = MT + Mg = 48,21 + 83,02 = 131,23 (kg) * Thể tích của đồng : VCu = 3.( S1.L1 + S2.L2 ) = 3.(3,124.10-4.152,43.10+11,15.10-4.54,78.10)=3,26 (dm3) * Khối lượng của đồng: MCu = VCu.mCu = 3,26.8,9 = 29,01 (kg) Trong đó: mCu = 8,9 (kg/dm3) _ trọng lượng riêng của đồng. i. Tính các thông số của máy biến áp : * Điện trở của cuộn sơ cấp MBA ở 750C: Trong đó:  : điện trở suất của đồng ở 750C (Bảng 5.1 - T.117 - TKMĐ - Trần Khánh Hà). * Điện trở cuộn thứ cấp của MBA ở 750C: * Điện trở của MBA quy đổi về thứ cấp: * Sụt áp trên điện trở MBA: r = RBA.Id = 0,153.54,54 = 8,345 (V) * Điện kháng MBA quy đổi về thứ cấp:(CT 8-31- T.35- TKTBĐTCS) = = 0,068 () Trong đó: W2 : số vòng dây thứ cấp MBA r : bán kính trong cuộn dây thứ cấp (cm) r = cm hqd : chiều cao cửa sổ lõi thép hqd = h1 = h2 = 23,5 cm = 314 rad Bd1, Bd2 : Bề dày cuộn dây sơ cấp và thứ cấp Bd1 = 1,236 cm Bd2 = 0,513 cm * Điện cảm của MBA quy đổi về thứ cấp: (H) = 0,218 (mH) * Sụt áp trên điện kháng MBA: x = Trong đó: Rdt = * Sụt áp trên MBA: * Điện áp trên động cơ khi có góc mở U = Ud0cosmin - 2Uv - UBA = 253,45.cos100 - 2.1,6 – 9,06 = 237,34 (V) * Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp: ZBA = * Tổn hao ngắn mạch trong MBA : Pn = 3.RBA.I22 = 3.0,153.44,532 = 910,16 (W) P% = * Tổn hao có tải kể đến 15% tổn hao phụ: P0 = 1,3.nf.( MTBT2 + MgBg2 ) = 1,3.1.( 48,21.0,612+ 83,02. 0,492 ) = 113,62 (W) P% = * Điện áp ngắn mạch tác dụng: Unr% = * Điện áp ngắn mạch phản kháng: Unx% = * Điện áp ngắn mạch phần trăm: Un% = (V) * Dòng điện ngắn mạch xác lập: I2nm = * Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại: Imax = = 2154,07 (A) < Ikik = 7500 (A) Ipik : Đỉnh xung max của Thyristor * Kiểm tra MBA thiết kế có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến thiên của dòng chuyển dịch: Giả sử chuyển mạch từ mạch T1 sang T3 ta có phương trình: 2.LBA. = U23 - U2a = .U2.sin 100 (A/s) Vậy MBA sử dụng tốt. * Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu: g. Thiết kế cuộn kháng lọc: * Xác định góc mở cực tiểu và cực đại: Chọn góc mở cực tiểu = 100. Với góc mở là dự trữ ta có thể bù được sự giảm điện áp lưới. Khi góc mở nhỏ nhất = thì điện áp trên tải là lớn nhất. Udmax = Ud0.cos= Udđm và tương ứng tốc độ động cơ sẽ lớn nhất nmax = nđm. Khi góc mở lớn nhất = thì điện áp trên tải là nhỏ nhất. Udmin = Ud0.cosvà tương ứng tốc độ động cơ sẽ nhỏ nhất nmin. Ta có: arcos = arcos Trong đó: Udmin được xác dịnh : D = Udmin = = = = 25,62 (V) = arcos= arcos * Lựa chọn các thành phần sóng hài: Để thuận tiện cho việc khai triển chuỗi Furier ta chuyển gốc toạ độ sang điểm , khi đó điện áp tức thời trên tải khi Thyristor T1 và T4 dẫn Ud = Uab = Với : Điện áp tức thời trên tải điện Ud không sin và tuần hoàn với chu kỳ Trong đó : P  : số xung đập mạch trong một chu kỳ điện áp lưới Khai triển chuỗi Furier của điện áp Ud : Ud = Trong đó: an = an = bn = bn = Ta có: Vậy ta có biên độ của điện áp: Uk.n = Uk.n = 2. Uk.n = Ud * Xác định điện cảm cuộn kháng lọc: Từ phân tích ở trên ta thấy rằng khi góc mở càng tăng thì biên độ thành phần sóng hài bậc cao càng lớn, có nghĩa là đập mạch của điện áp, dòng điện càng tăng lên. Sự đập mạch này làm xấu chế độ chuyển mạch của vành góp, đồng thời gây ra tổn hao phụ dưới dạng nhiệt trong động cơ. Để hạn chế sự đập mạch này ta phải mắc nối tiếp với động cơ một cuộn kháng lọc đủ lớn để: Im 0,1.Iưđm Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao, cuộn kháng còn có tác dụng hạn chế vùng dòng điện gián đoạn. Điện kháng lọc được tính khi góc mở = : Ta có: Ud + u~ = E + Ru.i~ + L Cân bằng hai vế: U = R.i~ +L. vì R.i~ << L nên U = L. Trong các thành phần xoay chiều bậc cao, thì thành phần sóng bậc cao k = 1 có mức độ lớn nhất gần đúng ta có: U~ = U1msin(6 + ) nên : I = Vậy Im = 0,1.Iưđm Suy ra : L ≥ Trong đó: = 6 là số xung đập mạch trong một chu kỳ điện áp. U1m = U1m = L = (H) = 8,4 (mH) Tải ta đang xét là động cơ điện một chiều, nên điện cảm phần ứng của động cơ được tính gần đúng theo công thức (8.42)(T.45 - TKTBĐTCS) Lư = Kd.(H) Trong đó: Kd = 0,5 0,6 đối với động cơ không có cuộn bù. Kd = 0,1 0,25 đối với động cơ có cuộn bù. ndm  : tốc độ quay định mức của động cơ.(vg/p) Udm : điện áp định mức của động cơ.(V) Idm  : dòng điện định mức của động cơ.(A) Điện cảm mạch phần ứng: Lưc = Lư + 2.LBA = 4 +2.0,218 = 4,436 (mH) Điện cảm cuộn kháng lọc: Lk = L - Lưc = 8,4 – 4,436 = 3,964 (mH) * Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc: Các thông số ban đầu: Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc: Lk = 3,964 (mH) Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng: Idm = 54,54 (A) Biên độ dòng điện xoay chiều bậc 1: I1m = 10%, I1dm = 5,454 (A) Đo dòng điện cuộn kháng lớn và điện trở bé do đó ta có thể coi tổng trở của cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng của cuộn kháng. Zk = Xk = 2..f.Lk = 2.3,14.50.3,964.10-3 = 1,24 () Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng: U = Zk.= 1,24.= 4,78 (V) Công suất của cuộn kháng lọc: S = Tiết diện cực từ chính (tiết diện lõi thép) của cuộn kháng lọc: Q = kQ. Trong đó: Q : tiết diện lõi thép (cm2) f ‘ = f.m kQ = 5 6 hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, khi làm mát bằng không khí tự nhiên. kQ = 5 Chuẩn hoá tiết diện trụ theo kích thước có sẵn : Chọn Q = 4,25 (cm2) Với tiết diện trụ Q = 4,25 (cm2) Chọn loại thép 330A, tấm thép dày 0,35 mm a = 20 (mm) b = 25 (mm) Chọn mật độ từ cảm trong trụ : BT = 0,8 T Khi có thành phần dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm thì trong cuộn cảm sẽ xuất hiện một sức điện động Ek : Ek = 4,44.kdq.w.f’.BT.Q Trong đó: kdq : hệ số dây quấn w : số vòng dây cuộn kháng lọc B : mật độ tự cảmm của lõi thép, với B = 01 08 Q : tiết diện lõi thép Với giả thiết bỏ qua sụt áp trên điện trở : Ek = U = 4,78 (V) Số vòng dây của cuộn kháng lọc : W = (vòng) Lấy W = 12 (vòng) Dòng điện chạy qua cuộn kháng i(t) = Id + imcos Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng: Ik = Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng: S1 = Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B Chọn Sk = 20 (mm2) Với kích thước dây: ak x bk = 1,8 x 9,785 (mm x mm) Tính lại mật độ dòng: J = Chọn tỷ số lấp đầy: klđ = 0,7 Diện tích cửa sổ: Qcs = Tính kích thước mạch từ: Qcs = c x h Chọn m = Chiều cao mạch từ: H = h + a = 60+20 = 80 (mm) Chiều dài mạch từ: L = 2.c + 2.a = 2.0,571 +2.60 = 131,43 (mm) Chọn khoảng cách từ gông tới cuộn dây: hg = 2 (mm) Tính số vòng trên một lớp: (vòng) = 6 (vòng) Tính số lớp dây quấn: (lớp) Chọn khoảng cách cách điện giữa dây quấn với trụ : a01 = 3 mm Cách điện giữa các lớp : cd1 = 0,1 mm Bề dày cuộn dây: Bd = (ak + cd1).n1 = (1,8 + 0,1).2 = 3,8 (mm) Tổng bề dày cuộn dây : Bd= Bd + a01 = 3,8 + 3 = 6,8 (mm) Chiều dài của vòng dây trong cùng: L1 = 2(a +b) + 2..a01 = 2(20 + 25) + 2.3,14.3 = 108,8 (mm) Chiều dài của vòng dây ngoài cùng: L2 = 2(a +b) + 2..( a01 + Bd) = 132,7 (mm) Chiều dài trung bình của một vòng dây: Ltb = (l1 + l2) : 2 = (108,8 +132,7) : 2 = 120,752 (mm) Điện trở của dây quấn ở 750C: R=.w= Thể tích sắt: VFe = 2.a.b.h + 2.a/ 2.b.1 = a.b(2h+1) = 0,125 (dm3) Khối lượng sắt: MFe = VFe.mFe = 0,125.7,85 = 0,944 (kg) Với mFe: khối lượng riêng của sắt, mFe = 7,85 (kg/dm3) Khối lượng đồng: MCu = VCu.mCu = Sk.ltb. w..mCu = 14,04.10-4.120,752.10-2.12.8,9 = 0,18 (kg) Với mCu : khối lượng riêng của đồng, mCu = 8,9 (kg) l. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực: * Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ * Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn: Khi làm việc với dòng điện chạy qua trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất , tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó, nếu quá nhiệt dộ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để cho van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lý. - Tính toán cánh tản nhiệt - Tổn thất công suất trên 1 Thyristor: Ilv : dòng điện làm việc của van. - Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: Trong đó: - Tổn hao công suất (W) - Độ chênh lệch so với môi trường Chọn nhiệt độ môi trường . Chọn nhiệt độ trên cánh tỏa nhiệt - Hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Chọn km = 8 (w/m2.0C) Chọn loại cánh tản nhiệt có 10 cánh Kích thước mỗi cánh a . b = 10 . 10 (cm2) Tổng diện tích toả nhiệt của cánh: S = 10.2.10.10 = 2000(cm2) = 0,2 (m2) * Bảo vệ quá dòng điện cho van: - Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động đóng mạch khi quá tải và ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu. - Chọn 1 aptomat có : Uđm = 220 V Có 3 tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng NCĐ - Chỉnh định dòng ngắn mạch Với I1d = 8,5(A) là dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp - Dòng quá tải: - Chọn cầu dao có dòng định mức: - Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sữa chữa HTTĐ - Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Thyristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu. - Nhóm 1cc: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 1cc: Với I2 = 29,72 (A) - Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của MBA - Nhóm 2cc: Dòng điện định mức nhóm 2cc: Với Ihd = 21,02 (A) - Dòng hiệu dụng làm việc của van - Nhóm 3cc: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 3cc: Với Iđm = 36,4 (A) - Dòng định mức Vậy chọn cầu chì: (Bảng 2.32 - T.644 - Cung cấp điện) Nhóm: 1cc có Idc = 120A loại-2-250 do Liên Xô chế tạo 2cc có Idc = 80A loại-2-100 do Liên Xô chế tạo 3cc có Idc = 150A loại-2-250 do Liên Xô chế tạo * Bảo vệ quá điện áp cho van: Bảo vệ quá điện áp: do quá trình đóng cắt Thyristor được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với Thyristor. Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng 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 quá điện áp giữa anot và katot của Thyristor. Khi có mạch R-C mắc song song với Thyristor tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Thyristor không bị quá điện áp. Hình 2.3.2: Mạch R-C bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch Theo kinh nghiệm: R1 = (5 30) ; C1 = (0,25 4) F Chọn: R1 = 5,1 C1 = 0,3 F * Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện: ta mắc mạch R-C như hình vẽ. Nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Trị số RC được chọn : R2 = 12,5 () C1 = 4 F Hình 2.3.3: Mạch RC bảo vệ quá điện áp từ lưới CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỞ VAN Để các van của bộ chỉnh lưu có thể mở tại thời điểm mong muốn thì ngoài điều kiện tại thời điểm đó trên các 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 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. Điện áp điều khiển các Thyristor phải đáp ứng được các yêu cầu cần thiết về công suất, biên độ cũng như thời gian tồn tại. Do đặc điểm của Thyristor 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 trên vùng cực điều khiển tạo ra các tín hiệu điều khiển Thyristor có dạng xung. 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 2.4.1: Sơ đồ khối khâu phát xung theo nguyên tắc pha đứng Khối 1: Khối đồng bộ hoá và phát xung răng cưa. Khối này có nhiệm vụ lấy tín hiệu động bộ hoá và phát ra sóng điện áp hình răng cưa đưa vào khối SS. Khối 2: Khối so sánh có nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu điện áp tựa 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 : là điện áp lưới xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu. Urc : điện áp tựa thường có dạng răng cưa lấy từ đầu ra của khối ĐBH – FXRC. Uđk : diện áp điều khiển một chiều dùng để điều khiển giá trị góc mở Uđkt : điện áp điều khiển Thyristor là chuỗi các xung điều khiển lấy từ đầu ra hệ thống điều khiển (cũng là đầu ra của khối truyền xung) và được truyền đến cực điều khiển G và Catot K của các Thyristor. * Nguyên lý làm việc: Điện áp cấp cho mạch động lực BBĐ được đưa đến các mạch đồng bộ hoá của khối 1. 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 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 hai điện áp này bằng nhau thì đầu ra của mạch so sánh thay đổi trạng thái xuất hiện xung điện áp .Như vậy điện áp có tần số xuất hiện bằng 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 được đưa đến cực Thyristor để mở van. Thực tế xung đầu ra của mạch so sánh không đủ độ rộng và biên để mở van, vì vậy 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 Thyristor. 1. Mạch đồng bộ hoá và phát xung răng cưa: a. 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 ca đầu ra của sơ đồ. + U0 là điện áp ổn định trên điốt ổn áp DZ; ic1, ic2 là dòng điện cực góp Tr1 và Tr2 Nguyên lý làm việc của khâu đồng bộ hóa và phát xung răng cưa 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 và cực gốc của một Tranzitor hầu như không đổi nên ta xem Ucb2 = A = const, vậy ta có ic2 = (U0- Ucb2)/RWR = 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 điốt D được đặt điện áp thuận, D sẽ mở dẩn 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 dặt 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. 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 – 5 mA) nên ta có thể bỏ qua sụt áp trên R3. Như vậy thì tụ C phóng đến điện áp bằng không tại t = vt và do Tr1 vẫn mở nên tụ vẫn 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. NhËn xÐt: S¬ ®å nµy cho d¹ng ®iÖn ¸p r¨ng c­a chÝnh x¸c nh­ng do cã ®iÖn trë b¶o vÖ R3 mµ ®iÖn ¸p trªn tô kh«ng gi¶m vÒ kh«ng (0 V) ®­îc. MÆt kh¸c, ®iÖn trë t¶i nhá sÏ ¶nh h­ëng ®Õn d¹ng ®iÖn ¸p uRC . 1.2 - S¬ ®å dïng IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n. Nguyªn lý ho¹t ®éng: ë n÷a chu kú d­¬ng Tr kho¸, ®iÖn ¸p ©m qua R3,R4 dÉn tíi ®Çu vµo ®¶o cña IC khiÕn ®iÖn ¸p ra cña IC cã gi¸ trÞ d­¬ng vµ tô C ®­îc n¹p bëi ®iÖn ¸p ®Çu ra nµy. Dßng n¹p cho tô ®­îc x¸c ®Þnh lµ: ic = iv - iI nÕu IC lµ lý t­ëng th× iv = 0 nªn ic = - iI Nªn ic = const vµ ®iÖn ¸p trªn tô tuyÕn tÝnh. ë n÷a chu kú ©m, D kho¸. Tr më nhê cÆp ®iÖn trë ®Þnh thiªn R1, R2 ; tô C phãng ®iÖn qua Tr. §iÖn ¸p trªn tô gi¶m vÒ 0V. Gi¶n ®å ®iÖn ¸p nh­ h×nh vÏ: NhËn xÐt: S¬ ®å nµy cã ­u ®iÓm lµ d¹ng ®iÖn ¸p tùa rÊt chÝnh x¸c, dung l­îng cña tô C cÇn rÊt nhá nªn kh«ng cÇn ®iÖn trë b¶o vÖ Tr. MÆt kh¸c, do ®iÖn trë ®Çu ra cña IC nhá nªn d¹ng ®iÖn ¸p ra hÇu nh­ kh«ng phô thuéc vµo ®iÖn trë t¶i m¾c ë ®Çu ra cña IC. §iÖn ¸p ra cã d¹ng gÇn lý t­ëng. §Ó n©ng cao chÊt l­îng lµm viÖc cña hÖ thèng ta sö dông m¹ch nh­ ë s¬ ®å h×nh vÏ sau: 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 mạng khác nhau, ở đây ta dùng IC khuyếch đại thuật toán và cách nối hai tín hiệu URC và Uđk theo cách tổng hợp song song sơ đồ như sau. a. Thiết bị của mạch gồm: - IC1 là IC khuyếch đại thuật toán có nhiệm vụ khuyếch 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. - Điốt D2 bảo vệ đầu ra của mạch so sánh. b. Nguyên lý làm việc Các điện áp răng cưa URC và điện áp điều khiển Rđk được đưa vào mạch so sánh với cực tính khác nhau. Cụ thể trên sơ đồ ta có URC > 0 còn Uđk < 0 , IC thuật toán làm nhiệm vụ so sánh và tại thời điểm thì đầu ra khối so sánh Ura sẻ thay đổi trạng thái cụ thể: Khi : Ura < 0 < 900 : Ura > 0 > 900 : Ura đổi chiều. Quá trình này được mô tả trên giản đồ điện áp của mạch điều khiển. 3. Khâu tạo xung Để đảm bảo yêu cầu về độ chính xác của thời điểm xuất hiện xung, sự đối xứng của xung ở các kênh khác nhau. Ta thiết kế cho khâu so sánh làm việc với công suất ra nhỏ, do đó xung ra của khâu so sánh chưa đáp ứng đủ các thông số yêu cầu của cực điều khiển Tiristor. Vì vậy phải thiết kế thêm mạch khuyếch đại xung, sữa xung… gọi là mạch tạo xung. Thiết bị của mạch bao gồm - R7, C1, D2, Tr2, Tr4 có nhiệm vụ sửa xung. - Tr3, Tr4, D3, D4, BAX có nhiệm vụ khuyếch đại và truyền xung cung cấp cho cực G của Tiristor. Nguyên lý làm việc của mạch tạo xung - Xung truyền đến cực điều khiển Tiristor dùng máy biến áp xung BAX. Máy biến áp xung ghép giữa đầu ra của tầng khuyếch đại công suất xung với cực điều khiển G và K của Tiristor. - Khuyếch đại xung: Dùng tầng khuếch đại Đalinhtơn mạch khuyếch đại có hệ số khuyếch đại là : trong dó là hệ số khuyếch đại của Tr3 ,Tr4) Sửa xung: Khi điện áp đầu ra của khâu so sánh có giá trị dương, tụ C1 sẽ nạp (D2 khoá Tr3, Tr4 mở bởi xung dương theo đường + USS R7 - C1 Tr3 Tr4 - USS nên UC1 : UCC(+) điện áp đầu ra của khâu so sánh có giá trị âm, đi ốt D2 phân cực thuận, Tr3 và Tr4 khóa, tụ C1 phóng điện ( + C1 ) R7 USS D2 (-C1) tụ C1 phóng nhanh về 0 và nạp lại với điện áp có cực tính ngựơc lại với hằng số thời gian = R7.C1. Do đó Tr3 và Tr4 không khóa lại ngay mà dần khóa lại tùy thuộc , quá trình đó gọi là quá trình 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. Mạch sửa xung: 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. Nguyên lý làm việc của mạch sửa xung như sau: Khi điện áp vào UV ở mức bão hoà dương cùng với điện trở định thiên R12, Tr6 mở bão hoà, tụ C2 được nạp với cực tính như phía trên (qua C2 –R11-Tr6). 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 (qua D1...) 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 = R11.C1.ln2 (2-15) Độ dài của xung chỉ phụ thuộc vào gía trị của R11 và C2 do đó các xung ra luôn có giá Hình 2-9 Giản đồ điện trị không đổi. áp khâu sữa xung Thiết bị đầu ra (Mạch truyền xung): Thông thường có 2 cách truyền xung từ đầu ra hệ thống điều khiển mạch G - K của Tiristor là truyền xung trực tiếp và truyền xung qua máy 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 Tiristor 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. Mạch khuyếch đại xung: Để khuyếch đại công suất của xung điều khiển, hiện nay phổ biến nhất là các sơ đồ khuyếch đại bằng Tiristor và Transistor. Hình bên là sơ đồ mạch khuyếch xung dùng Transistor khá phổ biến hiện nay. Tín hiệu đầu vào UV của mạch khuếch đại xung sử dụng 2 Transistor ghép nối tiếp (còn gọi là ghép kiểu Darlinhtơn). Tr7 và Tr8 mắc nối tiếp tương đương một Transisto có hệ số khuếch đại dòng điện b = b1.b2. (2-16) Chức năng của các phần tử trong sơ đồ: D2 là điôt có tác dụng giảm dòng điện qua cuộn dây sơ cấp của BAX khi các Transistor khoá, đồng thời hạn chế quá điện áp trên Transistor. 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. Các điện trở để hạn chế xung áp đầu vào và dòng điện cực góp của Transistor. Nguyên lý làm việc của sơ đồ: Tín hiệu vào của mạch là là tín hiệu ra của mạch gửi xung là tín hiệu lôgíc. Gọi 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. a) khi tbh > txv b) khi tbh < txv Xét trường hợp tbh > txv: - Trong khoảng thời gian t = 0 – t1, chưa có xung vào, không có dòng qua BAX nên thứ cấp của máy không có tín hiệu. - Khi t = t1, xuất hiện xung vào, Tr7,Tr8 mở bão hoà 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 Tiristor. - Khi t = t2 ( lúc này mạch từ chưa bão hoà) mất xung vào. Transistor7, Transistor 8 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 Tiristor. Xung dòng âm khép mạch qua R17 và D3 tiêu 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, Tr7,8 khoá, không có xung điều khiển - Khi t = t1: Xuất hiện xung vào làm Tr7,8 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. 4. Thiết kế mạch tổng hợp và khuếch đại các tín hiệu điều khiển, mạch tạo điện áp chủ đạo: Nhằm giúp hệ thống truyền động làm việc với tốc độ ổn định và đồng thời có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ ta phải thiết kế mạch khuếch đại trung gian được biểu diễn như sau: a. Mạch khuếch đại trung gian. * Sơ đồ khâu khuếch đại trung gian: Hình 2.4.9 : Sơ đồ mạch khuếch đại trung gian * Thiết bị của khâu khuếch đại trung gian gồm: - IC là khuếch đại thuật toán có nhiệm vụ tổng hợp, khuếch đại tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi âm tốc độ. - WR5 là biến trở để hạn chế phạm vi điều chỉnh. - R11 là điện trở phản hồi của IC. * Nguyên lý làm việc: Giả sử khi khởi động tốc độ động cơ n = 0 Uv = Ucđ (+) qua IC có Ura (-) = Uramax(-). Tr5 mở bão hoà Uđk 0 đây là quá trình cưỡng bức khởi động. Tốc độ động cơ tăng dần lên, Uv giảm dần đến Tr5 mở kém đi, Uđk tăng theo chiều âm (Uđk01). ĐC chuyển sang quá trình làm việc xác lập ổn định tốc độ. Muốn tăng giảm tốc độ ta tăng hoặc giảm Ucđ bằng cách điều chỉnh WR6 b. Mạch tạo điện áp chủ đạo: Hình 2.4.10: Sơ đồ mạch tạo điện áp chủ đạo c. Mạch phản hồi âm dòng có ngắt: Vì một lý do nào đó dòng điện trong mạch phần ứng động cơ tăng cao thì dòng ra ở cuộn thứ cấp của máy biến dòng BI tăng dẫn đến WR2 tăng cao đưa đến WR, điện áp điều khiển này lớn hơn Urc góc mở lớn thời điểm xuất hiệnn xung muộn điện áp ra của bộ chỉnh lưu giảm động cơ giảm tốc độ và dừng lại để bảo vệ động cơ. Hình 2.4.11: Sơ đồ mạch phản hồi âm dòng có ngắt d. Khâu tổng hợp và phản hồi âm tốc độ. * Sơ đồ: Hình 2. 4.12: Sơ đồ mạch tổng hợp và phản hồi âm tốc độ Trong đó: - Tín hiệu phản hồi âm tốc độ lấy từ máy phát tốc. - Khâu OA6 là khâu tổng hợp và khuếch đại. - Khâu OA7 là khâu tạo ra điện áp điều khiển thuận. - Khâu OA8 là khâu tạo ra điện áp điều khiển ngược. 5. Thiết kế khâu phản hồi: Hình 2.4.13: Sơ đồ khâu phản hồi Đối với hệ truyền động ngoài yêu cầu về phạm vi điều chỉnh tốc độ thì ổn định tốc độ khi làm việc cũng rất quan trọng. Trong hệ thống truyền động này ta thiết kế mạch phản hồi âm tốc độ để nâng cao đặc tính cơ. Tốc độ động cơ được truyền đến máy phát tốc. Máy phát tốc là một máy điện 1 chiều có điện áp ra tỷ lệ với tốc độ động cơ. Tín hiệu phản hồi lấy trên WR4 và đưa vào khâu tổng hợp tín hiệu (KĐTG ) xử lý. 6. Thiết kế mạch nguồn nuôi một chiều: Nguồn cung cấp cho toàn mạch điều khiển được lấy trên 2 cuộn thứ cấp của máy biến áp đồng bộ xoay chiều một pha và được chỉnh lưu qua CL1 và CL2. Trong đó: + Điốt cầu CL1 và tụ C3, C5, IC 7815 dung để ổn định điện áp và cung cấp nguồn nuôi cho các kênh điều khiển. + Điốt cầu CL2 và tụ C4, C6, IC 7815 dùng để ổn định điện áp và cung cấp nguồn nuôi cho các kênh điều khiển. CHƯƠNG 5: XÉT TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG I. Xét tính ổn định và hiệu chỉnh hệ thống: 1. Mục đích và ý nghĩa. Trong quá trình làm việc của hệ thống truyền động điện tự động, do nhiễu loạn hoặc do nhiều nguyên nhân khác mà hệ thống có thể bị mất ổn định. Tính ổn định của hệ thống là tính hệ thống có thể trở lại trạng thái ban đầu khi nhiễu loạn mất đi sau một khoảng thời gian nào đó hoặc khả năng xác lập trạng thái ổn định mới khi sai lệch đầu vào thay đổi. Xét ổn định cho hệ thống là xem hệ thống có ổn định hay không dựa vào các tiêu chuẩn ổn định. Từ đó ta tiến hành hiệu chỉnh hệ thống để hệ thống làm việc an toàn, tin cậy đạt được các yêu cầu mong muốn. Dựa vào đặc tính tĩnh của hệ thống ta thấy rằng các phản hồi âm dòng và âm tốc độ luôn có xu hướng làm ổn định hệ thống. Chỉ có phần đặc tính làm việc có đặc tính cơ cứng nhất là dễ mất ổn định hơn cả. Do đó ta chỉ xét ổn định ở vùng này, trong vùng này chỉ có phản hồi âm tốc độ tác dụng. Sơ đồ khối của hệ thống lúc này được biểu diễn trên hình vẽ sau: 2. Xét ổn định của hệ thống: a. Mô tả toán học các phần tử hệ truyền động T-Đ * Mô tả toán học chỉnh lưu điều khiển: Ta có sơ đồ thay thế mạch chỉnh lưu khi van dẫn dòng như sau : Hình 2.5.1: Sơ đồ thay thế mạch chỉnh lưu điều khiển. Hệ số chính lưu : Do tính chất dẫn xung và tính chất bán điều khiển của chỉnh lưu nên thời điểm thay đổi tín hiệu điều khiển không trùng với thời điểm thay đổi góc a. Độ dài thời gian trễ này có đặc tính ngâu nhiên. Do có khoảng thời gian trễ t nên: KCL . e-P.t.Uđk = Ud Hàm truyền của khâu chỉnh lưu: Khi tần số điện áp xoay chiều đủ lớn có thể dùng biến đổi gần đúng từ khai triển Mc.Lauin. Và khi này có thế thay thế hàm trễ bằng một khâu quán tính. Nên : - Sơ đồ cấu trúc của khâu chỉnh lưu như sau: Hình 2.5.2: Sơ đồ cấu trúc khâu chỉnh lưu. * Mô tả toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Ta có sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau: Hình 2.5.3: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều. Xét ở chế độ quá độ, động cơ điện một chiều ta sẽ có các phương trình mô tả sơ đồ thay thế như sau: Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng: Biến đổi Laplace ta được : Suy ra, ta có sơ đồ sau: (-) Với : ( : Hằng số thời gian quán tính điện từ) Phương trình chuyển động của hệ: Hay: Trong đó: Cm.Φ = Φ = 24 Với ( : Hằng số thời gian quán tính cơ học ) Chuyển sang toán tử Laplace ta có: Mặt khác ta có : Suy ra: Suy ra, ta có sơ đồ sau: (-) Từ các phương trình mô tả toán học trên ta có sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều như sau: Hình 2.5.4: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều * Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ hở hệ thống T-Đ: Căn cứ vào sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu và sơ đồ cấu trúc động cơ ta có sơ đồ cấu trúc động hệ thống khi chưa có khâu điều chỉ như sau: Hình 2.5.5: Sơ đồ cấu trúc hệ hở. Trong thực tế người ta thường bỏ qua khâu phản hồi sđđ trong tính toán các quá trình quá độ do quán tính càng lớn của w nên có sự biến thiên chậm so với đại lương điện. b. Xét tính ổn định hàm truyền hệ hở: Vì vậy ta có hàm truyền hệ hở (giả thiết IC(p) = 0) như sau: Trong đó: Đối với sơ đồ cầu 3 pha , thời gian trễ Giải phương trình đặc trưng: Ta có nghiệm: p1 = -100 p2 = -600 p3 = 0 Vậy hệ hở chưa ổn định, do đó em tiến hành thiết kế hai mạch phản hồi để bù sai lệch tĩnh, tăng cường độ chính xác và độ ổn định, cũng như tác động nhanh và tự động chống nhiễu phụ tải. 3. Thiết kế mạch điều chỉnh với hai vòng phản hồi tốc độ và dòng điện. a. Đặt vấn đề. Trong các hệ điều chỉnh tự động nói chung luôn tồn tại các phần tử có chứa các hằng số thời gian lớn như hằng số thời gian điện cơ, hằng số thời gian điện từ, hằng số thời gian dây quấn kích từ… Và một phần chứa các hằng số thời gian nhỏ như hằng số thời gian nhỏ như hằng số thời gian của xenxơ, hằng số thời gian của mạch điều khiển Thyristor ... Nếu ta có 1 đối tượng có hàm truyền: WĐT(P) = K1 ….. Kn : Hệ số khuyếch đại của các khâu trong hệ thống. m : Số khâu quán tính của hệ thống. Ti : Hằng số thời gian quán tính của các khâu quán tính. Nếu mạch có nhiều khâu quán tính có hằng số thời gian lớn thì độ tác động nhanh của hệ thống sẽ kém, sự ổn định của hệ kém, đồng thời sai số tĩnh sẽ lớn. Nên việc tổng hợp các bộ điều chỉnh được thực hiện theo từng mạch vòng để sao cho bù được các khâu có hằng số thời gian lớn để qua đó giảm được cấp cho mạch hở nhằm giảm sai lệch điều chỉnh và cải thiện chất lượng điều chỉnh của hệ thống là một việc rất quan trọng. Hình 2.5.6: Mô tả đặc tính quá độ của dòng điện Do đó ta phân tích đối tượng ra làm hai khâu: Mẫu số đối tượng : Trong đó: n : là số khâu có hằng thời gian lớn cần khử. m : là số khâu có hằng số thời gian nhỏ không cần khử. Theo lý thuyết điều khiên tự động, muốn khử một khâu nào đó, ta chỉ cần đưa thêm vào hệ thống một khâu có hàm truyền bằng nghịch đảo của khâu cần khử. Trong hệ thống truyền động điều chỉnh thường sử dụng các phương pháp hàm chuẩn tối ưu. b. Các phương pháp dùng hàm chuẩn tối ưu. * Phương pháp dùng tiêu chuẩn môdul tối ưu. Hàm chuẩn theo tiêu chuẩn môdul tối ưu.(tr.20_ĐCTĐ_Bùi Quốc Khánh) (1) Xét đối tượng là hàm hưu sai có hàm truyền; (2) , với T1 < T2 Khi đó hàm truyền của khâu điều chỉnh R(p) được xác định theo biểu thức: (3) Chọn td= min{T1;T2}= T1 và thay S0(p) ở biểu thức (2) ta có: (4) Với hàm truyền R(p) thì sẽ bù được khoảng thời gian lớn T2. Nhân cả tử và mẫu của (4) với T2 ta có: Với: ; TR =T2. Đây chính là khâu PI, do đó dùng mạch sau để thực hiện hàm truyền R(p). Với: KR = R2/R1 là hệ số khuyếch đại. TR = R2.C2 là hằng số thời gian. Hình 2.5.7 Cấu trúc mạch tích phân tỷ lệ. Tuy nhiên bộ điều chỉnh PI có cấu trúc như trên vẫn có nhược điểm trong việc điều chỉnh độc lập hai tham số KR và TR. Để khắc phục nhược điểm trên ta dùng bộ PI có cấu trúc như sau: Hình 2.5.8. Cấu trúc mạch tích phân tỷ lệ với hai thông số độc lập Trong đó: U1w : Tín hiệu đặt U1 : Tín hiệu phản hồi. U2 : Tín hiệu điều khiển. Kết quả ta được: Như vậy ta có thể điều chỉnh hằng số thời gian TR, bằng cách thay đổi R2. Sau đó chỉnh định hệ số khuyếch đại bằng việc chỉnh định a ta có thể thay đổi KR rất rộng. Như vậy hàm truyền hệ hở là: Hàm truyền hệ kín. Do hằng số T1 nhỏ nên có thể coi * Phương pháp tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. Hàm chuẩn tối ưu đối xứng có dạng: (T.23_ĐCTĐTDĐ - Bùi Quốc Khánh) (5) Xét hệ thống S0(p) có dạng : (6) Trong đó: TS : là tổng của các hằng số thời gian nhỏ. T1 : là hằng số thời gian lớn. Dùng hàm chuẩn tối ưu đối xứng để tổng hợp hệ thống nhằm bù được hằng số thời gian lớn T1 để đáp ứng yêu cầu về điều khiển hệ thống. Hàm truyền của khâu điều khiển R(p) được xác định theo biểu thức : (7) Thay FĐX(p) từ biểu thức (5) ta được : Chọn td = min{T1;TS}=TS và thay S0(p) ở biểu thức (6) ta có: (8) Từ biểu thức (8) ta có R(p) là khâu tích phân tỷ lệ PI: Với : Vậy : Hàm truyền hệ hở: Hàm truyền hệ kín: c. Tổng hợp mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ. * Sơ đồ cấu trúc của hệ. Khi xét hàm truyền của hệ theo tín hiệu U thì ta bỏ qua khâu nhiễu loại phụ tải. Khi đó ta có sơ đồ cấu trúc như sau: Hình 2.5.9: Sơ đồ cấu trúc của hệ Trong đó: Ww : là bộ điều chỉnh tốc độ. WI là bộ điều chỉnh dòng điện. Wp là bộ chỉnh lưu. b là hệ số phản hồi âm dòng. g là hệ số phản hồi âm tốc độ. * Xác định một số thông số cơ bản: Hệ số khuyếch đại của động cơ: Hằng số thời gian điện từ của động cơ : Hệ số khuyếch đại của bộ chỉnh lưu được xác định : Ta có : Xét quan hệ Ud = f(a). Từ phương trình điện áp chỉnh lưu cầu 3 pha ta có: Xét quan hệ Udk = f(a). Vì góc a phụ thuộc vào điện áp điều khiển với các giá trị Uđk khác nhau thì thời điểm mở khác nhau nên ta có: Chọn Urc max = 12(V) là điện áp răng cưa cực đại phụ thuộc vào dung lượng của tụ C (trong mạch phát xung răng cưa). Cho a biến thiên từ (0¸900) ở các biểu thức trên ta có: a 0 p/6 p/3 p/2 Udk 0 2 4 6 Ud 253,422 219,47 126,71 0 Để đơn giản trong tính toán và trong giới hạn cho phép ta có thể tuyến tính hoá đường cong khi coi hệ khuyếch đại của bộ chỉnh lưu Kp = const. Phản hồi dòng được lấy từ Shuntn dòng loại loại 70A/750mV mắc nối tiếp với động cơ. Hệ số phản hồi dòng Hệ số phản hồi tốc độ: Do điện áp ra của máy phát tốc được đưa vào bộ khuyếch đại trung gian nên chỉ lấy một phần qua triết áp với Chọn loại máy phát tốc có: n= 1500(v/p) Uđm=220(V) * Tổng hợp mạch vòng dòng điện. Sơ đồ cấu trúc: Do Tm >> Te nên sự biến thiên tốc độ n hay EĐ chậm hơn Id. Xét trong thời gian Δt ta xem như ΔEĐ = 0, nên bỏ qua nhiễu EĐ tham gia vào mạch vòng dòng điện. Do vậy ta sẽ được sơ đồ cấu trúc sau khi bỏ qua nhiễu và đơn giản hoá là: Hình 2.5.10: Sơ đồ cấu trúc tổng hợp mạch vòng dòng điện Ta có: (vì bộ chỉnh lưu là cầu 3pha nên τ = 0,00167) * Phân tích: - Mạch vòng dòng điện điều chỉnh quá trình quá độ của hệ thống, nên dòi hỏi độ chính xác cao. - Hàm truyền của đối tượng là dạng đặc thù của Tối ưu modul - Trong mạch vòng dòng điện không có nhiễu loạn => Kết luận: Hiệu chỉnh mạch vòng dòng điện thành hệ thống điển hình loại I. Vì vậy theo Tối ưu modul ta có hàm truyền của Bộ điều chỉnh là: Theo phương pháp modul tối ưu: Với: Với: Vậy : Thực hiện Bộ điều chỉnh. Ta có sơ đồ nguyên lý: Ta có: * Tổng hợp mạch vòng tốc độ. * Biến đổi mạch vòng dòng điện thành một khâu tương ứng. với => chia cả tử và mẫu cho KI ta được: xử lí gần đúng: với điều kiện là: ta được: Với * Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống mạch vòng tốc độ: (-) (-) * Biến đổi sơ đồ đưa về sơ đồ cấu trúc cơ bản ta được: (-) với Mc(p) = 0, xử lý gần đúng: Do T rất nhỏ nên: với điều kiện là: => Sơ đồ cấu trúc sau xử lý gần đúng là: (-) * Phân tích: dựa vào sơ đồ ta thấy hệ thống phải chống nhiễu tốt, chịu tác động của tín hiệu đặt. => hệ thống sau hiệu chỉnh là hệ thống điển hình loại II. Ta có: hàm truyền đối tượng của hệ thống: với Theo tối ưu đối xứng và với hàm truyền đối tượng như vậy tra bảng (9) ta được hàm truyền của Bộ điều chỉnh: và phối hợp tham số τ2 = hTΣn Hàm truyền hở của hệ thống sau hiệu chỉnh: vớiτ2=hTΣn =6.0,0184 = 0,1104ms và Chọn . ; chọn h = 6 => Vậy hàm truyền của BĐC được viết lại là: Kiểm nghiệm các điều kiện gần đúng. Từ h = 6, tra bảng (4) ta được => với . Kiểm tra với điều kiện (2) và (3) ta có: (2) (3) Do điều kiện (3) không thoã mãn nên chọn lại h = 7, tra bảng (4) ta được => Kiểm tra với điều kiện (2) và (3) ta có: Vậy cả hai điều kiện đều thoả mãn. Vậy hàm truyền của BĐC được viết lại là: Thực hiện Bộ điều chỉnh. Ta có sơ đồ nguyên lý: Ta có: Sau khi tổng hợp các mạch vòng dòng diện và tốc độ ta có sơ đồ nguyên ly như sau: Hình 2.5.12: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống CHƯƠNG 6: X ÂY DỰNG SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ THUYẾT MINH SƠ ĐỒ I. Giới thiệu sơ đồ: * Hệ thống trang bị điện điều khiển động cơ truyền động của cơ cấu xe cầu của cầu trục đã thiết kế thỏa mãn các yêu cầu sau: - Khởi động động cơ cả hai chiều. - Dừng động cơ. - Tự động ổn định tốc độ và tự động hạn chế dòng phụ tải . - Điều chỉnh được tốc độ với phạm vi rộng * Hệ thống gồm 2 mạch chính: - Mạch động lực: Động cơ điện một chiều kích từ song song. Mạch chỉnh lưu cung cấp nguồn một chiều cho động cơ là mạch chỉnh lưu cầu có điều khiển bao gôm hai bộ điều khiển mắc song song ngược. Cuộn kháng cân bằng dung để lọc dòng phần ứng của động cơ. Máy biến áp dòng để láy tín hiệu tốc độ cho khâu phản hồi mạch sẽ tạo góc dịch pha so với điện áp lưới. Để tác dụng khâu khuếch đại trung gian tạo ra điện áp để đưa tới - Mạch điều khiển gồm: Hai bộ phát xung và điều khiển , một bộ phát xung cho bộ thuận, một bộ phát xung cho bộ ngược. Mỗi bộ gồm 6 kênh phát xung, các kênh này đều sử dụng , BA xung khuếch đại thuật toán, để tổng hợp và khuếch đại xung. Tín hiệu điều khiển được tổng hợp từ điện áp chủ đạo dương, tín hiệu phản hồi âm tốc độ, tín hiệu phản hồi âm dòng có ngắt qua khâu khuếch đại trung gian được cấu tạo từ các khuếch đại trung gian. MBA đồng bộ để tạo ra tín hiệu đồng bộ cho các kênh phát xung. Bộ nguồn nuôi để tạo ra nguồn nuôi cho các , BA xung. II.Nguyên lý làm việc của hệ thống: 1.Khởi động: Đóng Aptomat cung cấp điện cho hệ thống truyền động điện ( mạch kích từ, máy biến áp động lực, nguồn nuôi mạch điều khiển). Khi tải đã được móc vào móc treo, ấn nút M cuộn dây Contactor ĐG có điện, tiếp điểm DG = 1 tạo mạch duy trì cho ĐG, ĐG(đl)=1 cấp điện cho động cơ. Ta phát lệnh điều khiển mở các van T1 – T12 với góc mở α1 900 sao cho α1 + α2 = 1800 (α1 – góc mở của T1 – T6, α2 – góc mở của T7 – T12 ). Cấp động cơ quay, tăng tốc trên đặc tính với 2 phản hồi. Khi đến khi phảnhồi âm dòng khóa lại động cơ tăng tốc trên đặc tính chỉ còn 1 phản hồi. Khi thì động cơ làm việc xá lập. 2. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ: Có nhiều phương pháp để điều chỉnh tốc độ, ở đây em dung phương pháp thay đổi để điều chỉnh tốc độ. Khi tải được móc vào móc treo, ấn nút M, khối tạo xung làm việc tạo ra các xung điều khiển mở Thyristor thông qua khối LOG và máy biến áp xung để tạo ra các xung điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu. Ta phải chọn tín hiệu điều khiển, mạch khuếch đại trung gian và tín hiệu này được so sánh với tín hiệu răng cưa. Nếu thay đổi độ lớn Uđk thì sẽ thay đổi thời gian xuất hiện xung. Nghĩa là thay đổi được góc mở α1 ( α2 ) của các bộ chỉnh lưu. Để điều khiển tốc độ động cơ phù hợp với các chu trình ta dùng các công tắc để cấp tín hiệu. Khi muốn máy chạy chậm thì góc mở α của bộ biến đổi phải lớn → Uđk nhỏ, ngược lại muốn máy chạy nhanh thì góc mở α nhỏ → Uđk lớn. Muốn đảo chiều động cơ thì ta sẽ tiến hành điều khiển để đảo chiều điện áp Ud. Quá trình được thực hiện như sau: Gỉa sử, BBĐ đang làm việc ở chế độ nghịch lưu với góc điều khiển còn BBĐ khóa. Động cơ Đ được cấp điện quay thuận. Khi có lệnh đảo chiều bởi U, góc mở tăng lớn hơn , dòng điện phần ứng giảm dần về 0. Khi cảm biến dòng điện 0 phát tín hiệu, khối LOG sẽ cắt xung điều khiển đưa vào BBĐ và BBĐ khóa lại. Sau đó, cũng khối LOG cho tín hiệu cấp xung để xung điều khiển từ máy phát xung tới BBĐ. Góc mở với giá trị được quyết định bởi U. Điện áp phần ứng động cơ đổi dấu và động cơ quay ngược. Kết luận: Sau hơn hai tháng nghiên cứu tài liệu và được sự giúp đỡ, chỉ bảo của thầy giáo Nguyễn Anh Tuấn em đã hoàn thiện bản đồ án của mình. Trong quá trình làm đồ án với kiến thức đã học tại trường đặc biệt là các môn chuyên nghành và hơn nữa là em đã nghiên cứu tìm hiểu tài liệu trong thư viện nhà trường, trên mạng internet cũng như tài liệu, giáo trình của thầy Nguyễn Anh Tuấn tìm giúp. Và với sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy, cô trong bộ môn em đã thu được một số thành quả nhất định: + Biết được cách trình bày kết cấu cơ bản của một bản đồ án. + Biết tìm tòi, chắt lọc những tài liệu phù hợp cho nội dung của đồ án. + Qua đồ án của mình em đã hiểu được quy trình công nghệ của thiết kế cho bộ biến đổi điện tử công suất cho các cơ cấu truyền động và đặc biệt là cơ cấu truyền động nâng hạ Mặc dù do thời gian làm đồ án còn ngắn và trình độ kiến thức của bản thân còn hạn chế nên bản đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô cùng các bạn để đồ án của em hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Lê Văn Dinh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2006. [2] TS. Trần Thọ, PGS.TS. Võ Quang Lạp, Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội. [3] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội. [4] Nguyễn Mạnh Tiến, Vũ Quang Hồi, Trang bị điện – điện tử máy gia công kim loại, Nhà xuất bản giáo dục. [5] Vũ Quang Hồi, Nguyễn Văn Chất, Nguyễn Thị Liên Anh, Trang bị điện – điện tử máy công nghiệp dùng chung, Nhà xuất bản giáo dục. [6] Bộ môn TĐ-TL, Khoa Điện, Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ, [7] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2004. [8] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2006. [9] Hướng Dẫn thiết kế điện tử công suất, Tác giả: Phạm Quốc Hải [10] Máy nâng – tác giả Phạm Quốc Hải [11] Trang bị điên- Điện tử tự động hoá cầu trục & cần trục – Tác giả Bùi Quốc Khánh và Hoàng Xuân Bình [12] Thiết kế máy điện – Tác giả Trần Khánh Hà .