Đồ án Tình hình tổng quan về màng hóa dùng làm cảm biến khí

PHẦN I:TÍNH CHON CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ I.KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI VÀ CẤU TẠO MÁY BÀO MẶT PHẲNG 1.Khái niệm chung Máy bào mặt phẳng hay còn gọi là máy bào giường hiện nay được sử dụng rộng rãi. Trong các loại máy cơ khí, nó được dùng để gia công bề mặt các chi tiết kim loại có biến dạng lớn. Ngoài ra máy bào mặt phẳng còn được dùng để xẻ rãnh hình T, V, đuôi én. Máy bào có thể gia công bề mặt các chi tiết ở mức độ thô hoặc tinh khác nhau. Truyền động chính trong máy bào mặt phẳng là chuyển động tịnh tiến của bàn máy, bàn máy được kéo bằng một động cơ điện. Chất lượng và năng suất của máy bào mặt phẳng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tốc độ bàn máy, lực cắt, mô men cắt của dao…. Vì vậy việc điều khiển động cơ truyền động cho bàn máy là hết sức quan trọng mà ta cần nghiên cứu và giải quyết. 2.Phân loại Máy bào mặt phẳng hiện nay có nhiều chủng loại, dựa vào kiểu phân loại ta chia thành các nhóm máy bào mặt phẳng như sau: *Dựa vào số trụ phân ra : Máy bào một trụ : ví dụ như các kiểu máy 710 ; 71120 ; 7116 Máy bào hai trụ : ví dụ như các kiểu máy 7210 ; 7212 ; 7216 *Dựa vào chiều dài (Lb) của bàn máy và lực kéo bàn (Fk) ta phân ra: Máy cỡ nhỏ: Chiều dài bàn Lb < 3 (m) ; Lực kéo Fk = 30 ¸ 50 (KN) Máy cỡ trung bình: Chiều dài bàn Lb = 4 ¸ 5 (m) ; Lực kéo Fk = 50 ¸ 70 (KN) Máy cỡ nặng (lớn): Chiều dài bàn Lb > 5 (m) ; Lực kéo Fk > 70 (KN) 3.kết cấu máy bào mặt phẳng Máy bào giường được cấu tạo từ nhiều chi tiết phức tạp, nhiều khối khác nhau. Ở đây ta chỉ mô tả kết cấu bên ngoài và các bộ phận chủ yếu của máy. Hình 1.1. Hình dáng bên ngoài của máy bào giường hai trụ *Đế máy (thân máy) Được làm bằng gang đúc để đỡ bàn và trụ máy để có khối thế tạo vững chắc cho máy. Đế được xẻ rãnh hình chữ nhật và chữ V để cho bàn máy chuyển động dọc theo đế máy. *Bàn máy Được làm bằng gang đúc dùng để mang chi tiết gia công. Trên bàn máy có 5 rãnh chữ T để gá lắp chi tiết cần gia công. Bàn máy được kéo tịnh tiến trên đế máy nhờ lực kéo của động cơ truyền động. *Giá chữ U Được cấu tạo từ hai trụ thép vững chắc và có một dầm ngang trên cùng. Trong dầm đặt một động cơ để di chuyển xà ngang lên xuống, dọc theo trục có xẻ rãnh, có trục vít nâng hạ và dao động để di chuyển xà *Xà ngang Chuyển động lên xuống theo hai trụ, xà được kẹp chặt khi gia công *Các bàn dao máy Gồm hai bàn dao đứng và hai bàn dao hông, trục bàn có giá đỡ dao. Giá máy có thể dịch chuyển một góc nào đó để gia công chi tiết, khoảng dịch chuyển lớn nhất của các con trượt là 300 mm, góc quay giá đỡ là ±600. *Bộ phận truyền động Gồm các máy điện xoay chiều, một chiều chuyển động quay và qua các hộp truyền động truyền chuyển động cho các bộ phận của máy Tóm lại: Máy bào giường được cấu tạo hoàn chỉnh sẽ có kết cấu chắc chắn, gọn, đảm bảo tính kỹ thuật, kinh tế, thẩm mỹ. II.CÁC TRUYỀN ĐỘNG CỦA MÁY BÀO GIƯỜNG 1. Truyền động chính của bàn máy Truyền động của bàn là truyền động chính của máy, đây là kiểu chuyển động tịnh tiến và có tính chất chu kỳ lặp lại, mỗi chu kỳ có hai hành trình là hành trình thuận và hành trình ngược. 1.1 Hành trình thuận Là hành trình gia công chi tiết nên còn gọi là hành trình cắt gọt. Ở hành trình này có nhiều giai đoạn khác nhau như khởi động, ăn dao, vào chi tiết, cắt gọt ổn định, dao ra khỏi chi tiết. Ứng với mỗi giai đoạn là một tốc độ yêu cầu khác nhau phụ thuộc vào các yếu tố của chế độ cắt gọt. 1.2 Hành trình ngược Sau khi kết thúc hành trình thuận, bàn máy được đảo chiều và bắt đầu hành trình ngược. Hành trình này bàn máy chạy không tải trở về vị trí ban đầu để chuẩn bị cho chu kỳ làm việc tiếp theo. Tốc độ của bàn máy ở hành trình ngược thường lớn hơn ở hành trình thuận (khoảng 23 lần) để nâng cao năng suất làm việc của máy. Truyền động của bàn được thực hiện bằng một động cơ điện qua hộp giảm tốc truyền động tới trục vít thanh răng biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của bàn. Tốc độ bàn máy được biểu diễn theo thời gian trong một chu kỳ gia công như hình 1.2. t t21 t9 t1 t22 t3 t4 t5 t61 t62 t7 t8 t10 t11 t12 Vng V Vth V0 V0 TCK V0 Hình 1.2 Đồ thị tốc độ bàn máy theo thời gian trong một chu kỳ bào Do đặc điểm chuyển động của bàn máy là đảo chiều với tần số làm việc lớn nên quá trình quá độ chiếm thời gian khá lớn trong một chu kỳ làm việc. Chiều dài hành trình (hay chiều dài bàn) càng lớn thì quá trình quá độ chiếm tỷ lệ càng nhỏ. Năng suất của máy được xác định là số hành trình kép trên một đơn vị thời gian, vậy muốn đảm bảo năng suất của máy ta cần tìm hiểu về tốc độ yêu cầu của máy theo thời gian làm việc trong một chu kỳ: Giả thiết bàn máy đang ở đầu hành trình thuận, bàn máy được tăng tốc đến vận tốc V0 trong thời gian t1. Thường thì vận tốc V0 = 515(m/phút) gọi là tốc độ vào dao. Sau khi chạy ổn định với tốc độ V0 trong khoảng thời gian t21 thì dao cắt bắt đầu vào chi tiết. Dao cắt vào chi tiết ở tốc độ thấp nhằm mục đích tránh sứt mẻ dao hoặc chi tiết. tdao cắt vào chi tiết và cắt với tốc độ V0 cho đến hết thời gian t22. t3 là khoảng thời gian bàn máy tăng tốc từ tốc độ V0 đến tốc độ Vth gọi là tốc độ cắt gọt. t4 là khoảng thời gian gia công chi tiết với tốc độ cắt gọt Vth không đổi. tGần hết hành trình thuận, bàn máy sơ bộ giảm tốc độ từ tốc độ cắt gọt về tốc độ V0 trong khoảng thời gian t5. t61 là thời gian tiếp tục gia công nhưng ở tốc độ V0 t62 là khoảng thời gian dao được đưa ra khỏi chi tiết nhưng bàn máy vẫn chạy với tốc độ V0. t7 là thời gian bàn máy được giảm tốc về 0 để đảo chiều sang hành trình ngược. t8 là thời gian bàn máy tăng tốc nhanh sau khi đảo chiều sang hành trình ngược đến tốc độ Vng gọi là tốc độ không tải. t9 là khoảng thời gian bàn máy chạy ngược ở tốc độ Vng không đổi. t10Gần hết hành trình ngược, bàn máy được giảm tốc về tốc độ V0 trong khoảng thời gian t10. t11 là khoảng thời gian bàn máy vẫn chạy ngược với tốc độ V0 và bắt đầu giảm tốc về 0 để đảo chiều. tlà thời gian vận tốc giảm về 0 và đảo chiều để kết thúc một chu kỳ làm việc và chuẩn bị cho chu kỳ làm việc tiếp theo. Bàn dao được di chuyển bắt đầu từ thời điểm bàn máy đảo chiều từ hành trình thuận sang hành trình ngược và kết thúc di chuyển trước khi dao cắt vào chi tiết. Tổng thời gian từ khi bắt đầu hành trình thuận cho đến hết hành trình ngược gọi là chu kỳ làm việc của máy bào giường TCK. Tốc độ hành trình thuận được xác định tương ứng với chế độ cắt gọt, thường thì Vth = 5120 m/ph. Tốc độ bàn máy lớn nhất có thể đạt Vmax = 75120 m/ph. Để tăng năng suất máy, tốc độ hành trình ngược chọn lớn hơn tốc độ hành trình thuận Vng = k.Vth và thường thì k = 2 3 Năng suất của máy phụ thuộc vào số hành trình kép trong một đơn vị thời gian: (1-1) TCK – thời gian một chu kỳ làm việc của bàn máy (s) tth thời gian bàn máy chuyển động ở hành trình thuận (s) tng thời gian bàn máy chuyển động ở hành trình ngược (s) Giả sử gia tốc bàn máy lúc tăng hay giảm tốc độ là không đổi thì ta có: ; (1-2) *Trong đó: Lth , Lng : là chiều dài hành trình của bàn máy tương ứng với tốc độ ổn định Vth, Vng của hành trình thuận và hành trình ngược. Lg.th , Lh.th : là chiều dài hành trình bàn trong quá trình tăng tốc (gia tốc) và quá trình giảm tốc (hãm) ở hành trình thuận. Lg.ng , Lh.ng : là chiều dài hành trình bàn trong quá trình tăng tốc (gia tốc) và quá trình giảm tốc (hãm) ở hành trình ngược. Thay (1-2) vào (1-1) ta có: (1-3) *Trong đó: L = Lth + Lg.th + Lh.th = Lng + Lg.ng + Lh.ng là chiều dài hành trình máy. k = là tỷ số giữa tốc độ hành trình ngược và hành trình thuận. tđc là thời gian đảo chiều của bàn máy. Từ công thức (1-3) ta thấy rằng khi đã chọn tốc độ cắt gọt ở hành trình thuận là Vth thì năng suất của máy phụ thuộc vào hệ số k và thời gian đảo chiều tđc. Khi k tăng thì Vng tăng nên năng suất của máy tăng, tuy nhiên khi k > 3 thì năng suất của máy tăng không đáng kể vì lúc đó thời gian đảo chiều tđc lại tăng. Nếu chiều dài bàn máy Lb > 3 m thì thời gian tđc ít ảnh hưởng đến năng suất mà chủ yếu là hệ số k. Khi chiều dài bàn Lb bé và nhất là khi tốc độ V = Vmax = 75120 (m/ph) thì tđc ảnh hưởng nhiều đến năng suất của máy. Vì vậy một trong các điều kiện cần chú ý khi thiết kế truyền động cho bàn máy của máy bào giường là cần giảm thời gian quá trình quá độ càng nhỏ càng tốt. Một trong những biện pháp giảm thời gian quá trình quá độ là xác định tỷ số truyền tối ưu của cơ cấu truyền động từ động cơ đến trục làm việc, đảm bảo máy làm việc với gia tốc cao nhất. *Kết luận:Từ những phân tích ở trên ta rút ra các yêu cầu về truyền động chính của máy bào giường như sau: *Phạm vi điều chỉnh tốc độ: D = (1-4) Trong đó : Vngmax : là tốc độ lớn nhất của bàn máy ở hành trình ngược, thường Vngmax= 75120 (m/ph) Vthmin : là tốc độ nhỏ nhất của bàn máy ở hành trình thuận, thường Vthmin = 46 (m/ph). Như vậy phạm vi điều chỉnh tốc độ nằm trong khoảng D = (12,530)/1 * Đặc tính phụ tải của truyền động chính: P,M MC PC Vmin Vgh Vmax V I II Thông thường, để đảm bảo cho công suất đặt là nhỏ nhất cho động cơ truyền động (thường là động cơ một chiều) thì hệ truyền động thường được điều khiển theo hai vùng điều chỉnh, ta có đặc tính của đồ thị phụ tải như sau: Hình 1.3 Đặc tính của phụ tải máy bào giường *Vùng I: là vùng thay đổi điện áp phần ứng trong dải điều chỉnh D = (56)/1 với mô men trên trục động cơ không đổi ứng với tốc độ bàn máy thay đổi từ Vmin = (46) m/ph đến Vgh = (2025) m/ph. Khi đó lực kéo bàn máy là không đổi và công suất kéo Pc tăng dần lên. *Vùng II: là vùng điều chỉnh bằng cách giảm từ thông động cơ trong phạm vi D = (45)/1 khi thay đổi tốc độ từ Vgh đến Vmax = (75120) m/ph. Khi đó công suất kéo PC gần như không đổi còn lực kéo thì giảm dần. Tuy nhiên, việc thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi từ thông sẽ làm giảm năng suất của máy vì thời gian quá trình quá độ tăng do hằng số thời gian mạch kích từ lớn (tức do quán tính của cuộn kích từ lớn). Vì vậy thực tế người ta mở rộng phạm vi điều chỉnh điện áp và giảm phạm vi điều chỉnh từ thông, hoặc điều chỉnh tốc độ động cơ trong cả dải bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, trong trường hợp này thì công suất động cơ phải tăng Vmax/Vgh. Độ ổn định tĩnh: Ở chế độ làm việc xác lập, độ ổn định tốc độ không được vượt quá 5% (s 5%) khi phụ tải thay đổi từ 0 đến giá trị định mức. Ở quá trình quá độ hay quá trình khởi động và hãm yêu cầu xảy ra êm, tránh va đập trong bộ truyền động với độ tác động cực đại. Đối với những máy bào giường cỡ nhỏ (Lb< 3m; FK = 3050KN) thì D = (34)/1 với hệ thống truyền động chính thường là động cơ không đồng bộ - khớp ly hợp điện từ; động cơ không đồng bộ roto dây quấn hoặc động cơ điện một chiều kích từ độc lập và hộp tốc độ. Những máy cỡ trung bình (Lb = 35 m; FK = 5070 KN) thì D = (68)/1 với hệ thống truyền động là hệ F - Đ (máy phát điện một chiều cấp điện cho động cơ một chiều). Đối với máy cỡ nặng (Lb>5 m; FK>70 KN) thì D = (825)/1, hệ truyền động là F-Đ có bộ khuếch đại trung gian hoặc hệ truyền động T-Đ là hệ chỉnh lưu cấp điện cho động cơ một chiều và điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh góc mở của thyristor. 2.Truyền động ăn dao Truyền động ăn dao cũng làm việc có tính chất chu kỳ, trong mỗi hành trình kép làm việc một lần. thời gian truyền động ăn dao được thực hiện từ thời điểm đảo chiều từ hành trình thuận sang hành trình ngược và kết thúc trước khi dao cắt bắt đầu vào chi tiết. Phạm vi điều chỉnh lượng ăn dao là D = (100200)/1 với lượng ăn dao cực đại có thể đạt tới (80100) mm/1 hành trình kép. Cơ cấu ăn dao yêu cầu làm việc với tần số lớn, có thể đạt 1000 lần/giờ. Hệ thống di chuyển đầu dao cần phải đảm bảo theo hai chiều ở cả chế độ di chuyển làm việc và di chuyển nhanh. Truyền động ăn dao có thể thực hiện bằng nhiều hệ thống như: cơ khí, điện khí, thủy lực, khí nén…, thông thường sử dụng rộng rãi hệ thống điện cơ, đó là động cơ điện và hệ thống truyền động trục vít - êcu hoặc bánh răng - thanh răng. Lượng ăn dao trong một hành trình kép khi truyền động bằng hệ trục vít - êcu được tính như sau: s = .t . T Và đối với hệ bánh răng - thanh răng là: s = .t . T *Trong đó : ; là vận tốc góc của trục vít; bánh răng (rad/s); Z là số bánh răng; t là bước răng của trục vít hoặc thanh răng (mm); T là thời gian làm việc của trục vít hoặc thanh răng (s) Từ hai biểu thức trên, ta có thể điều chỉnh lượng ăn dao s bằng cách thay đổi thời gian sử dụng nguyên tắc hành trình (sử dụng công tắc hành trình) hoặc nguyên tắc thời gian (sử dụng rơle thời gian). Các nguyên tắc này đơn giản nhưng năng suất máy thường bị hạn chế, lý do là lượng ăn dao lớn thì thời gian làm việc phải dài, nghĩa là thời gian đảo chiều từ hành trình thuận sang hành trình ngược phải dài và trong nhiều trường hợp thì điều này không cho phép. Để thay đổi tốc độ trục làm việc, ta có thể dùng nguyên tắc tốc độ, điều chỉnh tốc độ bản thân động cơ hoặc dùng hộp tốc độ nhiều cấp. Nguyên tắc này phức tạp hơn nguyên tắc trên nhưng có thể giữ được thời gian làm việc của truyền động như nhau với các lượng ăn dao khác nhau. 3. Truyền động nâng hạ xà Máy bào giường có giá đỡ gọi là xà ngang để đỡ giá dao vững chắc. Xà ngang được dịch chuyển lên xuống dọc theo hai trục máy để điều chỉnh khoảng cách giữa đầu dao và chi tiết gia công. 4. Truyền động kẹp nhả xà Là truyền động được định vị để kẹp chặt xà trên hai trục của máy để gia công chi tiết hoặc nới lỏng xà để nâng hạ dao, giá dao. Truyền động được thực hiện nhờ động cơ xoay chiều qua hệ thống cơ khí. Tác dụng của lực nêm chặt bao nhiêu tùy ý do ta điều chỉnh chuyển động với việc nâng hạ xà như trên. 5. Bơm dầu Khi cấp điện cho hệ truyền động làm việc thì bơm dầu cũng phải được làm việc, lượng dầu trong máy đảm bảo thì rơle áp lực mới hoạt động kích hoạt làm kín mạch cho chuyển động của bàn. Áp lực cần thiết là 2,5 at, hệ thống bơm dầu được thực hiện từ động cơ xoay chiều. 6. Quạt gió Động cơ quạt gió là động cơ xoay chiều đảm bảo cho hoạt động của máy làm việc với nhiệt độ cho phép. Nói chung, máy bào giường có công nghệ phức tạp, truyền động chính yêu cầu phải có độ chính xác khá cao và có nhiều truyền động phụ. Các truyền động bàn và truyền động ăn dao có thể được điều khiển ở chế độ hiệu chỉnh hoặc tự động với trang thiết bị hợp lý, hiện đại. Nếu điều khiển chính xác, đáp ứng được các yêu cầu về truyền động thì máy bào giường có thể gia công ở chế độ tinh với độ chính xác cao III:TÍNH CHỌN VÀ KIỂM NGHIỆM CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ 1. Tập hợp số liệu ban đầu Fth=20.000 N=20*103 N V=6m/ph(rad/s) Vth=20m/ph (rad/s) Vng=(2-3)Vth=2*20 = 40 m/ph (rad/s) Gb= 150000 (N)=150*103(N) Gct=100.000(N)=100*103(N) ; Lb=12 m 2.Tính chọn sơ bộ công suất động cơ - Xác định thành phần thẳng đứng của lực cắt Fy0 Fy0=0,4*Fz0=0,4*20*103=8*103(N) - Xác định lực kéo tổng Fk1= Fz0+(Gb+Gct+Fy0)* = 20*103+(100*103+150*103+8*103)*0,06=35480 (N) - Xác định công suất đầu trục động cơ Pth1= (KW) * Ở chế độ cắt : - Xác định : Fyth=0,4*Fzmax=0,4*20*103=8*103(N) Fk2=Fzmax+(Gct+Gb+Fyth)*=35480 (N) - Xác định công suất đầu trục của động cơ: Pth2=(KW) - Xác định công suất tính toán: Ptt2=P (KW) Từ các số liệu tính toán ta lập bảng để chọn công suất động cơ: chế độ cắt V m/ph Vng m/ph lực cắt Fz (KN) trọng lượng Gb + Gct (N) lức kéo max Fk(N) công suất đầu trục Pth (KW) công suất tính toán Ptt (KW) 1 6 20 20000 250000 35480 15,56 31,12 Từ các số liệu đã tính toán ở trên ta chọn Pdm 31,12 (kw) .Dựa vào bảng thông số các động cơ điện một chiều ta chọn được: Ký hiệu Pdm (KW) n (v/ph) Idm (A) r­+ r cp rCKS (W) Udm (V) -806 32 1000 165 0,047 65 220 Vận tốc góc của động cơ (rad/s) -Xác định : Từ phương trình đặc tính động cơ điện một chiều kích từ độc lập ta có: U1=E+I(ru+rp)E=U1(ru+rp) Mặt khác : E==U1-I(ru+rp) 3. kiểm nghiệm động cơ Để kiểm nghiệm động cơ đã chọn ta tiến hành như sau : - Xác định công suất đầu trục động cơ khi không tải ở hành trình thuận : P0th= *Trong đó : Tổn hao không tải ở hành trình thuận là (Kw) Tổn hao do ma sát nơi gờ trượt lúc không tải: -khi tốc độ v = v (kw) Tổn hao không tải ở hành trình thuận:P (kw) - Xác định mômen không tải của động cơ M0= (Nm) M= M+=25,2+ (Nm) - Xác định momen điện từ của động cơ ở hành trình thuận khi tải đầy: Mdtth=M0+Mth=M0+ (Nm) - Xác định dòng điện không tải : I (A) - Xác định dòng điện lúc đầy tải : Ith= - Công suất động cơ trong hành trình ngược khi dùng phương pháp điều chỉnh điện áp ở cả dải tốc độ: PDng=P0th* (kw) - Xác định mômen điện từ ở hành trình ngược: Mdtng=M0+ = - Dòng điện trong hành trình ngược: Ing= (A) - Dòng điện quá độ: Iqđ=2*Idm=2*165=330 (A) - Xác định các khoảng thời gian làm việc: - Thời gian quá độ : tqđ= *Trong đó : J=Jpu+Jcd=10,3(kg/m2) Mqd , Iqd: momen, dòng điện động cơ trong quá trình quá độ Mc , Ic: momen, dòng điện phụ tải của động cơ : tốc độ động cơ ở cuối và đầu quá trình quá độ Từ đó ta xác định được các khoảng thời gian: Với: (s) Với: ; Ic= 160,9(A) Với ; I=69(A) (s) Với ;I=69 (A) Theo kinh nghiệm vận hành ta có (s) - Thời gian làm việc ở tốc độ thuận (Vth) t5 là: Ta có : L5 = Lb- = Vậy : L5= 11,4 (m) Vậy ta có: - Xác định thời gian làm việc ở vận tốc ngược Vng: t11 Ta có : L11=Lb-=Lb- = Vậy ta có : t11= Thời gian làm việc của một chu kỳ: Tck= 3.1. Kiểm nghiệm theo điều kiện phát nóng : Ta có Idt<Idm do đó động cơ đã chọn phù hợp với yêu cầu của công nghệ Vậy động cơ đã chọn phù hợp với yêu cầu. 3.2.Kiểm nghiệm theo điều kiện quá tải về momen - Điều kiện kiểm nghiệm : Với là hệ số quá tải động cơ. Momen cực đại của động cơ : Do Iqd=2Idm nên Mlvmax=2Mdm Vậy động cơ đã chọn phù hợp với yêu cầu công nghệ MBG là : kiểu Pđm, kW Uđm,(v) Iđm,A n đm, (V/ph) ru+rctf Ikt,A 32 220 165 1000 0,047 2,7 PHÂN II THIẾ T KẾ MẠCH LỰC HỆ CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG Để thiết kế hệ truyền động cho một đối tượng ta phải căn cứ vào đặc điểm công nghệ của nó, căn cứ vào chỉ tiêu chất lượng mà ta đưa ra phương án hơp lý. Với mỗi đối tượng có thể có nhiều phương án truyền động khác nhau, mỗi phương án đều có ưu nhược điểm của nó. Nói chung phương án đưa ra phải đảm bảo phần lớn các yêu cầu của đối tượng như chỉ tiêu kỹ thuật, chỉ tiêu kinh tế, tính thẩm mỹ,… trong đó chỉ tiêu kỹ thuật phải đặt lên hàng đầu. Thông thường phương án đảm bảo tốt các chỉ tiêu kỹ thuật thì tốn kém hơn về mặt kinh tế và ngược lại. Do vậy tùy thuộc vào chất lượng và độ chính xác của sản phẩm mà ta nên chọn phương án hợp lý nhất. Để làm được việc đó, ta cần đưa ra nhiều phương án khác nhau và sau đó phân tích ưu nhược điểm của từng phương án trên tất cả các phương diện và rút ra phương án cuối cùng là đảm bảo về mặt kỹ thuật với phí thấp nhất có thể. Việc lựa chọn phương án truyền động có ý nghĩa rất quan trọng, nó liên quan đến chất lượng sản phẩm cũng như hiệu quả kinh tế của sản suất. I. LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG 1.giới thiệu động cơ một chiều Việc lựa chọn động cơ một cách hợp lý là rất quan trọng trong việc thiết kế hệ truyền động. Động cơ lựa chọn phải đảm bảo các điều kiện công nghệ yêu cầu, đồng thời phải thõa mãn các yếu tố như dễ điều khiển, tổn hao ít, vận hành tin cậy, giá thành hạ, dễ sữa chữa, lắp đặt, bảo dưỡng, dễ thay thế, chi phí hàng năm thấp. Trong nền sản suất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được được sử dụng rộng rãi do động cơ một chiều có nhiều ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt bằng các thiết bị không quá phức tạp, khả năng mở máy dễ dàng và đặc biệt là khả năng chịu quá tải lớn. Chính vì vây mà động cơ một chiều được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cắt gọt kim loại, cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải. Tuy nhiên động cơ một chiều vẫn có những nhược điểm của nó so với máy xoay chiều như: giá thành cao hơn, chế tạo và bảo quản cổ góp điện khó khăn, phức tạp do động cơ một chiều dễ phát sinh tia lửa điện, kích thước và trọng lượng nặng hơn so với động cơ không đồng bộ ở cùng cấp công suất, làm việc kém tin cậy hơn, khó sữa chữa và bảo dưỡng. Động cơ điện có 4 loại là : kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp. Động cơ một chiều kích từ nối tiếp, song song, hỗn hợp thường ít dùng để điều chỉnh tốc độ, mặt khác đặc tính cơ của các động cơ loại này không tốt bằng động cơ kích từ độc lập. Vì vậy mà khi công suất động cơ lớn chủ yếu người ta dùng động cơ một chiều kích từ độc lập để dễ dàng điều chỉnh tốc độ và kinh tế hơn. * Động cơ một chiều kích từ độc lập Sơ đồ nguyên lý: Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ độc lập Phương trình đặc tính cơ Từ phương trình cân bằng điện áp: U = E + Iư.(Rư + Rf) (2-1) *Trong đó: U : là điện áp nguồn cấp E : là sức điện động của động cơ Iư : là dòng điện phần ứng động cơ Rư + Rf : là điện trở mạch phần ứng và điện trở phụ E = = (2-2) p : là số đôi cực từ chính N : tổng số thanh dẫn phần ứng a : số đôi mạch nhánh song song : là từ thông kích từ dưới một cực Nếu bỏ qua tổn hao trên trục động cơ và tổn hao thép thì mô men trên trục động cơ bằng mô mem điện từ: M = Mđt = (2-3) Từ các phương trình (2-1) ; (2-2) và (2-3) ta có phương trình đặc tính cơ: (2-4) Tốc độ không tải lý tưởng o và độ cứng : ; M 0 wo wđm Mđm w ∆w Hình 2.2 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập Ta thấy rằng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều là tuyến tính nên dễ dàng điều khiển tốc độ, để điều khiển tốc độ ta có thể điều chỉnh điện áp nguồn cấp cho phần ứng U, từ thông hay dòng kích từ It và điện trở phần ứng. Về việc đảo chiều động cơ ta có thể đảo chiều dòng phần ứng Iư hoặc đảo chiều dòng kích từ If. Tóm lại: Về phương diện điều chỉnh tốc độ thì động cơ một chiều có nhiều ưu việt hơn các loại động cơ khác, không những thế động cơ một chiều có cấu trúc mạch động lực và sơ đồ mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lại đạt được chất lượng điều chỉnh cao do đặc tính cơ điều chỉnh là tuyến tính, dải điều chỉnh tốc độ rộng. Đặc biệt động cơ một chiều có khả năng tự động hóa điều chỉnh cao thích hợp cho việc sử dụng để kéo máy sản suất cần ổn định tốc độ lớn. Với máy bào giường thì việc gj ổn định tốc độ bàn máy là điều quan trọng đầu tiên để đảm bảo chất lượng của chi tiết gia công, do đó em xin chọn động cơ một chiều kích từ độc lập để truyền động cho bàn máy của máy bào giường. 2.Lựa chọn phương pháp đảo chiều cho đông cơ 2.1.Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phần ứng Khi điều chỉnh mạch phần ứng thì điện áp U = Uđm và từ thông hay dòng kích từ Ikt = Iktđm được giữ không đổi và ta chỉ điều chỉnh Rf trong mạch phần ứng. Khi điều chỉnh điện trở phần ứng thì tốc độ không tải lý tưởng là không đổi = const , độ cứng đặc tính cơ thay đổi . Khi tăng điện trở Rf thì độ cứng của đặc tính cơ càng giảm (dốc), khi Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên. Như vậy khi thay đổi điện trở Rf ta thu được một họ đặc tính cơ như hình 2.3 Hình 2.3 Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi điện trở phần ứng Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phần ứng có một số đặc điểm sau: -Điện trở mạch phần ứng càng tăng độ dốc đặc tính càng lớn và tốc độ càng giảm, phương pháp này chỉ điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ định mức do chỉ có thể tăng điện trở phần ứng. -Tổn hao công suất của hệ lớn do nhiệt phát sinh trên điện trở khi điều chỉnh -Dải điều chỉnh phụ thuộc vào trị số mô men tải, tải càng lớn thì dải điều chỉnh càng lớn. -Điều chỉnh theo phương pháp này thường chỉ điều chỉnh theo cấp bằng cách đóng cắt các cấp điện trở phụ dùng tiếp điểm congtactor. 2.2.Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Để điều chỉnh từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ trong mạch phần cảm It , giữ nguyên điện áp cấp cho mạch phần ứng U = Uđm = const và điện trở phần ứng Rư = const. Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy khi thay đổi từ thông thì tốc độ không tải và độ cứng đều thay đổi. = var ; = var Khi giảm từ thông thì tốc độ không tải tăng nhưng độ cứng lại giảm và ta được họ đặc tính cơ thể hiện trên hình 2.4. Uư Ukt Đ CKT Iư w Mn1 Mn2 M Mn Fđm wo wo1 wo2 F1 F2 Hình 2.4 Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi từ thông mạch kích từ Nhưng do cấu trúc của máy một chiều mà ta chỉ có thể điểu chỉnh giảm từ thông, tuy nhiên khi từ thông giảm nhỏ quá thì tốc độ động cơ tăng quá lớn và vượt quá giới hạn cho phép hoặc làm điều kiện chuyển mạch xấu đi do dòng phần ứng tăng cao. Để chuyển mạch xảy ra bình thường thì cần giảm dòng phần ứng và như vậy sẽ làm cho mômen cho phép trên trục động cơ giảm đi rất nhanh, dẫn đến động cơ bị quá tải. Khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông sẽ có họ đặc tính và một số đặc điểm sau: -Phương pháp này chỉ điều chỉnh chỉ có thể giảm từ thông, chỉ có thể tăng tốc độ động cơ với dải điều chỉnh trơn trong khoảng D = 3:1 -Độ cứng của đặc tính cơ giảm khi từ thông giảm, các đặc tính cơ cắt nhau nên thực tế phương pháp này chỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so vởi định mức. -Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh thực hiện ở mạch kích từ nhỏ nên tổn thất công suất khi điều chỉnh bé. -Nhược điểm chỉnh của việc điều chỉnh từ thông là hằng số thời gian của cuộn kích từ Tk lớn, đặc tính từ hóa phi tuyến mạnh và phạm vi điều chỉnh tốc độ hẹp. -Chịu tác động nhiều của nhiễu phụ tải, ngoài ra từ dư của động cơ có ảnh hưởng xấu đến các hệ truyền động có đảo chiều bằng kích từ. 2.3.Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Để thực hiện việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng đặt lên động cơ ta phải giữ nguyên và điện trở phần ứng Rư = const. - + BBĐ (a) KT - + KL Iư Uđk ~ var U Eb (b) Iư Rư Rb Hình 2.5. Sơ đồ điều khiển tốc độ bằng cách điều chỉnh điện áp phần ứng Khi điện áp thay đổi thì tốc độ không tải lý tưởng thay đổi và độ cứng không đổi, do đó ta được họ đặc tính cơ song song với nhau như hình vẽ. Mđm M Eb3 Eb2 Eb1 wmin womin wo3 wo2 wmax wo1 w Hình 2.6 Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi điện áp Đặc điểm của phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là : -Điện áp U càng giảm thì tốc độ càng nhỏ và chỉ có thể điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ định mức. -Độ sụt tốc trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như nhau. Độ sụt tốc lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh, do vậy sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) không vượt quá sai số cho phép thì hệ làm việc ổn định trong toàn dải điều chỉnh. -Dải điều chỉnh tốc độ phương pháp này tương đối lớn D 10/ 1 -Nhược điểm của việc điều khiển điện áp là dùng bộ biến đổi khá phức tạp. *Tóm lại:qua 3 phương pháp điều khiển tốc độ trên ta thấy rằng việc điều khiển tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng Uư có chất lượng điều chỉnh tốt nhất, trước hết nó có khả năng điều chỉnh triệt để trong bất kỳ vùng tải nào. Đặc tính cơ của nó mềm hơn đặc tính cơ tự nhiên và cứng hơn đặc tính cơ biến trở. Vì vậy, phương pháp này đảm bảo sai số tốc độ nhỏ, khả năng quá tải lớn, dải điều chỉnh rộng và tổn thất năng lượng không cao. Mặt khác, vì phần tử điểu chỉnh đặt trong mạch điều khiển nên độ tinh điều chỉnh cao, thao tác nhẹ nhàng và có khả năng cải thiện thành hệ tự động vòng kín để tăng chất lượng điều khiển. 3.giới thiệu bộ biến đổi cho động cơ Để thay đổi điện áp phần ứng động cơ thì mạch lực phải cần một bộ biến đổi, bộ biến đổi (BĐ) có nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều của lưới thành điện áp một chiều và có thể điều chỉnh suất điện động Eb theo yêu cầu để cấp cho phần ứng động cơ. Sơ đồ cấu trúc hệ chỉnh lưu điều khiển điện áp như hình 2.7 - + = const Rkt Ukt CKT Eb Uvar Uđk ~ Hình 2.7 Cấu trúc của hệ điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều Để thay đổi điện áp đặt lên động cơ ta điều chỉnh Uđk, phương trình đặc tính cơ của hệ thống: *Trong đó : Eb : là sức điện động bộ biến đổi Rb : là điện trở trong của bộ biến đổi Ứng với một mômen tải nào đó, khi thay đổi điện áp phần ứng ta sẽ được những giá trị tốc độ khác nhau. Để xác định dải điều chỉnh của hệ ta xác định giá trị tốc độ lớn nhất và nhỏ nhất tại trị số mômen tải định mức. ; Hình 2.8 Dải đặc tính điều chỉnh tốc độ Dải điều chỉnh tốc độ bằng điện áp: Với Km là hệ số quá tải về mômen Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp thì từ thông kích từ được giữ không đổi do đó mômen tải cho phép của hệ được giữ không đổi nên đảm bảo được yêu cầu trong quá trình gia công: Mccp = KΦđm.Iđm = Mđm Để điều chỉnh điện áp phần ứng có nhiều hệ biến đổi như hệ khuếch đại từ, hệ máy phát - động cơ (F-Đ), hệ điều chỉnh xung áp, hệ chỉnh lưu - động cơ (T-Đ) nhưng hệ chỉnh lưu một chiều nên chọn hệ truyền động tiristor-động cơ một chiều(T-Đ) *.Hệ truyền động tiristor - động cơ một chiều(T - Đ) Hệ điều chỉnh T - Đ là hệ điều chỉnh điện áp gồm một bộ chỉnh lưu có điều khiển, đó lài chỉnh lưu tiristor. Bộ chỉnh lưu biến đổi điện áp xoay chiều lấy từ lưới thành điện áp một chiều cấp cho động cơ và để điều chỉnh điện áp phần ứng nó sử dụng một bộ điểu khiển để điều khiển góc mở cho tiristors. Sơ đồ nguyên lý hệ T - Đ được chỉ trên hình 2.11 §K Đ E CKĐ ư I var U Uđk ~ - + Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý hệ điều chỉnh T-Đ Hệ T-Đ có một số đặc điểm là: độ tác động nhanh, tin cậy; phạm vi điều chỉnh rộng; không gây ồn và dễ tự động, do các van có hệ số khuếch đại cao nên có thể thiết lập hệ tự động vòng kín để mở rộng dải điều chỉnh nâng cao chất lượng điều chỉnh; hệ T-Đ kinh tế hơn hệ F-Đ rất nhiều. Tuy nhiên, hệ T-Đ cũng có những nhược điểm là: các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lưu có biên độ đập mạch cao gây tổn thất phụ trong máy điện và ở các hệ có công suất lớn còn làm ảnh hưởng đến dạng điện áp lưới xoay chiều; ngoài ra khả năng linh hoạt chuyển đổi trạng thái làm việc không cao, hệ đảo chiều phức tạp, hệ số quá tải về dòng và áp của các van kém. Do có những ưu điểm nỗi trội nên hệ T-Đ hiện nay được sử dụng khá rộng rãi. 4.Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu Tùy theo yêu cầu cụ thể của tải, yêu cầu chất lượng, tính kinh tế mà ta cần lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu cho phù hợp. Một số chỉnh lưu thông dụng hiện nay là: chỉnh lưu cầu 1 pha, chỉnh lưu tia 3 pha, chỉnh lưu cầu không đối xứng, chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng, chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng. Với máy bào giường có thông số như trên thì lực kéo Fk là khá lớn nên công suất động cơ một chiều phải lớn, vì vậy mà ta không thể chọn chỉnh lưu cầu một pha được. 4.1. Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển Sơ đồ nguyên lí : T2 a b c · · · · Rd Id Ld T1 T3 Đồ thị dạng sóng : Ud t U a Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị dạng sóng của mạch chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển -Giá trị trung bình của điện áp tải : -Giá trị điện áp điện áp ngược đặt lên Tiristor : -Ttrị dòng điện trung bình chạy qua tải : -Giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp : -Giá trị dòng điện trung bình của từng van : -Công suất máy biến áp : â Nhận xét : Chỉnh lưu tia ba pha có chất lượng điện áp tốt hơn so với tất cả các loại chỉnh lưu một pha. Dòng điện chạy qua các van bán dẫn nhỏ hơn so với các loại chỉnh lưu một pha. Trong các loại chỉnh lưu ba pha, thì chỉnh lưu tia ba pha có số van bán dẫn ít nhất. Trong cuộn dây phía thứ cấp máy biến áp có tồn tại dòng điện một chiều, vì vậy làm cho lõi thép máy biến áp chóng bị bão hòa gây phát nóng lõi thép. Cuộn dây thứ cấp máy biến áp phải đấu sao, với bốn đầu dây nối ra ngoài và dây trung tính phải lớn gấp đôi dây pha. 4.2 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng. · · T1 T3 T5 T6 Id · · · T4 · · · Rd Ld c T2 b a Sơ đồ nguyên lí : Đồ thị dạng sóng : t Ud UT UT U t a a Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị dạng sóng của mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng -Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu : -Giá trị trung bình của dòng điện qua Tiristor : -Giá trị dòng điện hiệu dụng qua Tiristor : -Giá trị điện áp ngược lớn nhất của Tirisror : -Công suất máy biến áp : â Nhận xét : Hiệu suất sử dụng máy biến áp của chỉnh lưu này cao. Điện áp chỉnh lưu có số lần đập mạch trong một chu kì gấp đôi số lần đập mạch của chỉnh lưu tia ba pha. Cụ thể, có n = 6 lần đập mạch trong một chu kì. Dòng điện trong các Tiristor có dạng chữ nhật nhưng dòng điện qua thứ cấp máy biến áp hoàn toàn đối xứng và không có thành phần một chiều nên ít làm lõi thép bị phát nóng. 5.Lựa chọn phương án đảo chiều động cơ Để đáp ứng yêu cầu đảo chiều quay của bàn máy thì hệ Chỉnh lưu - động cơ cần phải có yêu cầu về đảo chiều. Muốn đảo chiều động cơ một chiều có 3 phương pháp là: đảo chiều dòng điện kích từ It , đảo chiều dòng phần ứng Iư bằng tiếp điểm và đảo chiều dòng phần ứng bằng bộ chỉnh lưu kép đấu song song ngược Đảo chiều dòng kích từ tuy đơn giản về mặt thiết bị, giá thành hạ nhưng do quán tính điện từ của mạch kích từ lớn (có nhiều vòng dây), thời gian đảo chiều lớn nên không đáp ứng được máy yêu cầu đảo chiều nhanh, mặt khác sự biến thiên dòng kích từ làm xuất hiện sức điện động cảm ứng trong cuộn dây kích từ rất lớn và có thể cháy cuộn kích từ. nên không dùng vào hệ truyền động chính máy bào dường 5.1Phương án sử dụng các công tắc tơ đảo chiều. T N N T L KT DC Hình2.12. Sơ đồ sử dụng các công tắc tơ đảo chiều Khi dùng cầu tiếp điểm thì kém bền vì hệ thống của ta khi làm việc thường xuyên đảo chiều, mỗi lần đảo chiều dòng hồ quang một chiều sẽ làm mòn tiếp điểm. Mặt khác, khi đó vùng hãm tái sinh nhỏ, vùng hãm ngược lớn, gây giật và quá trình hãm ngược còn làm dòng phần ứng lớn. 5.2Phương án dùng hai BBD đấu song song ngược Để đảo chiều có hai phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu kép là: phương pháp điều khiển chung và phương pháp điều khiển riêng. 5.2.1.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 này người ta sử dụng các cuộn kháng cân bằng. a.Nguyên tắc : Tại cùng một thời điểm cả hai bộ biến đổi đều nhận được xung điều khiển, nhưng chỉ có một bộ biến đổi làm việc cấp dòng cho tải còn bộ biến đổi kia làm việc ở chế độ đợi. Như vậy lúc nào hai bộ cũng đồng thời chạy do đó mà nó không còn thời gian chết trong quá trình đảo chiều dòng điện, vì vậy độ tác động là nhanh nhất. Tuy nhiên do hai bộ đều chạy nên sẽ có khẳ năng có dòng điện xuyên qua hai bộ gây ngắn mạch nguồn cho nên ta phải đưa thêm các cuộn kháng cân bằng để chống dòng ngắn mạch này. b.Luật điều khiển a2= 0 a a1= 0 (2) 30 (1) 60 90 uc2 uc1 120 150 a1=180 a2= 150 180 -Bộ biến đổi I(BĐI) làm việc ở đường đặc tính (1) có UdI = Ud0cosaI -Bộ biến đổi II(BĐII) làm việc ở đường đặc tính (2) có U dII = Ud0cosaII Ta có: UdI = UdII Suy ra : Ud0cosaI = - Ud0cosaII ® cosaI + cosaII = 0 aI + aII = 180 (Luật phối hợp điều khiển ) Từ luật phối hợp điều khiển ta thấy rằng khi aI 90 do đó bộ biến đổi I(BBĐI) làm việc ở chế độ chỉnh lưu còn bộ biến đổi II(BBĐII) sẽ làm việc ở chế độ nghịch lưu. Vậy khi bộ I chạy ở chế độ chỉnh lưu thì bộ II bao giờ cũng chạy ở chế độ nghịch lưu nhưng không có dòng chảy, bộ nghịch lưu không chạy nên quá trình nghịch lưu chỉ chạy khi bắt đầu giảm dòng, giảm tốc độ, đảo chiều với tải sức điện động Ed như động cơ điện một chiều *Ưu điểm của phương pháp điều khiển chung: -Tốc độ đảo chiều rất nhanh cho phép đảo chiều với tần số cao Đ *Nhược điểm : - Khó đảm bảo luật điều khiển vì vậy dễ xẩy ra sự cố - Cần phải có hai cuộn kháng cân bằng làm tăng kích thước của thiết bị, nếu cuộn kháng thiết kế không chính xác thì cũng sẽ gây ra sự cố trong quá trình làm việc như cháy van, cháy cuộn kháng . 5.2.2.Phương pháp điều khiển riêng Đặc điểm của phương pháp này là các bộ chỉnh lưu làm việc không đồng thời. với mỗi chiều của điện áp ra chỉ có một bộ chỉnh lưu được phát xung và chạy ở chế độ chỉnh lưu, còn bộ kia nghỉ tức không được phát xung điều khiển. Như vậy giữa hai bộ biến đổi không thể xuất hiện dòng cân bằng nên không cần có cuộn kháng. Tuy nhiên, điều này dẫn đến khả năng có thể cả hai bộ có thể đồng thời hoạt động, vì vậy lâp tức sẽ xuất hiện dòng ngắn mạch gây sự cố cho thiết bị. Để đảo chiều xảy ra an toàn thì phải đảm bảo quy tắc phát xung chặt chẽ, cần có các cảm biến không dòng điện theo dõi dòng phần ứng và phải có một mạch logic khống chế thời điểm phát xung, vì vậy mà quá trình đảo chiều cần mất một khoảng thời gian chết để các van của bộ chỉnh lưu khóa chắc chắn để không còn dòng chảy trong động cơ id = 0. Vậy ta thấy phương pháp điều khiển riêng có tốc độ đảo chiều thấp hơn phương pháp điều khiển chung, vì vậy khi không có yêu cầu về độ tác động nhanh hoặc tần suất đảo chiều thấp người ta thường dùng phương pháp điều khiển riêng. *Kết luận: chiều điều Ưu điểm nổi bật của hệ T - Đ là tốc độ tác động nhanh cao, không gây ồn và dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuyếch đại công suất rất cao, điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống. Nhược điểm chủ yếu là do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lưu ra có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ 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 số công suất cos ϕ của hệ nói chung là thấp.Ngoài ra trong hệ truyền động van đảo chiều điều khiển chung có ưu điểm là không có khoảng thời gian trễ và tốc độ đảo chiều nhanh, cho phép đảo chiều với tần số cao. 6.SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG II.TÍNH TOÁN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC *Các thông số cơ bản của động cơ bản của động cơ : -Dòng điện định mức ở cuộn dây phần ứng động cơ : (A) -Điện trở mạch phần ứng động cơ được tính gần đúng như sau (W) -Điện cảm mạch phần ứng động cơ được xác định theo công thức Umanxki – Lindvit (H) = 1,4 (mH) *Trong đó : Lấy g = 0,25 là hệ số lấy cho động cơ điện một chiều có cuộn bù. 1. Tính chọn tiristor Việc tính chọn Tiristor sẽ được dựa vào các yếu tố cơ bản như : dòng điện tải, điều kiện tỏa nhiệt, điện áp làm việc, các thông số cơ bản của van, và việc tính chọn Tiristor được tính như sau : a. Điện áp ngược lớn nhất mà Tiristor phải chịu (V) *Trong đó : là hệ số điện áp ngựơc của van, (bảng 8.1 [1]); là hệ số điện áp chỉnh lưu, (bảng 8.1 [1]). b. Điện áp ngựơc của van cần chọn (V) Lấy (V). *Trong đó : KdtU = 1,7 là hệ số dự trữ điện áp, với KdtU = (1,6 ¸ 2). c. Dòng điện làm việc của van (A) *Trong đó : là hệ số dòng điện hiệu dụng của chỉnh lưu cầu ba pha. Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt và có đủ diện tính tản nhiệt, không có quạt gió đối lưu không khí, ứng với điều kiện này thì dòng điện định mức của van cần chọn là : (A) Ta lấy Iđmv = 441,2 (A). *Trong đó : Ki - hệ số dự trữ dòng điện. Với điều kiện làm việc của van ta đã chọn như trên thì Ilv = (10 ¸ 30 )%.Iđmv. Do vậy ta chọn Ilv = 25%.Iđmv, suy ra Ki = 4. d. Chọn Tiristor Từ các thông số Unv, Iđmv đã xác định ở trên, để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, nên ta chọn van có cánh tản nhiệt với đầy đủ diện tích tỏa nhiệt. Tra bảng phụ lục 2 [1], ta chọn 12 Tiristor loại DCR645PR44DS có các thông số như sau : -Điện áp ngược cực đại của van : Unv max = 400 (V). -Dòng điện định mức của van : Iđmv =450(A). -Dòng điện đỉnh cực đại : Ipik max = 7800 (A). -Dòng điện xung điều khiển : Ig max = 150 (mA). -Điện áp xung điều khiển : Ug max = 3 (V). -Dòng điện duy trì : Ih max = 500 (mA). -Dòng điện rò : Ir max = 35 (mA). -Sụt áp lớn nhất trên Tiristor ở trạng thái dẫn : DUmax = 2 (V). -Tốc độ biến thiên điện áp : (). -Tốc độ biến thiên dong điện : -Thời gian chuyển mạch của Tiristor : tcm = 50 (ms). -Nhiệt độ làm việc cực đại : Tmax = 125 (0C). 2. Tính chọn máy biến áp Chọn kiểu máy biến áp là máy biến áp khô 3 pha, 3 trụ có sơ đồ đấu dây ∆/Υ, là mát bằng không khí tự nhiên. Việc chọn sơ cấp đấu ∆ có tác dụng sẽ triệt tiêu được sóng điều hòa bậc 3 nên dạng sóng điện áp sẽ sine hơn. Dựa vào các thông số của tải và bộ chỉnh lưu ta tính được các thông số cơ bản của máy biến áp. *Công suất biểu kiến của máy biến áp Sba Sba = Ks.Pdmax (2.5) Trong đó: - Ks là hệ số công suất của máy biến áp;với cầu 3 pha thì Ks = 1,05 Pdmax = Uđm .Id =220. 191 = 42020 (W) là công suất cực đại của tải Thay vào (2.5) ta được: Sba = 1,05. 42020 = 44121 (W) = 44,121 (KVA) Vậy ta chọn công suất thiết kế của máy: Sba = 45 (KVA) *Điện áp pha sơ cấp U1f U1f = Ulưới = 380 (V) ; do sơ cấp được đấu ∆ *Điện áp pha thứ cấp U2f Với Udo = ; U2f = Uđm + 2∆Uv + ∆Uba + ∆Udn Trong đó: ∆Uv = 2 V – 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 điện trở dây nối và có thể bỏ qua, ∆Udn 0 Suy ra: U2f = 220 + 2.2 + 13,2+ 0 = 237,2 (V) Với α = αmin = 100 – là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện lưới Suy ra: Ud0 = = 223 (V) *Dòng hiệu dụng thứ cấp I2 I2 = k2.Id =.191 = 156,62 (A) k2 – là hệ số dòng hiệu dụng thứ cấp; với cầu 3 pha k2 = *Dòng điện hiệu dụng sơ cấp I1 I1 = Kba.I2 = .I2 = .156,62 = 97,8 (A) *Tiết diện sơ bộ của trụ QFe = KQ. (2.6) KQ – là hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát, với máy biến áp khô thì KQ = 56 , vậy chọn KQ = 6 ; m = 3 – là số trụ ; f = 50 Hz là tần số điện lưới. Thay vào (2.6) ta được: QFe = 6. =104 (cm2) *Đường kính trụ d d = = 11,5 (cm) Lấy theo đường kính tiêu chuẩn dtc = 12 (cm) *Chọn loại thép cho mạch từ Chọn loại tôn cán lạnh do Nga sản suất mã hiệu 3405. Loại tôn này có mật độ từ cảm cao có thể lên tớn 1,7 Tesla, dễ mua và có các loại 0,27 ; 0,3 ; 0,34 mm. Do máy biến áp là loại máy biến áp khô nên ta chọn tôn có bề dày δ = 0,35 mm và mật độ từ cảm trong trụ là BT = 1,3 T. Sở dĩ ta chọn BT bé là do trong thứ cấp máy biến áp có thành phần một chiều của chỉnh lưu nên mạch từ dễ bị bão hòa. *Chiều cao cửa sổ mạch từ h Hệ số hình dáng m = h/d tối ưu trong khoảng từ 23; chọn m = 3 Vậy chiều cao cửa sổ mạch từ là: h = m.d = 3. 12 = 36(cm) *Số vòng dây một pha sơ cấp W1 W1 = (2-7) = = 127 (vòng) *Số vòng dây một pha thứ cấp W2 W2 = . W1 = = 79 (vòng) *Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp Với dây dẫn bằng đồng trong máy biến áp khô thì mât độ dòng điện cho phép nằm trong khoảng (2 2,75) A/mm2 ; chọn J = J1 = J2 = 2,75 (A/mm2). *Tiết diện dây quấn sơ cấp S1 S1 = = 35,5 (mm2) d = 6,7(mm) Mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp là: J1 = = = 2,78 A/mm2 *Tiết diện dây quấn thứ cấp S2 S2 = = 57 (mm2) *đường kính dây quấn :d = Mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp là: J2 = = = 2,75 A/mm2 *Kết cấu dây dẫn sơ cấp Thực hiện dây quấn kiểu quấn đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục -Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp w1 w11 = .10 23(vòng) Trong đó: kc= 0,95 là hệ số ép chặt h = 36 cm là chiều cao trụ hg là khoảng cách từ gông đến cuộn sơ cấp; chọn sơ bộ hg = 1,5 cm -Tính số lớp dây của cuộn sơ cấp và bố trí lại số vòng dây n1 = = 6 (lớp) Như vậy số lớp là n1 = 6 lớp. Do có 127 vòng ta chia thành 6 lớp mỗi lớp 25 vòng, hay w11 = 21 vòng -Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày δ01= 0,1 cm -Chọn khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp: a01 = 1 cm -Đường kính trong của cuộn sơ cấp Dt1 Dt1 = dFe + 2.a01 = 12 + 2. 1 = 14 (cm) -Chọn bề dày cách điện giữa hai lớp cuộn sơ cấp là δ21 = 0,1 mm -Bề dày cuộn sơ cấp Bd1 Bd1 = (2.d1 + δ21).n1 = (2.0,67 + 0,1).6 = 8,64 (cm) -Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp Dn1 Dn1 = Dt1 + 2.Bd1 = 14 + 2. 8,64 = 31,28 (cm) -Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp Dtb1 = (Dt1 + Dn1) / 2 = (14 + 31,28) / 2 = 22,64 (cm) -Chiều dài dây quấn sơ cấp l1 L1 = W1.π.Dtb1 = 127.π.22,64.10-2 90,28 m *Kết cấu dây quấn thứ cấp -Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp h2 = h1 = 36 (cm) -Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp w22 = = 20(vòn) SC TC Bd2 Bd1 dT hG a12 h a01 hG Hình2. 14: Các kích thước của cuộn dây và khoảng cách cánh điện -Số lớp dây quấn của cuộn thứ cấp n2 = (lớp) Chọn n2 = 4 lớp. Với 79 vòng ta phân 3 lớp trong 20 vòng vậy w22 = 16 vòng. -Đường kính trong của cuộn thứ cấp Dt2 = Dn1 + 2.a12 = 12 + 2. 1 = 14 (cm) -Chọn bề dày cách điện giữa hai lớp dây của cuộn thứ cấp δ22 = 0,1 mm -Bề dày cuộn thứ cấp Bd2 = (a2 + δ22).n2 = (2.0.85 + 0,1).4 = 7,2 (cm) -Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp Dn2 = Dt2 + 2. Bd2 = 14 + 2. 7,2 = 28,4 (cm) -Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp Dtb2 = (Dt2 + Dn2) / 2 = (28,4 + 14) / 2 = 21,2 (cm) -Chiều dài dây quấn thứ cấp l2 = W2.π.Dtb2 =79.π.21,2.10-2 = 52,59 (m) *Điện trở của cuộn sơ cấp ở 750 ρ75 = 0,02133 (Ω.mm2/m) là điện trở suất của đồng ở 750 *Điện trở của cuộn thứ cấp ở 750 *Điện trở của máy biến áp quy đổi về thứ cấp = 0,03(Ω) *Sụt áp trên điện trở máy biến áp ∆Ur = Rba.Id = 0,03.191 = 4,2 (V) *Điện kháng máy biến áp quy đổi về thứ cấp r = 14 (cm) là bán kính trong của cuộn thứ cấp; Suy ra: Xba = = 0,07 (Ω) *Điện cảm máy biến áp quy đổi về thứ cấp Lba = Xba / ω = 0,07 / 100π = 0,22.10-3 (H) = 0,22 (mH) *Sụt áp trên điện kháng máy biến áp (V) *Sụt áp trên máy biến áp (V) ∆Uba% = 4,7 / 220 = 2,1 % *Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp (Ω) *Kiểm tra máy biến áp thiết kế có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến thiên của dòng chuyển mạch Giả sử quá trình chuyển mạch từ T1 sang T3 ta có phương trình chuyển mạch: Vậy biến áp đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến thiên của dòng khi van chuyển mạch. 3.Tính toán cuộn kháng lọc Với các bộ nguồn một chiều thì độ nhấp nhô của điện áp là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng. Đối với bộ nguồn một chiều dùng chỉnh lưu có điều khiển thì điện áp ra có tính chu kì. Điện áp này có thể phân tích thành tổng của điện áp không đổi và các điện áp điều hòa tần số cao. Chính vì vậy, sẽ xuất hiện thành phần xoay chiều chạy trong mạch gây ảnh hưởng không tốt cho thiết bị điện một chiều. Để hạn chế ảnh hưởng của thành phần xoay chiều thì ta phải đưa vào mạch tải những bộ lọc thành phần xoay chiều, thông thường là dùng cuộn điện kháng để lọc thành phần xoay chiều. *Xác định góc mở cực tiểu và góc mở cực đại Chọn góc mở cực tiểu amin =100. Với góc mở amin là góc mở dự trữ có thể bù được sự suy giảm điện áp lưới. -Khi góc mở nhỏ nhất a = amin thì điện áp trên tải là lớn nhất : Udmax = Udo.cosamin = Udđm ; và Udmax tương ứng với tốc độ động cơ là lớn nhất : n = nmax = nđm . -Khi góc mở lớn nhất a = amax thì điện áp trên tải là nhỏ nhất :Udmin = Udo.cosamax ; và Ud min tương ứng với tốc độ động cơ nhỏ nhất : n = nmin . Vậy ta có được : -Tính Ud min : + Tốc độ góc định mức : (rad!s) + Tốc độ góc nhỏ nhất : +Trong đó: Mn min = Mc max = KM.Mđm Giả sử cho động cơ làm việc với mômen cản lớn nhất và bằng 2 lần mômen định mức. Ta chon hệ số quá tải KM = 2. -Ta có : (Wb) -Mômen định mức : Mđm = (K.Fđm).Iđm =1,84.191 = 351,44(N.m) - Độ cứng đặc tính cơ của động cơ: Vậy tốc độ góc nhỏ nhất của động cơ là : (rad!s) + Dải điều chỉnh của động cơ là : D = 10/1 + Mặt khác ta có : Suy ra : = 84 (V) Mà theo trên ta có : 0 Vậy : Góc mở nhỏ nhất là : amin = 10 0. Góc mở lớn nhất là : amax = 80,40. *Xác định các thành phần sóng hài Theo lí thuyết chuỗi Furier thì điện áp chu kì có thể khai triển thành tổng của điện áp một chiều và các thành phần điện áp điều hòa có tần số khác nhau, công thức khai triển như sau : Trong đó : ao – điện áp của thành phần một chiều; ak, bk – biên dộ điện áp của sóng điều hòa bậc k; Để thuận tiện trong việc khai triển chuỗi Furier, ta chuyển tọa độ sang điểm O’() (tại góc thông tự nhiên), khi đó điện áp tức thời trên tải khi Tiristor T1 và T4 dẫn : ; với . Điện áp tức thời trên tải Ud là không hình sin và tuần hoàn với chu kì : Trong đó : p = 6 là số xung đập mạch trong một chu kì điện áp lưới của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng. Vậy ta có : Suy ra biên độ của điện áp điều hòa là : Trong đó : Ta có : Vậy : Ý Nhận xét : Vậy biên độ của các thành phần sóng điều hòa có giá trị thay đổi theo góc điều khiển a, góc điều khiển càng lớn thì sóng hài càng tăng. a. Xác định điện cảm của cuộn kháng lọc Từ những phân tích ở trên, ta nhận thấy rằng khi góc mở càng tăng thì biên độ của sóng hài càng lớn, nghĩa là độ đập mạch của điện áp và dòng điện sẽ tăng lên. Chính sự đập mạch đó sẽ làm xấu đi 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 thì ta phải mắc nối tiếp với phần ứng của động cơ điện một cuộn kháng lọc đủ lớn để có IK £ 0,1.Iưđm. Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao, thì cuộn kháng còn có tác dụng hạn chế vùng làm việc gián đoạn. Ta cần xác định giá trị điện kháng lọc ứng với khi a = amax, vì lúc này trên tải có sóng hài bậc cao lớn nhất. Ta có phương trình cân bằng điện áp : (2-8) Cân bằng hai vế của phương trình ta được : Vì nên ta có thể bỏ qua Vậy ta có (2 -9) Trong các thành phần xoay chiều thì thành phần sóng bậc k = 1 có mức độ lớn nhất, gần đúng ta có : Từ biểu thức (1 - 3) ta có : ; với và . Suy ra : Vậy : Þ Trong đó : (V) Vậy : (H) Ta chọn L = 0,007 (H) = 7 (mH). *Điện cảm của cuộn kháng lọc : (mH) Ta chọn : LK = 2,36 (mH). Trong đó :Lư – điện cảm mạch phần ứng động cơ được tính theo công thức Umaxki Lindvil đã xác định ở phần tính toán các thông số cơ bản của động cơ, ta có được : Lư = 1,4(mH). LBA – điện cảm của máy biến áp. b.Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc Các thông số ban đầu : Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc : LK = 2,36 (mH); Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng : Im = Iưđm = 191 (A); Biên độ dòng điện xoay chiều bậc 1: I1m = 10%.Iđm = 0,1.191 = 19,1 (A). *Xác định tổng trở của cuộn kháng Do điện cảm của cuộn kháng lọc lớn và điện trở của cuộn kháng lọc lại bé, nên ta có thể coi tổng trở của cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng. (W). *Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc (V) *Công suất của cuộn kháng lọc (VA) 4.Tính chọn thiết bị mạch bảo vệ mạch động lực 4.1. Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn Khi làm việc với dòng điện chạy qua van thì trên van có sụt áp, do vậy sẽ có tổn hao công suất trên van DP, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác vì van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp, nếu quá nhiệt độ cho phép thì van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt thì ta phải tính chọn và thiết kế hệ thống cánh tản nhiệt để làm mát van bán dẫn. *Tổn thất công suất trên một Tiristor : (W) *Diện tích bề mặt tỏa nhiệt : (m2) Trong đó : DP – tổn hao công suất trên van, (W); KM – hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ, chọn KM = 8 (W!m2.0C); t - độ chênh nhiệt độ so với môi trường. Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 40 0C. Nhiệt độ làm việc cho phép của Tiristor là Tcp = 125 0C. Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv = 80 0C. (0C) *Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước của mỗi cánh là :a´h1 Chọn : a = b =10 (cm) = 100 (mm); h0 = 1 (cm) = 10 (mm); h1 = 8,5 (cm) = 85 (mm); h = 95 (mm); c = 3 (mm); z = 5,8 (mm). (Chọn theo trang tài liệu [2] ) Vậy tổng diện tích tản nhiệt của cánh là : (cm2) = 0,204 (m2) 2.15. Hình dáng và kích thước cánh tản nhiệt của một van bán dẫn h z c h1 h0 a b 4.2Bảo vệ quá điện áp cho van Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Tiristor được thực hiện bằng cách mắc R, C song song với Tiristor. Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tích tụ trong lớp bán dẫn sẽ phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn. Chính sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược sẽ gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa Anốt và Katốt của Tiristor. Khi có mạch R, C mắc song song với Tiristor tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Tiristor không bị quá điện áp. Theo kinh nghiệm, thường chọn : R2 = ( 5 ¸ 30 ) (W) C2 = ( 0,25 ¸ 4 ) (mF) *Ta chọn : R2 = 5 (W) C2 = 0,25 (mF) Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, ta mạch R – C như hình vẽ sau : · · · · · C R C R C R · · R C T Hình 2.16 sơ đồ nguyên lý thiết bị bảo vệ mạch lực Nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung điện áp gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Trị số R1, C1 được chọn theo kinh nghiệm : R1 = ( 5 ¸ 20 ) (W C1 = 4 (mF) Ta chọn : R1 = 10 (W) C1 = 4 (mF) PHẦN III : THIẾT KẾ MẠCH PHÁT XUNG ĐIỀU KHIỂN I.THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN *Đặt vấn đề: Để các van bộ chỉnh lưu có thể mở tại một thời điểm nào đó thì khi đó van phải thỏa mãn hai điều kiện. - Phải có điện áp thuận đặt lên hai cực katốt (K) và anốt (A) của van - Trên cực điều khiển (G) và katốt (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, người ta sử dụng một mạch điều khiển để tạo ra các tín hiệu đó. Mạch tạo ra các tín hiệu điều khiển gọi là mạch điều khiển. Do đặc điểm của các Tiristor là khi van (Tiristor) đã mở thì việc còn hay mất tín hiệu điều khiển đều không ảnh hưởng đến dòng qua van. Vì vậy để hạn chế công suất của mạch tín hiệu điều khiển và giảm tổn thất trên vùng điện cực điều khiển thì người ta thường tạo ra các tín hiệu điều khiển dạng xung, do đó mạch điều khiển còn được gọi là mạch phát xung điều khiển. * Chức năng điều khiển của mạch điều khiển: Tạo ra các xung đủ điều kiện: Công suất, biên độ, thời gian tồn tại để mở các Tiristor (thông thường độ dài xung nằm trong giới hạn từ 200(ms) đến 600(ms). - Điều chỉnh được thời điểm phát xung điều khiển. - Phân phối các xung cho các kênh điều khiển theo đúng quy luật yêu cầu. - Các hệ thống phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu hiện nay đang sử dụng được phân làm hai nhóm chính: + Nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ: Các xung điều khiển xuất hiện trên cực điều khiển của các Tiristor đúng thời điểm cần mở van và lặp đi lặp lại mang tính chất chu kỳ với chu kỳ bằng chu kỳ nguồn điện xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu. + Nhóm các hệ thống điều khiển không đồng bộ: Hệ thống điều khiển này phát ra chuối xung với tần số cao hơn rất nhiều so với tần số nguồn điện xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, và trong quá trình làm việc thì tần số xung được tự động để đảm bảo cho một đại lượng đầu ra nào đó. Nhóm các hệ thống điều khiển không đồng bộ này rất phức tạp nên nó ít được sử dụng, mà hiện nay người ta hay sử dụng các hệ thống điều khiển đồng bộ. Các hệ thống điều khiển đồng bộ thường sử dụng hiện nay bao gồm có ba phương pháp để thiết kế mạch điều khiển. - Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha đứng. - Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha ngang. - Hệ thống điều khiển chỉnh lưu dùng điốt hai cực gốc. Trong bản thiết kế này ta thiết kế mạch điều khiển theo nguyên tắc khống chế pha đứng (thuộc nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ). Khi nghiên cứu các mạch phát xung theo nguyên tắc pha đứng, người ta chia các mạch điện hệ thống ra làm ba khối có chức năng khác nhau và được biểu diễn như sơ đồ sau. Hình 3.1 sơ đồ khối mạch điều khiển Khối 1: Khối đồng bộ hóa và phát điện áp răng cưa (ĐBH - FXRC). Khối 2: Khối so sánh (SS). Khối 3: Khối tạo xung (TX). * Các đại lượng sử dụng điện áp gồm: - U1: Điện áp lưới (nguồn) xoay chiều, đồng pha với điện áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu. - Ur: Điện áp tựa, thường có dạng hình răng cưa. - Uđk: Điện áp điều khiển, đây là điện áp một chiều có thể thay đổi được biên độ và được lấy từ mạch khuếch đại trung gian đưa tới dùng để điều khiển giá trị góc a. - UđkT: Điện áp điều khiển Tiristor, nó là chuối các xung điều khiển, lấy từ đầu ra của mạch điều khiển truyền tới điện cực điều khiển (G) và katốt (K) của các Tiristor. Nội dung của phương pháp khống chế là: Điện áp lưới (Ur) và điện áp điều khiển (Uđk) cùng được đưa đến đầu vào khối so sánh (SS). Khi tổng đại số½Ur½+½Uđk½= 0 là thời điểm bắt đầu xuất hiện xung ở đầu ra của khâu so sánh cũng là lúc bắt đầu có xung điều khiển để mở Tiristor. Bằng cách điều chỉnh biên độ điện áp điều khiển (Uđk) có thể điều khiển được thời điểm phát xung điều khiển mở Tiristor (tức là điều chỉnh được góc mở a) Theo mạch động lực, sử dụng hai bộ biến đổi mắc theo sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha, hai bộ biến đổi này mắc song song ngược khống chế theo nguyên tắc độc lập, sử dụng nguồn điện xoay chiều ba pha (Ua, Ub, Uc) cung cấp cho các bộ chỉnh lưu. Như vậy, mạch điều khiển được thiết kế gồm có ba kênh (tín hiệu vào mỗi kênh là điện áp đồng pha với mỗi pha tương ứng của nguồn xoay chiều cung cấp cho các bộ chỉnh lưu). Mỗi kênh điều khiển phát ra hai xung tương ứng với hai nửa chu kỳ của điện áp đồng pha. Để tạo ra các xung tới các bộ biến đổi bằng hệ mạch logic. Với ba kênh điều khiển như trên sẽ tạo ra được 3 x 2 = 6 xung điều khiển. Do tính chất tương đương của các pha trong nguồn điện xoay chiều ba pha nên 6 xung (do 3 kênh điều khiển phát ra) là hoàn toàn giống nhau, song giữa các xung kề nhau xuất hiện lệch nhau những góc 600 điện. Vậy với 6 xung như trên sẽ đảm bảo để điều khiển 6 Tiristor trong sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha theo đúng theo đúng quy luật yêu cầu. Vì các kênh phát xung điều khiển là hoàn toàn giống nhau và làm việc với nguyên lý như nhau. Nên ta chỉ cần phân tích cho 1 kênh là đủ 2 kênh còn lại được suy ra hoàn toàn tương tự. 1. Khối đồng bộ hóa và phát xung răng cưa (ĐBH- FXRC): Mạch phát xung răng cưa đảm nhận chức năng tạo ra điện áp tựa có dạng hình răng cưa biến đổi một cách chu kỳ trùng với chu kỳ của các xung ở đầu ra của mạch phát xung. Điện áp răng cưa để điều khiển mạch phát xung sao cho mạch phát ra một hệ thống các xung điều khiển xuất hiện lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu. Kỹ thuật điện tử đã chỉ ra rằng để tạo ra điện áp răng cưa phù hợp tần số và góc pha của nguồn xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu, thì tốt nhất là sử dụng sơ đồ được điều khiển bởi điện áp biến thiên cùng tần số, dạng của nó có thể bất là kỳ. Mạch đồng bộ hóa (ĐBH) sẽ đảm bảo điều kiện chức năng tạo ra điện áp điều khiển nói trên. 1.1. Mạch đồng bộ hóa: Mạch đồng bộ hóa (mạch điều khiển ở trên sử dụng Mạch đồng bộ hóa dùng cho máy biến áp đồng bộ (BAĐ) để tạo ra 3 điện áp đồng bộ pha với 3 pha nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu) Với việc sử dụng biến áp đồng bộ (BAĐ) có tổ nối dây Y/Y như trên mà máy biến áp động lực (BA) có tổ nối dây Y/Y nên điện áp đồng bộ (uđb) lấy ra ở phía thứ cấp của BAĐ hoàn toàn trùng pha với các pha điện áp của nguồn điện xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu. Điện áp đồng bộ (uđb) được dịch chậm pha đi một góc 300 điện bởi mạch tụ điện và điện trở R - C gọi là mạch dịch pha. Hình 3.2: mạch đồng bộ hoá và giản đồ điện áp Mục đích của việc dịch pha tín hiệu đồng bộ chậm đi một góc p/6 (300 điện) là nhằm thống nhất trị số điều khiển của Tiristor ứng với điện áp nguồn trên mạch động lực và góc điều khiển a ở mạch phát xung và như vậy có thể điều khiển các Tiristor với trị số góc điều khiển nhỏ. Ta biết rằng góc mở tự nhiên của các Tiristor được tính lại vị trí giao nhau của hai điện áp pha kề nhau và góc điều khiển được tính từ thời điểm đó trở đi. Giao điểm nói trên (điểm ứng với góc mở tự nhiên ở vị trí chậm sau điểm bắt đầu của các nửa chu kỳ điện áp pha 300 điện). Mặt khác góc điều khiển l ở mạch phát xung được tính từ điểm bắt đầu của điện áp tựa răng cưa (cũng là điểm bắt đầu của các nửa chu kỳ điện áp đồng bộ hóa) đến vị trí mà Ur + Uđk = 0. Do đó việc dịch điện áp đồng bộ(uđb) chậm đi góc 300 điện sẽ làm thỏa mãn khi góc điều khiển a = 0 cũng tương ứng với góc m 1.2.Mạch tạo xung răng cưa: Hình 3.3: mạch tạo xung răng cưa * Mạch tạo xung răng cưa của đề tài như sau: Mạch tạo xung răng cưa được sử dụng đó là mạch gồm: Vi mạch KĐTT IC1 mắc kết hợp với các phần tử chức năng (tụ điện, điện trở) theo sơ đồ của mạch tích phân. Mạch tích phân có sử dụng khóa khống chế là Tranzitor. Nghiên cứu cho thấy với một mạch tích phân như trên nếu tín hiệu đầu vào là các xung hình chữ nhật thì tín hiệu đầu ra nhận được các xung có dạng hình răng cưa với các sườn rất tuyến tính. Để tạo ra các xung hình chữ nhật. Mạch phát xung có sử dụng các Tranzitor Tr1 ¸ Tr4 mắc với nhau thành một mạch liên hợp, kết hợp với các phần tử logic (hoặc - đảo) hay NOR để biến điện áp đồng bộ dạng sóng hình sin thành các xung hình chữ nhật. Sơ đồ nguyên lý của mạch tạo xung hình chữ nhật và phát xung răng cưa như hình 3.2. *) Nguyên lý hoạt động của mạch tạo xung chữ nhật: Mạch tạo xung chữ nhật bao gồm các Trazitor Tr1 ¸ Tr4, phần tử logic "hoặc - đảo" G1 và các điện trở R3 ¸ R5 . Tín hiệu điện áp đồng bộ hóa (đã dịch pha) uđbd được nối và cực gốc và cực phát của 2 Tranzitor Tr3 và Tr4 tạo thành mạch liên hợp như hình trên. Hình 3.4 mạch phát xung chử nhật Để phân tích nguyên lý hoạt động của mạch ta có khái niệm điện áp ngưỡng đó là trị số điện áp dáng trên nội trở của các linh kiện bán dẫn (kí hiệu ung). Đối với các Tranzitor thì ung = 0,4 ¸ 0,7 (V). Khi điện áp điều khiển (ube) có trị số½ube½ ung thì Tranzitor mở nhanh chóng đến mức bão hòa. Căn cứ vào các khái niệm trên, nguyên lý làm việc của mạch tạo xung chữ nhật được phân tích như sau: Xét trong một chu kỳ của điện áp đồng bộ (uđbd). + Trong nửa chu kỳ dương (0 ¸ p): Khi ½uđbd½< ung thì Tr1 khóa, Tr2 cũng khoá do chịu điện áp điện áp ngược đặt vào mạch phát - gốc. Dưới tác dụng của Ucc qua điện trở định thiên R2 và Tr3 mở, dẫn dòng qua R3 làm Tr4 mở . Do Tr3 và Tr4 mở bão hoà làm thế tại điểm A và điểm B » 0 . Hay nói tại A, B có mức lôgic “0” . Khi ½uđbd½> unv thì Tr1 mở (Tr2 vẫn khóa do chịu điện áp ngược). Tr1 mở dẫn dòng qua Tr4 về (–)Ucc làm Tr3 khoá (thế B-E của Tr3 » 0) nên điểm A có mức lôgíc “1” , Tr4 mở nên điểm B có mức lôgíc “0”. ở cuối nửa chu kỳ khi uđbd giảm đến½uđbd½< ung, Tr1 khoá nên điểm A lại có mức lôgíc “0” thì hiện tượng xảy ra tương tự ở đầu nửa chu kỳ này (½uđbd½< ung). *Kết luận:Điểm A luôn có mức logic “1” khi½uđbd½> ung Điểm A luôn có mức logic “0” khi½uđbd½< ung Điểm B luôn có mức logic ‘0”. + Trong nửa chu kỳ âm: (wt = p ¸ 2p) ở nửa chu kỳ âm này Tr1 chịu điện áp ngược đặt vào mạch phát gốc nên Tr1 khóa dẫn đếnTr3 mở nhờ định thiên R2 nên điểm A luôn có mức lôgíc “0”. Đối với Tr2 cũng xét tương tự như trường hợp trên. Đầu và cuối của nửa chu kỳ âm này (½Uđbd½< Ung) thì Tr2 khóa Tr3 mở bão hòa nên điểm B có mức logic “0”. Khi ½uđbd½> ung thì Tr2 mở, Tr3 khóa làm cho điểm B có mức logic 1. *Kết luận: Điểm A luôn có mức logic “0”. Điểm B có mức logic “0” khi ½Uđbd½> Ung Điểm B có mức logic “1” khi ½Uđbd½< Ung *Kết luận : Trong một chu kỳ quá trình tạo các xung chữ nhật (ứng với 2 mức lôgíc”0” và “1” ) lặp đi lặp lại theo chu kỳ của điện áp đồng bộ hoá. Các tín hiệu lấy từ điểm A và B được đưa tới 2 đầu vào của phần tử lôgíc NOR (phần tử hoặc – không). Đầu ra của NOR (điểmC) nhận các mức lôgíc theo phương trình trạng thái của phần tử. Căn cứ vào kết quả khảo sát trên xác định được mức lôgíc tại đầu ra C của phần tử A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 C 1 0 0 0 C = A + B Thời gian tồn tại mức lôgíc “1” ở đầu ra rất ngắn (ở thời điểm đầu và cuối của các nửa chu kỳ điện áp đồng bộ khi½Uđb½< Ung), giản đồ điện áp như: hình vẽ 3.5 *Sơ đồ dùng IC khuếch đại thuật toán tạo xung răng cưa Hình 3.5. Sơ đồ dùng IC khuếch đại thuật toán Nguyên lý hoạt động: Ở nữa 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. Giản đồ điện áp như hình vẽ: *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. Với việc sử dụng mạch phát sóng răng cưa như trên thì ở đầu ra của mạch nhận được các điện áp răng cưa gần với dạng lý tưởng, sườn trước tăng tuyến tính, sườn sau gần dốc đứng. Hình3.6 đồ thị phát xung răng cưa 2. Khâu so sánh: Để tạo ra một hệ thống các xung xuất hiện một cách chu kỳ với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa (cũng là chu kỳ nguồn xoay chiều của mỗi xung, ta sử dụng các mạch so sánh. Có nhiều mạch khác nhau để thực hiện khâu so sánh phổ biến rất hiện nay là các sơ đồ so sánh dùng Tranzitor và dùng khuếch đại thuật toán bằng vi mạch điện tử. Trong các sơ đồ mạch so sánh thường có hai tín hiệu vào đó là điện áp tựa có dạng răng cưa (Ur), điện áp điều khiển (Uđk) là tín hiệu điện áp một chiều có thể thay đổi được biên độ. Hai điện áp Ur và Uđk được đưa vào mạch sao cho tác dụng của chúng đối với đầu vào khâu so sánh là ngược chiều nhau. Có hai mạch nối Ur và Uđk trên đầu vào mạch so sánh như sau: Hình 3.7: các sơ đồ mạch so sánh - Hình 3.6a nối nối tiếp Ur và Uđk (tổng hợp nối tiếp) - Hình 3.6b nối song song Ur và Uđk qua các điện trở tổng hợp (tổng hợp song song). Dùng vi mạch cho phép xác định góc a chính xác hơn do các vi mạch có hệ số khuyếch đại rất lớn và bão hoà rất nhanh. Trong bản đề tài này, mạch điều khiển dùng khâu so sánh với sơ đồ sau: Điện áp răng cưa Urc lấy từ đầu ra của bộ phát sóng răng cưa. Điện áp điều khiển Uđk được lấy từ đầu ra của bộ khuyếch đại trung gian đặt trên R8. Điện áp chuyển dịch Uo được đặt trên R10 để chuyển dịch điện áp răng cưa sao cho khi Uđk = 0 thì xung điều khiển phát ra với gía trị góc điều khiển bằng 900 với Uo = 0,5 Urcmax. Như vậy điện áp vào khối so sánh là Uv = Urc *Nguyên lý làm việc của khâu so sánh: Khâu so sánh gồm 3 điện áp đưa vào đầu vào. Điện áp điều khiển Uđk là tín hiệu ra của mạch khuếch đại trung gian (KĐTG), được sử dụng mạch phát sóng răng cưa làm điện áp tựa. Điện áp (-)Uo lấy trên R10 do nguồn chỉnh lưu bên ngoài cung cấp. Trị số (-)Uo thoả mãn điều kiện Uo +Urc = 0 tại thời điểm a = p / 2 tại (Uđk = 0). KĐTT (IC2) 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 ngược lại khi tín hiệu vào đổi dấu. Khi đó tổng đại số Uo + Urc so sánh với Uđk sẽ có các trường hợp sau: Urc +Uo +Uđk 0 IC2 có mức bão hoà dương Urc +Uo +Uđk = 0 ® Bắt đầu lật trạng thái Urc +Uo +Uđk > 0 ® Có mức bão hoà âm Như vậy: điện áp của mạch so sánh là dạng xung có hai mức bão hòa dương và bão hòa âm. Các xung điện áp này được đưa tới đầu vào của khâu tạo xung. 3. Khâu tạo xung: Để đảm bảo các yêu cầu về độ chính xác của thời điểm xuất hiện xung, sự đối xứng của các xung ở các kênh khác nhau. Nên thường thiết kế cho khâu so sánh làm việc với công suất xảy ra nhỏ, do đó xung ra chưa đủ các thông số yêu cầu. Để khắc phục các vấn đề này thì mạch điều khiển cần phải sử dụng khâu tạo xung. Khâu tạo xung bao gồm các mạch sau. -Mạch sửa xung -Mạch khuếch đại xung -Mạch truyền xung đến Tirstor (thiết bị đầu ra) -Mạch phân chia xung. 3.1 Mạch sửa xung: Xuất phát từ nguyên lý hoạt động của khâu so sánh, thấy rằng khi thay đổi trị số uđk để thay đổi góc điều khiển a thì độ dài của các xung ra của khâu so sánh thay đổi. Như vậy là sẽ xuất hiện tình trạng có 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 được đưa vào nhằm để khắc phục các vấn đề trên. Mạch sửa xung được làm việc theo nguyên tắc khi có xung vào với các độ dài khác nhau nhưng mạch vẫn cho xung ra có độ dài bằng nhau theo yêu cầu và giữ nguyên thời điểm bắt đầu xuất hiện của mỗi xung. Mạch sửa xung: được sử dụng sơ đồ hình 3.7: Hình 3.8: sơ đồ mạch sửa xung Trong đó Uv là điện áp đầu vào của mạch, đó chính là điện áp (xung) ở đầu ra của khâu so sánh (điểm E) có hai mức bão hòa dương và âm trong mạch sửa xung này hai phần tử C2 và R11 sẽ quyết định độ dài của xung ra (Ura). * Nguyên lý làm việc của mạch: Khi điện áp vào (Uv) có mức bão hòa dương (tức là tín hiệu điện áp ra của khâu so sánh có mức bão hòa dương) cùng với sự có mặt của định thiên R12 làm cho Tranzitor Tr6 mở bão hòa và tụ C2 nạp điện theo đường +Uv (điểm E) ® C2 ® R11 ® Tr6. Tr6 Hính 3.9.đồ thị thể hiện thời gian tồn tại xung mở bão hòa dẫn đến điểm F có mức logic “0” (Ura = 0). Mức logic “0” này của điểm F tồn tại suất trong quá trình Uv bão hòa dương. Khi điện áp đầu vào ở mức bão hòa âm (Uv < 0) tức là theo (+C2) ® nguồn Ucc® D1 ® R11 ® (- C3). Chính dòng phóng của tụ C2 sẽ đặt thế âm lên mạch phát gốc của Tranzitor Tr6 làm cho Tr6 khóa dẫn đến điểm F có mức logic 1 nghĩa là ở đầu ra nhận được xung ra. Do điện trở ngược của Tr6 rất lớn nên Ura @ Ucc. Khi tụ C2 phóng hết điện tích nó sẽ được nạp theo chiều ngược lại. Nhờ có R12 mà Tr6 lại được đặt điện áp thuận lên mạch phát gốc nên Ura = 0 (điểm F có mức logic “0”). Mặc dù có còn xung âm ở đầu vào nhưng tụ C2 đã phóng hết điện tích nên nó không còn tác dụng đến đầu vào điều khiển (mạch phát - gốc) của Tr6 nên Tr6 mở bão hòa nhờ định thiên R12. Như vậy thời gian tồn tại được xác định theo biểu thức. tx = R11. C2 .ln2 Độ dài của xung ra chỉ phụ thuộc vào giá trị của R11 và C2 do đó các xung ra luôn có giá trị không đổi. Giản đồ điện áp minh họa như hình3.8 3.2 Mạch chia xung : Trong một chu kỳ điện áp đồng bộ, 1 kênh phát xung điều khiển sẽ tạo ra 2 xung ứng với 2 nửa chu kỳ của điện áp đồng bộ. Hai xung này lệch nhau 1800 độ điện. Mỗi xung được sử dụng để điều khiển riêng 1 Tiristor trong sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha. Như vậy ta cần phải tách riêng 2 xung trong cùng một kênh phát xung đó ra. Hinh 3.10.sơ đồ khâu chia xung Để thực hiện mạch tách người ta có thể sử dụng nhiều lĩnh vực bán dẫn và vi mạch điện tử khác nhau. Đối với mạch phát xung điều khiển đã trình bày ở trên hình 14 ta sử dụng mạch chia xung gồm các phần tử logic "và" (AND). Tín hiệu đầu ra (Y) của phần tử AND nhận các mức tín hiệu logic theo phần tử trạng thái. Y = X1. X2 Đầu vào của phần tử là các tín hiệu của mạch tạo xung điện áp chữ nhật (điểm A và điểm B ở sơ đồ trước, lấy ở cực góp của Tr3 và Tr4) có 2 mức lôgíc “0” và “1” trong nửa chu kỳ của điện áp đồng bộ hoá. Điểm F (trên cực góp Tr6) có mức lôgíc “0” và “1” cũng tương ứng với các nửa chu kỳ của điện áp đồng bộ hoá . Như vậy mỗi kênh phát xung sử dụng 2 phần tử AND để tách riêng 2 xung trong chu kỳ của điện áp đồng bộ hoá. Sơ đồ biểu diễn như sau : Xp1 = A.F, Xp2 = B.F Trong nửa chu kỳ dương của điện áp đồng bộ hoá , sau một góc điều khiển a Thì F = “1” ; A = “1” ; B = “0” nên nhận được Xp1 = 1 còn Xp2 = 0 Trong nửa chu kỳ âm , sau góc điều khiển a thì F = 1 ; A = 0 ; B = 1 nên ta Nhận được Xp1 = 0 còn Xp2 = 1 Như vậy, với mỗi một kênh phát xung sử dụng mạch tách xung như trên đảm bảo tách riêng rẽ được các xung ra mà thời điểm xuất hiện của xung không thay đổi. Các xung sau khi tách ra được đưa đến các thiết bị đầu ra truyền xung đến các Tiristor tương ứng. 3.3 Thiết bị đầu ra và mạch khuếch đại xung: * Thiết bị đầu ra: (mạch truyền xung ra đến Tiristor) Thông thường có 2 cách truyền xung tử đầu ra hệ thông điều khiển mạch điện cực G - K của Tiristor là truyền xung trực tiếp và truyền xung qua máy biến áp xung. Bản thuyết minh này sử dụng phương pháp truyền xung qua máy biến áp xung. Đây là phương pháp truyền xung nhiều nhất hiện nay vì nó có thể khắc phục được các nhược điểm của phương pháp truyền xung trực tiếp, đó 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 máy biến áp xung có nhiều cuộn thứ cấp. + Dễ dàng phối hợp giữa điện áp nguồn cung cấp cho tầng khuếch đại công suất xung và biên độ xung cần thiết trên điện cực điều khiển của Tiristor nhờ việc chọn tỷ số máy biến áp xung cho phù hợp. - Máy biến áp xung (BAX) về cơ bản kết cấu giống như máy biến áp bình thường công suất nhỏ. Hoạt động của BAX tương tự như MBA làm việc với dòng điện áp không sin hoặc có thể xác định như là phi tuyến và sẽ bằng không khi từ trường lõi thép BAX đặt giá trị bão hòa. BAX có mạch từ rất chóng bão hòa, nó chỉ hoạt động trong những khoảng thời gian ngắn. *Mạch khuếch đại xung: Để khuếch đại công suất của xung điều khiển, hiện nay phổ biến nhất là các sơ đồ khuếch đại bằng Tiristor và Tranzitor. Bản thiết kế này sẽ sử dụng Tranzitor làm mạch KĐX là phổ biến và dễ dàng thực hiện. Sơ đồ nguyên lý của mạch đại xung như hình vẽ sau: Hình 3.11: sơ đồ mạch khuyếch đại xung Tín hiệu đầu vào (Uv) củamạch khuếch đại xung, là tín hiệu điện áp ở xung đầu ra mạch chia xung gửi tới. Thiết bị đầu ra được sử dụng là biến áp xung (BAX). Sơ đồ mạch khuếch đại xung sử dụng 2 Tranzitor ghép kiều Darlingtơr (mắc nối tiếp hai Tranzitor). Hai Tranzitor Tr7 và Tr8 mắc nối tiếp tương đương với một Tranzitor có hệ số khuếch đại dòng điện của 2 Tranzitor thành phần: b = b1 + b2 . Trong đó b1 và b2 là hệ số khuếch đại dòng điện theo sơ đồ cực phát chung của Tr7 và Tr8. *Chức năng của các phần tử trong sơ đồ như sau: - D2 là điốt có tác dụng xuất giảm các dòng điện qua cuộn dây sơ cấp MBAX (w1), làm xuất hiện xung điện áp âm trên cuộn w1 điện áp âm này sẽ đặt cực thuận lên D2 làm D2 thông. Do vậy dòng sơ cấp máy biến áp xung lúc đó không giảm đột ngột mà vẫn được duy trì qua D2, nên xung điện áp xuất hiện trên các cuộn dây cũng có giá trị nhỏ. - D3 là điốt cũng có tác dụng khép mạch xung âm như D2 (như ở phía thứ cấp máy BAX). Vì xung âm ở w1 sẽ cảm ứng sang w2 sức điện động và sinh ra xung âm đặt cực thuận lên D3. - D4 là điốt có tác dụng ngăn xung âm có thể có tới cực điều khiển của Tiristor như các Tranzitor khác. - R14, R15 là điện trở có tác dụng hạn chế xung áp đầu vào - R16 là điện trở có tác dụng hạn chế dòng điện colector. - R17 là điện trở và kết hợp với D3 có tác dụng để giải thoát và tiêu tán xung âm. * Nguyên lý làm việc của sơ đồ: Tín hiệu vào của mạch khuếch đại xung (Uv) là tín hiệu ra của mạch gửi xung đây là tín hiệu logic có 2 mức logic “0” và “1”. Để phân tích nguyên lý hoạt động của sơ đồ ta gọi. - txv: Thời gian tồn tại của một xung điện áp vào. - tbh: Thời gian tính từ lúc có dòng điện một chiều qua cuộn sơ cấp máy BAX (khi Tr7 và Tr8 mở bão hòa) đến lúc từ thông lõi thép của BAX đặt giá trị từ thông bão hòa. - txr: Thời gian tồn tại 1 xung điện áp ra + Xét trường hợp tbh > txv. Trong khoảng t = 0 ¸ t1 lúc này chưa có xung vào (Uv = 0) không có dòng chảy qua cuộn sơ cấp BAX không nhận xung (UđkT = 0). Khi t = t1 bắt đầu xuất hiện xung vào (Uv >0) làm cho Tr7 và Tr8 mở bão hòa, nên cuộn w1 đột ngột chịu điện áp Ucc, suất hiện dòng qua cuộn w1 có giá trị tăng dần, do đó cảm ứng sang phía thứ cấp (W2) của BAX 1 xung điện áp. Với cực tính của hai cuộn dây như ở hình -18 thì xung xuất hiện bên W2 sẽ đặt cực thuận nên D4 và truyền qua D4 đến cực điều khiển (G) và katốt (K) của Tiristor. Khi t = t1 + txv = t2 (lúc này mạch từ chưa bão hòa), mất xung vào (Uv = 0) làm cho hai Tranzitor Tr7 và Tr8 đồng thời khóa lại, thông qua w1 giảm về không. Do đó có sự giảm dần của dòng điện sẽ xuất hiện xung có cực tính ngược lại (xung âm) xung này cảm ứng sang W2 điện áp đặt cực ngược lại (xung âm này cảm ứng sang W2 điện áp đặt cực ngược vào D3 nên không có xung tới các cực của Tiristor tức là Uđk1 = 0). Khi đó xung này khép vòng qua D3 và R17, năng lượng của nó sẽ tiêu tán trên R17. Nhờ có D2 và D3 mà không xuất hiện điện áp tự cảm rất lớn trên dây quấn sơ thứ của BAX. + Xét trường hợp tbh > txv. Trong khoảng từ 0 ¸ t1: chưa có xung ở đầu vào (Uv = 0) nên Tr7 và Tr8 khóa do đó không có dòng điện qua W1 nên phía thứ cấp w2 không có xung cảm ứng sang, kết quả là không có xung điều khiển Tiristor (Uđkt = 0). Khi t = t1 thì bắt đầu có xung áp vào (Uv > 0) làm cho Tr7 và Tr8 mở (hai Tranzitor mở bão hòa), Trên cuộn sơ cấp BAX (W1) đột ngột chia điện áp Ucc và có dòng tăng dần đi qua. Với các cực tính cuộn dây như hình 18 thì phía thứ cấp BAX (W2)có xung đặt cực thuận nên điốt D4 và truyền qua đến cực điều khiển (G) và Katốt (K) của Tiristor. Khi t = t1 + tbh thì mạch từ BAX bị bão hòa, nên tử thông lõi thép không biến thiên dẫn đến xung cảm ứng trên các cuộn dây mất, do đó mất xung đến các cực Tirisitor (Uđk1 = 0). Khi t = t1+ txv = t2 mất xung áp vào (Uv = 0) dẫn đến Tr7 và Tr8 cũng khóa theo dòng qua W1 giảm dần về không. Sự giảm dần của dòng qua W1 làm từ thông trong lõi thép BAX biến thiên theo hướng ngược lại, do vậy xuất hiện xung điện áp âm trên cuộn W1 các xung điện áp âm này cũng bị khử dần nhờ D2 và D3 như đã trình bày ở trên. *Kết luận: Thời gian làm việc của mạch từ máy BAX có ảnh hưởng rất lớn đến độ dài của xung ra điều khiển của Tiristor. Trong trường hợp tbh > txv thì độ dài của xung ra đúng bằng độ dài của xung vào (txt = txv). Còn trong trường hợp tbh < txv thì độ dài của xung ra đúng bằng thởi gian để cho mạch từ của máy BAX bão hòa (txt = tbh). Vậy cần phải cho BAX có thời gian bão hòa của mạch từ đủ lớn 4.Khâu phản hồi âm dòng điện Để tránh dòng điện trong động cơ tăng quá mức cho phép khi khởi động, hãm, đảo chiều hay gặp quá tải ta sử dụng mạch điện để hạn chế dòng điện phần ứng. ở đây ta sử dụng mạch phản hồi âm dòng điện. Sơ đồ mạch điện như hình vẽ: Máy biến dòng TI cách ly giữa mạch động lực và mạch điều khiển. Điện áp ra của TI được chỉnh lưu nhờ cầu ba pha ( để đảm bào cho dòng điện trong cuộn sơ cấp của TI là xoay chiều ). Tín hiệu phản hồi dòng điện được lấy một phần trên biến trở R rồi được đưa vào lọc và khuếch đại bởi IC1; IC2. Điện áp âm trên điện trở R4 có tác dụng như một ngưỡng; điện áp đầu ra IC2 được tính như sau: Ta chọn R5 = R6 là hệ số phân áp. Hình 3.12. Khâu phản hồi âm dòng Khi IU < Ing, điện áp đầu ra IC2 có dấu dương nên các điốt khoá, mạch phản hồi chưa có tác dụng. Khi IU > Ing, điện áp ra có giá trị âm, lúc này mạch phản hồi dòng điện tham gia khống chế góc mở làm giảm dòng phần ứng. 5.Khâu phản hồi âm tốc độ 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 truyền động này ta thiết kế mạch phản hồi âm tốc độ để năng cao độ đặc tính cơ. Hình 3.13. Khâu phản hồi máy phát tốc Tốc độ động cơ được truyền đến máy phát gốc. Máy phát gốc là một máy phát điện một chiều có điện áp ra tỉ lệ với tốc độ động cơ. Tín hiệu phản hồi lấy trên WR4 và đưa vào khâu tổng hợp tín hiệu (KĐTG) xử lý. Ta thiết kế mạch phản hồi âm tốc độ để nâng cao độ đặc tính cơ. Phản hồi âm tốc độ vừa ổn định được tốc độ của hệ truyền động vừa tự động điều chỉnh gia tốc của hệ khi khởi động. Tốc độ động cơ được truyền đến máy phát tốc. Máy phát tốc là một máy phát điện một chiều có điện áp ra tỉ lệ tốc độ động cơ. Tín hiệu phản hồi âm tốc độ được lấy từ máy phát tốc FT nối cùng với động cơ. Tín hiệu này tỉ lệ tuyến tính với tốc độ động cơ. Trong đó: OA3: khâu tổng hợp và khuyếch đại (K). OA4: tổng hợp và khuyếch đại (KI). OA5: dựng để lấy trạng thái theo yêu cầu. Ucđ: điện áp chủ đạo. * Nguyên lý hoạt động: Tín hiệu đầu vào OA3 là tín hiệu chủ đạo và phản hồi âm tốc độ, các tín hiệu đó được tổng hợp và khuyếch đại lên (K) làn đồng thời được đảo dấu rồi đưa đến đầu vào OA4. Tín hiệu này được đảo dấu lần nữa và đưa tới đầu vào khối so sánh kênh điều khiển ngược nhờ OA5 . Từ thiết kế từng khâu của mạch điều khiển ở trên ta ghép lại thành sơ đồ nguyên lý của hệ thống. 5. mạch nguồn nuôi một chiều Hình 3.14 sơ đồ nguồi nuôi tạo điện áp một chiều Nguồn nuôi tạo điện áp ± 12V để cấp nguồn nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Bộ chỉnh lưu CL1 và CL2 để tạo ra điện áp nguồn nuôi đối xứng cho IC. Điện áp đầu ra của ổn áp chọn 12V. Điện áp đầu vào của IC ổn áp chọn 20V. Điện áp thứ cấp cuộn dây a1, b1, c1 là : Chọn 14V. Vì mạch ổn áp 7812 và 7912 có các thông số chung: - Điện áp đầu vào: UVào = 7 ¸ 35V - Điện áp đầu ra: IC 7812 có Ura = 12V; IC 7912 có Ura = - 12V - Dòng điện đầu ra: Ira = 0 ¸ 1A Tụ C1, C2 dùng lọc thành phần sóng dài bậc cao Chọn C1 = C2 = C3 = C4 = 470 mF, U = 35V II. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tần số khuếch đại ngược trở lên. Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristor. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển: Điện áp ngược van UnV = 400 (V) Dòng điện định mức van Idmv = 450 (A) Đỉnh xung dòng điện Iđx = 7800 (A) Dòng điện xung điều khiển Iđk = 0,25 (A). Điện áp xung điều khiển Uđk = 3 (V) Dòng điện rò IR = 0,035 (A) Sụt áp trên Tiristor ở trạng thái dẫn U=2 (V). Tốc độ biến thiên điện áp du/dt = 300() Thời gian chuyển mạch tcm = 50 () Tốc độ biến thiên dòng điện di/dt = 100(). Độ rộng xung điều khiển tx = 167 () – tương đương với 30 điện. Tần số xung điều khiển fx = 3 (kHz). Độ mất đối xứng cho phép Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển U = (V). Mức sụt biên độ xung sx = 0,15 1. Tính biến áp xung Chọn vật liệu làm lõi sắt là Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có (T), (A/m) , không có khe hở không khí. Tỷ số MBA xung thường là m = 2 – 3, ta chọn m =3. Điện áp cuộn thứ cấp MBA xung: U2 = Uđk =3 (V). Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp MBA xung: U1 = m.U2 = 3.3 = 9 (V). Dòng điện thứ cấp MBA xung: I2 = Iđk = 0,25 (A). Dòng điện sơ cấp MBA xung: I1 = I2 /m = 0,25/3 = 0,083 (A). 2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng Chọn transistor công suất loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số: Transistor loại p-n-p vật liệu bán dẫn Si. * Tính chọn khâu tổng hợp tín hiệu Khâu tổng hợp tín hiệu chỉ có nhiệm vụ tổng hợp tín hiệu mà không yêu cầu có hệ số khuếch đại lớn. Sơ bộ chọn hệ số khuếch đại của khâu này bằng 2; KTH = 2 *Tính chọn khâu hạn chế góc mở của bộ biến đổi Từ hình vẽ ta thấy được quan hệ: Ở phần trước ta chọn do đó góc phải 150 . Tức là (V). Với uđkmax = 5 (V), uTGmax = 13 V 3.Tính khâu so sánh Khuếch đại thuật toán A2 của khâu so sánh chọn IC loại TL084 có các thông số Điện áp nguồn nuôi : Vccmax = ± 18 V. Chọn Vcc = ± 12 V Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: ± 30 V Nhiệt độ làm việc: T = - 25o C ¸ 85 oC Công suất tiêu thụ: P = 680 mW = 0,68 W Tổng trở đầu vào: Rin = 106 ( MW ) Dòng điện đầu ra: Ira = 30 (pA) Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: *Chọn :Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc = ± 12 V thì điện áp vào A2 là Uv 12V. Dòng điện vào được hạn chế để Iv < 1mA. Chọn R4 = R5 = 15K. Khi đó dòng vào A2 là: 4.Chọn cổng and cho khâu khâu chia xung Toàn bộ mạch điều khiển phải dùng 12 cổng AND nên ta chọn hai IC loại 4081 họ CMOS. Mỗi IC có cổng AND có các thông số sau : Nguồn nuôi IC Vcc = 3¸18 V. Chọn Vcc = 12 V . Nhiệt độ làm việc: - 40o ¸ 80o . Điện áp ứng với mức logic 1: 2¸ 4,5 V Dòng điện nhỏ hơn 1 mA . Công suất tiêu thụ P = 2,5 (mW / 1 cổng ) 5.Tính chọn các khâu phản hồi Ổn định hóa tốc độ trong truyền động máy mài có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện các chỉ tiêu chất lượng hệ truyền động. Biện pháp để ổn điịnh tốc độ làm việc là tăng độ cứng đặc tính cơ bằng điều khiển theo mạch vòng kín Khâu tổng hợp mạch vòng âm tôc độ . Sơ đồ khâu tổng hợp mạch vòng âm tốc độ Tín hiệu phản hồi âm tốc độ được cấp từ máy phát tốc (FT :máy phát điện một chiều có nam châm vĩnh cửu ) điện áp của nó luôn tỷ lệ tuyến tính với tốc độ cơ. So sánh giá trị đặt đầu với mức phản hồi cho tín hiệu sai lệch để ổn định tốc độ đặt của động cơ Trong đó : A5 :Khâu tổng hợp và khuyếch đại.(KCO) Tính hiệu phản hồi âm tốc được tổng hợp với tín hiệu chủ đạo thông qua khuếch đại thuật toán cho tín hiệu ra đư đến tổng hợp với khâu phản hồi âm dòng có ngắt Chọn máy phát tốc một chiều có các thông số sau: Chọn máy phát tốc TM-100-1000 có: Mã hiệu Pđm(W) Uđm(V) Iđm(A) nđm(v/ph) Rưå(Ω) 32/1YU 115 230 0,5 1000 7,34 Hệ số của máy phát tốc: = 0,23 Do điện áp ra của khuếch đại thuật toán Ur Ecc= 12V nên ta điều chỉnh biến trở Rs1 sao cho Uw 12 V. vậy g = ≤ = 0,012; vậy chọn g = 0,01 6.Khâu phản hồi âm dòng có ngắt Do khi sử dụng phẩn hồi âm tốc để ổn định tốc độ đối với chỉnh lưu tiristo thì vấn đề khi tốc độ động cơ biến thiên ngay lập tức gây nên sự tăng giảm quá mức của dòng điện phần ứng và của tiristor à không thể chấp nhận được. Do đó cần phản hạn chế dòng điện một cách tự động, ta dùng khâu phản hồi âm dòng có ngắt Trong sơ đồ : A6 là các bộ khuyếch đại thuật toán. tín hiệu phản hồi dòng được lấy trên điện trở điều chỉnh R thông qua bộ biến dòng và bộ chỉnh lưu cầu 1 pha .Sau đó vào đầu vào A6 để so sánh với Udk bởi điot D10 Khâu ngắt có tác dụng khi có quá dòng phaanf uwngs tawng quá dòng ngắt khâu ngắt tác dụng để hạn chế dòng điện Chọn loại biến dòng loại 150:5 , cấp chính xác 0,5 Hệ số của biến dòng: PI = = 0,03 Chọn nguồn tạo điện áp ngắt dòng: Dòng điện cần hạn chế của động cơ được chọn theo yêu cầu khởi động với tải cụ thể. Vậy ta chọn dòng điện ngắt của đặc tính với động cơ một chiều là: Ing = 1,5.Iđm = 1,5.191 = 286 (A) Điện áp ngắt: Ung = 0,1.Ing = 0,03.286 = 8,6 (V). Muốn giới hạn được dòng điện Igh = 1,5.Iđm ta cần chọn nguồn cấp -E sao cho ta khống chế Ung có điện áp là 9 V. Điện áp phản hồi dòng điện đưa vào A3 là đầu ra A4 sau khi khuếch đại, trong quá trình khởi động thì đầu ra A4 rơi vào vùng bão hòa nên có điện áp xấp xỉ bằng điện áp nguồn cấp cho A4 là Ubh Ucc = 12V. vậy ta có: = = 0,03 PHẦN IV XÂY DỰNG VÀ THUYẾT MINH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ TRUYỀN ĐỘNG I. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG MẠCH ĐIỆN Đóng áp tô mát AP1, AP2 để cấp nguồn cho mạch động lực và mạch điều khiển, mạch điều khiển phát lệnh mở van sao cho góc mở α1 900, α 1 + α 2 = 1800. Với α 1 là góc mở của T1 đến T6, α 2 là góc mở của T7 đến T12. Khi khối tạo xung tạo ra các xung điều khiển, các xung này sẽ được đưa tới mạch sửa xung để điều khiển mở các van T thông qua biến áp xung. Để tạo ra tín hiệu điều khiển xuất hiện đúng các thời điểm yêu cầu ta phải tạo ra tín hiệu điều khiển nhờ mạch điều khiển khuyếch đại trung gian. Tín hiệu này được so sánh với điện áp răng cưa. Nếu thay đổi độ lớn của Uđk thì sẽ thay đổi được thời gian xuất hiện xung, nghĩa là thay đổi được các góc mở α 1, α 2 của bộ chỉnh lưu để điều chỉnh tốc độ động cơ phù hợp với quá trình hoạt động. Khi muốn điều khiển cho tốc độ động cơ chậm lại thì góc mở α1 phải lớn, cần Uđk nhỏ và ngược lại khi muốn tăng tốc thì giảm α 1. 1. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ Với giả thiết động cơ đang làm việc, ở vùng khâu ngắt dòng không tác động, nếu ta thay đổi điện áp trên biến trở R18 ở đầu vào OC5 làm cho điện áp Ucđ thay đổi dẫn đến Uđk = Ucđ – γω thay đổi. Khi Uđk thay đổi góc mở α thay đổi Uđk = Điện áp chỉnh lưu thay đổi có nghĩa là điện áp đặt vào phần ứng động cơ thay đổi tốc độ động cơ thay đổi. 2. Nguyên lý ổn định tốc độ Sở dĩ tốc độ động cơ được ổn định ở một tốc độ đặt nào đó vì tín hiệu đầu vào IC được lấy bằng tín hiệu (Ucđ – γω ). Giá thiết động cơ đang làm việc ở một chế độ đặt nào đó với một điện áp Ucđ nhất định nào đó. Nếu vì một lý do nào đó tốc độ động cơ giảm xuống dẫn đến (Ucđ – γω ) tăng lên tới Uđk tăng góc mở α giảm dần xuống một giá trị nào đó các Tiristor mở sớm hơn Điện áp chỉnh lưu tăng lên động cơ tăng tốc độ. Khi (Ucđ – γω ) giảm Uđk giảm góc mở α tăng ω tăng lên các Tiristor mở muộn hơn do đó Ud = Udo.cosφ giảm xuống tốc độ động cơ giảm xuống . Vậy trong cả hai trường hợp tải tăng hay giảm nhờ khâu phản hồi âm tốc độ nên động cơ vẫn giữ được tốc độ ổn định. 3. Nguyên lý đảo chiều Do bình thường bộ I đang ở chế độ chỉnh lưu nên dòng điện tải là dòng của bộ chỉnh lưu I : Id = IdI , bộ II không có dòng IdII = 0, vì chiều dòng này chạy ngược chiều Id nên không thể chảy được. Khi cần đảo chiều phải điều khiển tăng dần góc điều khiển tương ứng giảm dần theo điều kiện Do tăng lên nên UdI giảm, trong khi đó s.đ.đ Ed không giảm nhanh bằng ( thí dụ do quán tính động cơ ), dẫn đến Ed > Ud1, do đó: Tức là dòng tải sẽ đảo chiều nhưng bộ CLI không cho dòng Id1 đảo chiều, nên dòng Id sẽ chuyển sang chảy qua bộ CLII. Mạch vòng giữa CLII và Ed là đúng các điều kiện chạy ở chế độ nghịch lưu, nên lúc này CLII thực hiện trả năng lượng của s.đ.đ Ed về nguồn làm cho Ed giảm. Khi tăng đến bằng 900, cũng giảm về giá trị 900 điện áp UdI = - UdII = Ud0.cos= 0, quá trình nghịc lưu của CLII kết thúc. Sau đó tiếp tục giảm nhỏ hơn 900 và chuyển sang chế độ chỉnh lưu điện áp đã đổi dấu, bộ chỉnh lưu CLI chuyển sang chế độ nghịc lưu phụ thuộc, quá trình đảo chiều kết thúc. Phương pháp điều khiển chung cho phép đảo chiều nhanh do hai bộ chỉnh lưu luôn đồng thời hoạt động. II. DỪNG HỆ THỐNG Để tiến hành dừng hệ thống thì tiến hành dừng động cơ rồi sau đó lần lượt cắt nguồn ra khỏi mạch động lực, mạch điều khiển và mạch kích từ. Tiến hành dừng động cơ : ấn nút dừng D ở mạch khống chế, cắt nguồn ra khỏi động cơ. Đồng thời song song với quá trình này cũng cắt nguồn khỏi mạch điều khiển và mạch các nguồn nuôi. Khi động cơ dừng thì cắt nguồn kích từ và cắt aptômat để cắt an toàn bộ hệ thống ra khỏi nguồn cung cấp. PHẦN V :XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CÂU TRÚC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG I. Tính các tham số cơ bản. *Các tham số cơ bản: g: Hệ số phản hồi âm tốc độ g = 0,01 RS : Tổng điện trở mạch phần ứng RS = 0,3 (W). Iư: Trị số dòng điện trên tải, tính theo dòng định mức động cơ Iưđm = 191 (A) KD: Hệ số khuếch đại của động cơ. Tính Tính Kp : Để tính hệ số khuếch đại của bộ biến đổi (Kp) ta xây dựng đặc tính biểu diễn quan hệ Ud = f(Uđk) sau đó tuyến tính hoá đặc tính này ra đặc tính hệ số góc của đoạn đặc tính đó. Hệ số của đoạn đặc tính cơ là hệ số khuếch đại của bộ biến đổi Kp = tgj = Quan hệ Ud = f(Uđk) xuất phát từ hai quan hệ: Ud = f(a) và a = f(Uđk) * Xây dựng quan hệ Ud = f(a): Coi hệ thống làm việc ở chế độ dòng điện liên tục: Ud = Ud0.cosa Trong đó: Ud0 = 223 (V) là điện áp chỉnh lưu không tải của bộ biến đổi a là góc điều khiển. Cho a biến thiên từ a = (0 ¸ p/2) ta được các trị số Ud lập thành bảng sau: a 0 p/12 p/6 p/4 p/3 p/2 Ud (V) 223 215 193 157,7 111,5 0 * Xây dựng quan hệ a = f(Uđk) Khi thay đổi giá trị điện áp điều khiển (Uđk) thì giá trị góc điều khiển a cũng thay đổi theo. Ứng với mỗi (Uđk) khác nhau ta nhận được các giá trị của a. Căn cứ vào đồ thị của Uđk và điện áp tựa Urc, ta thấy góc a biến đổi theo Uđk với quy luật sau: a = . Mặt khác với vi mạch khuếch đại thuật toán thì tín hiệu là Urcmax = ± 14 (V) nên biên độ cực đại của Urc là Urcmax = 14 (V). Song khi thực hiện so sánh thì Urc được dịch đi sao cho Urc = 0 khi a = p/2, nghĩa là ta chỉ sử dụng nửa biên độ cực đại của Urc Þ Uđk = Cho a biến thiên từ a = (0 ¸ p/2) ta được các trị số Uđk lập thành bảng : a 0 p/12 p/6 p/4 p/3 p/2 Uđk (V) 7 5,83 4,7 3,5 2,33 0 Þ Quan hệ Ud = f(Uđk): Ud 223 215 193 157,7 111,5 0 Uđk (V) 7 5,83 4,7 3,5 2,33 0 Tuyến tính hoá đọan đặc tính AB, ta tính được hệ số khuếch đại của bộ biến đổi như sau. =32 Ta có : Kp = 32; g = 0,01; Iư = 191 (A); RS = 0,3 (W); KD = 6,15; St £ 5% chọn St = 5%; D = 10; nđm = 1000 (v/p) thay vào công thức ta được: Tính hệ số khuếch đại trung gian kTG: ta có K = KTG.Kp.KD Þ KTG = K/ Kp .KD = * Hệ số khuếch đại yêu cầu (Kyc) của toàn hệ thống Kyc = KTG.Kp .KD .g = 33,5.32.6,15.0,01 = 66 Tóm lại mạch khuếch đại trung gian có hệ số khuếch đại là KYC = 66. Để thực hiện mạch khuếch đại trung gian này, sử dụng các vi mạch khuếch đại thuật toán mA741 mắc nối tiếp cùng với các điện trở chức năng. Trong quá trình làm việc của hệ thống truyền động điện tự động do có ảnh hưởng của nhiễu loạn bên ngoài mà hệ thống có thể bị mất cân bằng so với định mức. Khảo sát hệ thống là để xét xem hệ thống đó có ổn định hay không, để từ đó tiến hành hiệu chỉnh hệ thống đảm bảo yêu cầu tin cậy, đặt được các chỉ tiêu mong muốn. Khảo sát chế độ động của hệ thống, là việc khảo sát hệ thống tín hiệu với khái niệm. Khi sự chuyển biến trạng thái của hệ thống sảy ra một cách đột ngột, hoặc rất nhanh mà tốc độ biến thiên năng lượng điện từ, năng lượng điện cơ là không thể bỏ qua nghĩa là các khâu quán tính đóng vai trò quan trọng trong quá trình làm việc của hệ thống. Khi khảo sát chế động của hệ thống cần nghiên cứu, khảo sát đặc điểm làm việc trong thời gian chuyển từ trạng thái xác lập này sang trạng thái xác lập khác. Một hệ thống được gọi là ổn định nếu quá trình quá độ tắt dần theo thời gian. Để khảo sát hệ thống, ta thành lập sơ đồ cấu trúc của hệ thống và sau đó xây dựng hàm truyền của hệ thống và sử dụng các tiêu chuẩn xét ổn định để xem hệ thống đó có ổn định hay không. Còn nếu như hệ thống chưa ổn định thì phải hiệu chỉnh để nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống. II. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG Đầu tiên ta đi mô tả toán học các phần tử trong hệ thống sau đó mới tiến hành xây dựng sơ đồ cấu trúc của hệ thống. Giả sử ta xét cho hệ điều tốc với mạch vòng phản hồi âm tốc độ. Các bước để mô tả: Bước 1: Dựa vào quy luật vật lý của các phần tử để viết ra phương trình vi phân mô tả trạng thái động. Bước 2: Xây dựng cấu trúc,trạng thái động của từng phần tử và cùa hệ điều tốc. Bước 3: Tìm hàm truyền của hệxét đến điều kiện ổn định. 1. Mô tả toán học chỉnh lưu điều khiển Ta có sơ đồ thay thế mạch chỉnh lưu khi van dẫn dòng như sau : Hình 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 Trong đó: là thời gian trễ. - Tia 1 pha: =10 (ms) - Tia 2 pha, cầu 1 pha: = 5 (ms) - Tia 3 pha: = 3,33 (ms) - Tia 6 pha, cầu 3 pha: = 1,67 (ms) 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 5-2: Sơ đồ cấu trúc khâu chỉnh lưu. 2. 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 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: Phương trình chuyển động của hệ: hay Trong đó: Hằng số thời gian của mạch phần ứng: Hằng số thời gian điện cơ: Cm.Φ = Φ = 14 Với Trong các phép tính trên sử dụng các đại lượng Kd(n), g(n) là các hệ số tính theo tốc độ Chuyển sang toán tử Laplace ta có: Mặt khác ta có : Từ các phương trình mô tả toán học trên ta có sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều như sau: Hình 5-4: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều. Hình 5.4 sơ đồ cấu truc động cơ một chiều 3. Bộ khuyếch đại tỷ lệ và máy phát tốc. Bộ khuyếch đại tỷ lệ: Wp(p)= = Kp Máy phát tốc: W(p)= = γ 4. Xây dựng sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống kín với phản hồi âm tốc độ và âm dòng điện. Nhận xét: Ta nhận thấy đối với hệ thống hở thì sai lệch tĩnh của hệ thống lớn hơn nên không đảm bảo được yêu cầu đặt ra. Để đảm bảo điều chỉnh tốc độ tốt thì St phải nhỏ, mà điều này với hệ thống hở không thể làm được. Để đảm bảo được yêu cầu đặt ra thì ta buộc phải đưa dùng hệ thống kín có phản hồi. Vì vậy, trong nội dung đồ án này chung ta thực hiện điều khiển hệ thống bằng hệ kín có phản hồi âm tốc độ và phản hồi âm dòng nhằm thoả mãn hai yêu cầu: Chất lượng tĩnh của hệ và bảo vệ dòng điện. 4.1. Khảo sát chế độ động của hệ thống Sơ đồ cấu trúc của hệ thống khi chưa hiệu chỉnh. Ucđ w2 w4 w6 w5 w7 (-) w (-) (-) Hình 5-5: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống khi chưa hiệu chỉnh Trong đó: Ucđ là tín hiệu đặt điện áp tốc độ(điện áp chủ đạo). - Hàm truyền của mạch khuếch đại trung gian: w1 = wy = Ky/Tf.p + 1 Trong đó: Ky, Tf là hệ số khuếch đại của mạch và hằng số thời gian của các bộ phân lọc. - Hàm truyền của bộ biến đổi: w2 = wП = Trong đó: +Kcl = KП = là hệ số khuếch đại của chỉnh lưu. + Tv0 là hằng số thời gian ; Tov = trong đó m và w là các pha chỉnh lưu và tần số góc của nguồn điện. - Hàm truyền của các khâu quán tính điện từ: w3 = wδ1(p) = - Hàm truyền của các khâu quán tính cơ: w4 = wδ2(p) = - Hàm truyền của các khâu nhiễu sức điện động của động cơ: w5 = Ta có: Trong đó: + Rư, Lư là điện trở, điện cảm mạch phần ứng động cơ. + Tư là hằng số thời gian của mạch phần ứng: Tư = Lư/Rư. + TM là hằng số thời gian cơ học: + KD là hệ số khuếch đại của động cơ. - Hàm truyền của khâu phản hồi âm dòng có ngắt: w6 = wI = KI/Tip + 1 Trong đó: + Ti là hằng số thời gian của mạch lọc trong xen xơ dòng điện. + KI = 0,102 - Hàm truyền của khâu phản hồi âm tốc độ: w7 = ww = Kw /Tw p + 1. 4.2. Xây dựng hàm truyền của hệ thống Để xây dựng hàm truyền của hệ thống ta biến đổi tương đương sơ đồ cấu trúc của hệ thống. Chuyển sang sơ đồ tương đương Ta có hàm truyền Chuyển sang sơ đồ tương đương Ta có hàm truyền Chuyển sang sơ đồ tương đương Ta có hàm truyền hệ thống: Û Û Û Û Thay các giá trị như: KI=0,45s; Ru=0,3; K= 6595,5; Tvo; ; TM = 2,7s; Tu = 0,032s Wht = PHẦN VI : XÉT TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG I. XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH TĨNH Theo cách xây dựng ở trên thì họ đặc tính cơ của hệ kín có hai đoạn. Đoạn thứ nhất là đoạn làm việc ở chế độ ổn định tốc độ với khâu phản hồi tốc độ được bắt đầu từ điểm không tải lý tưởng cho đến điểm ngắt dòng và đoạn thứ hai là đoạn làm việc ở chế độ khởi động hoặc hãm hay có thể quá tải ứng với dòng phần ứng lớn hơn dòng ngắt Ing = 1,5.Iđm đến điểm ngắn mạch Inm, đoạn này làm việc với khâu phản hồi âm dòng có ngắt. Quá trình gia công chi tiết chỉ thực hiện ở hành trình thuận nên ta chỉ xây dựng đặc tính cơ ở hành trình thuận. 1. Đặc tính cao nhất Đặc tính cơ cao nhất là đặc tính ứng với tốc độ làm việc ổn định ở tốc độ định mức n = nđm . Đoạn thứ nhất là đoạn làm việc ổn định với khâu phản hồi âm tốc độ nên ta có phương trình cơ điện: n= Điện áp đặt ứng với chế độ làm việc ở đặc tính cao nhất Uđmax : Điện áp đặt được tính ở tốc độ định mức với chế độ làm việc ổn định, từ phương trình (iii) ta rút ra được: Uđmax= Thay n = nđm = 1000 (vg/ph) ta tính được điện áp đặt lớn nhất: Uđmax = = 10,2 ( V ) Tại điểm không tải lý tưởng n = n0max ứng với dòng phần ứng Iư = 0 Thay vào (iii) ta được: nomax = = 1004(vg/ph) Điểm làm việc ổn định là điểm (Iđm ; nđm) = (191 ; 1000) Tại điểm ngắt dòng ứng với Iư = Ing = 1,5.Iđm = 286,5 A thì tốc độ là nngmax nngmax= = 998(vg/ph) Đoạn thứ hai là đoạn làm việc ứng với khâu phản hồi âm dòng điện còn khâu phản hồi tốc độ làm việc ở chế độ bão hòa. Với hệ thống này ta chọn tốc độ tại thời điểm khâu ngắt bắt đầu tác động cũng là tốc độ mà tại đó khâu phản hồi âm tốc độ đạt giá trị bão hòa nbhmax = nngmax. Lúc đó ta có: Utg = Uđmax - gnbhmax = 10,2 – 0,01.1004 = 0,16 (V) Ta chọn Ubh = 8 V khi đó ta tính được hệ ố khuếch đại tốc độ: Kω = = = 75 → KI = = 2.05 Từ phương trình (1) và (2) ta rút ra được phương trình đặc tính khi làm việc với phản hồi âm dòng có ngắt: n = KĐC.{KBĐ.KI [(Ubh – (Iư - Ing)b] - IưRưS} (*) Tại điểm khởi động ta có n = 0 ứng với dòng ngắn mạch ở đặc tính cao nhất là Inm, thay vào (*) ta tính được dòng khởi động: Inm = = = 234(A) Vậy bội số dòng khởi động = Inm /Iđm = 234 /191 = 1,1 < 2,5 do đó hệ số này chấp nhận được để động cơ khởi động anh toàn. Đoạn thứ hai này đi qua hai điểm là điểm ngắt (1,5Iđm ; nngmax) và điểm khởi động (1,1.Iđm ; 0). 2. Đặc tính cao nhất Ở đặc tính cơ thấp nhất thì động cơ làm việc với sai số tốc độ là