Đồ án Tính toán thiết kế máy cắt mộng, máy bào via

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 lớn nhất, tốc độ làm việc ứng với dòng định mức là nmin = nđm /10 = 1000/ 10 = 100 (vg/ph) Điện áp đặt khi động cơ làm việc ở tốc độ nhỏ nhất Uđmin = = 1,07 ( V ) Tốc độ không tải lý tưởng n0min: nomin = = 104 (vg/ph) Tại điểm ngắt dòng ứng với Iư = Ing = 1,5.Iđm = 6,2 A thì tốc độ là nngmin nngmin = = 99,7 (vg/ph) Dòng ngắn mạch ứng với đường đặc tính cơ thấp nhất: Ta cũng chọn tốc độ lúc khâu phản hồi dòng bắt đầu rơi vào trạng thái bão hòa là lúc khâu phản hồi âm dòng có ngắt bắt đầu tác động nbhmin = nngmin = 99, 7vg/ph Do điện áp bão hòa của KĐTT không đổi, đồng thời hệ số khuếch đại KI cũng không đổi nên điểm ngắn mạch của họ đặc tính cơ đều xuất phát từ một điểm là (2,26.Iđm ; 0). Đặc tính cơ của hệ kín được thể hiện trên hình 6.1 Hình 6.1 Đặc tính cơ của hệ kín 3. Kiểm tra chất lượng tĩnh Độ sai lệch tốc độ lớn nhất ứng với đặc tính cơ thấp nhất: S% = = .100% = 4 % Ta thấy s% < 5% nên hệ thống kín đảm bảo chất luợng tĩnh. II. XÉT TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG Trong quá trình làm việc của hệ thống truyền động điện tự động, do nhiễu loạn hoặc do nhiều nguyên nhân khác nhau mà hệ thống có thể mất ổn định. Tính ổn định của hệ thống là tính mà hệ thống có thể trở lại trạng thái ban đầu khi nhiễu loạn mất đi sau một khoảng thời gian nào đó, hoặc khả năng xác lập trạng thái ổn định mới khi sai lệch đầu vào thay đổi. 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. 1. Tiêu chuẩn ổn định đại số a. Điều kiện cần để hệ thống ổn định: Xét một hệ thống điều khiển tự động có phương trình đặc tính tổng quát sau: N(P)=anpn+....+a1p+a0 = 0 Vậy điều kiện cần để một hệ thống điều khiển tự động tuyến tính ổn định là tất cả các hệ số của phương trình đặc tính dương. Có nhiều tiêu chuẩn để xét tính ổn định của hệ thống, nhưng trong nội dung đồ án này chúng ta xét tính ổn định của hệ thống theo tiêu chuẩn ổn định Hurwitz. b. Tiêu chuẩn ổn định Hurwitz Phát biểu: Điều kiện cần và đủ để hệ thống tuyến tính ổn định là các hệ số an và các định thức Hurwitz đều dương. Cách thành lập định thức Hurwitz: Định thức có: - n cột và n hàng. - Đường chéo chính của bắt đầu từ a1 liên tiếp đến an. - Các số hạng trong cùng một cột có chỉ số tăng dần từ dưới lên trên. - Các số hạng có chỉ số lớn hơn n hay nhỏ hơn 0 ghi 0 2. Xét tính ổn định của hệ thống Xét tính ổn định của hệ thống có ổn định hay không dựa vào các tiêu chuẩn ổn định. Từ đó ta tiến hành hiệu chỉnh để hệ thống làm việc an toàn, tin cậy đặt được các yêu cầu mong muốn. Trong hệ thống truyền động điện phần đặc tính làm việc có đặc tính cơ cứng nhất là dễ mất ổn định hơn cả. Do đó ta chỉ xét ổn định ở vùng này, trong vùng này chỉ có phản hồi âm tốc độ tác dụng. Phương trình đặc trưng của hệ thống khi chưa là: =7,5.p3 + 0,132+ 1,82p + 70,4 có hệ số a0 = 7,5.; a1 = 0,132; a2 = 1,8; a3 = 70,4 - Áp dụng tiêu chuẩn ổn định Hurwitz ta có: Theo tiêu chuẩn ổn định Hurwitz thì điều kiện cần và đủ để một hệ thống ổn định là hệ số a0 = 7,5. >0 và các định thức Hurwitz phải dương. Ta thấy tất cả các điều kiện trên hệ thống đã cho đều thỏa mãn. Vậy hệ thống tuyến tính ổn định PHẦN VII : Mô phỏng hệ thống và chạy trên phần mềm Matlab I. Giới thiệu phần mền simulink. Matlab là phần mền trợ giúp cho việc tính toán và hiển thị. Nó có thể chậy trên hầu hết các loại máy tính và được điều khiển bởi số lượng lớn các lệnh, các tập lệnh các lệnh này ngày càng được mở rộng nhờ các phần Toolbox ( thư viện trợ giúp ) khác nhau hay thông qua các hàm ứng dụng được tạo lập bởi người sử dụng. Simulink là một Toolbox hỗ trọ đắc lực cho việc mô hình hóa, mô phỏng và phân tích một hệ thống động. Simulink cho phép một hệ tuyến tính, hệ phi tuyến, các mô tả hình học trong thời gian liên tục, gián đoạn hay một hệ kết hợp cả liên tục cả gián đoạn. hệ thống cũng có thể có nhiều tốc độ khác nhau có nghĩa là các phần tử khác nhau lấy mẫu và cập nhật số liệu ở gốc tọa độ khác nhau. Để mô hình hóa Simulink để cung cấp một giao điện đồ họa để xây dựng mô hình như một khối sử dụng thao tác “ drap và drop “ - “ keo và thả “ chuột. Với giao diện này có thể xây dựng mô hình như xây dựng trên giấy. Đây là sự khác biệt các phần mền mô phỏng hệ thống trước nó mà ở đó người sử dụng phải đưa vào các phương trình vi phân và các phương trình sai phân bằng ngôn ngữ lập trình khác. Việc lập trình trên Simulink sử dụng các đối tượng đồ họa gọi là Graphic programming unit - GPU. Nó được xây dựng trên cơ sở các ngôn ngữ lập trình OOP, tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho việc thay đổi giá trị các thuộc tính trong các khối thành phần. Loại lập trình này có xu thế được ứng dụng trong nhiều kỷ thuật bởi ưu điểm lớn của nó là tính trực quan, dễ viết và hình dung với người lập trình không chuyên nghiệp cũng như những người không mong muốn bỏ thời gian cho việc nghiên cứu một ngôn ngữ lập trình mới. Thư viện Simulink cũng bao gồm toàn bộ thư viện các khối như khối nhận tín hiệu, các nguồn tín hiệu, các phần tử tuyến tính và các phần tử phi tuyến, các nối chuẩn. Điều đặc biệt của chương trình này là người dùng có thể tạo ra khối thư viện riêng mình. Các mô hình bài toán trong Simulink được xây dựng có thứ bậc hay còn gọi là xây dựng theo mô hình phân cấp, điều đó cho phép ngưới sử dụng có thể xây dựng mô hình theo hướng pop down hoặc pop up. Người vừa có thể quan sát hệ thống ở mức tổng quan, vừa có thể đạt mức cụ thể bằng cách nhấp vào từng khối xác định để xem chi tiết mô hình của từng khối. Với cách xây dựng kiểu này, người dùng có thể hiểu sâu sắc tổ chức của mô hình và những tác động qua lại của phần tử trong mô hình thế nào. Sau khi xây dựng mô hình hệ thống, người dùng có thể mô phỏng nó trong Simulink bằng cách nhập lệnh trong của sổ lệnh của matlab hoặc sử dụng các menu có sẵn. Việc sử dụng các menu đặc biệt thích hợp cho các công việc có sự tác động qua lại lẫn nhau còn sử dụng dòng lệnh thường sử dụng khi chạy một loạt mô phỏng. Các bộ Scope và các khối hiển thị khác cho phếp người sử dụng theo dõi kết quả trong khi chạy mô phỏng. Hơn nữa người dùng có thể thay đỗi thông số hệ thống một cách trực tiếp và nhận biết được ảnh hưởng đến mô hình. Kết quả mô phỏng có thể đặt vào matlab để xử lý đưa ra máy in hoặc hiển thị. II. Hàm truyền của các khâu 1. Hàm truyền của khâu phản hồi tốc độ Hàm truyền của khâu phản hồi tốc độ có dạng là một khâu khuếch đại tính theo tốc độ góc: Ww = 0,01 2. Hàm truyền của khâu phản hồi dòng điện Hàm truyền của khâu phản hồi dòng có dạng là một khâu quán tính bậc nhất: WI = Trong đó: b = 0,03 TI là hằng số thời gian của bộ lọc: TI = RC Chọn R = 100W ; C = 470 mF ® TI = 100. 470.10-6 = 0,047 (s) Vậy hàm truyền của khâu phản hồi dòng là: WI = 3. Hàm truyền của bộ biến đổi Hàm truyền của bộ biến đổi có dạng cũng là một khâu quán tính: WBĐ = Trong đó: KBĐ = 32 TBĐ là hằng số thời gian của bộ biến đổi TBĐ = 0,005 (s) Vậy hàm truyền của bộ biến đổi là: WBĐ = 4.Hàm truyền động cơ Wd = Với 1/R=0,2 T=0,032 Vậy hàm truyền của động cơ: Wd = 5..Sơ đồ cấu trúc hệ thống Khi xét hàm truyền của hệ thống theo tín hiệu U thì ta bỏ qua khâu nhiễu loạn phụ tải. Từ sơ đồ nguyên lý của hệ thống ta có sơ đồ cấu trúc như hình 5.6: KW γ Hình 7.1 Sơ đồ khối của hệ thống III.Mô phỏng hệ thống. 1.Mô phỏng BBĐ của hệ thống Sơ đồ cấu trúc. Hình 7.2 sơ đồ cấu trúc bô biến đổi b) Kết quả mô phỏng. Hình 7.3 kết quả mô phỏng bộ biến đổi 2.Mô phỏng hoạt động của mạch vòng dòng điện hành trình thuận a) Sơ đồ cấu trúc. Hình 7.4 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng âm dòng điện có ngắt b).Kết quả mô phỏng. Hình 7.5 kết quả mô phỏng khâu phản hồi âm dòng điện có ngắt 3. Mô phỏng khâu phản hồi âm tốc độ của hệ truyền động 3.1 với vận tốc a) Sơ đồ cấu trúc. Hình 7.6 Sơ đồ cấu trúc phản hồi âm tốc độ với vận tốc b)Kết quả mô phỏng. Hình 7.7 kết quả mô phỏng khâu phản hồi âm tốc độ với vận tốc 3.2 Với vận tốc v a.Sơ đồ cấu trúc Hình 7.8 sơ đồ cấu trúc khâu phản hồi âm tốc độ với vận tốc v b.kết quả mô phỏng Hình 7.9 kết quả mô phỏng khâu phản hồi âm tốc độ với vận tốc v 3.3 Với vận tốc v a.Sơ đồ cấu trúc Hình 7.10 sơ đồ cấu trúc khâu phản hồi âm tốc độ với vận tốc v b.kết quả mô phỏng Hình 7.11 kết quả mô phỏng khâu phản hồi âm tốc độ với vận tốc v 4.mô phỏng khâu phản hồi âm dòng điện ở hành trình ngược a.sơ đồ cấu trúc. Hình 7.12 sơ đồ cấu trúc phản hồi âm dòng ở hành trình ngược b.kết quả mô phỏng. Hình 7.13 kết quả mô phỏng khâu âm dòng có ngắt ở hành trình ngược 5.Tổng hợp hai khâu phản hồi âm dòng có ngắt và phản hồi âm tốc độ hành trình thuận a.Sơ đồ cấu trúc Hình 7.14 sơ đồ ấu trúc tổng hợp hai khâu phản hồi hệ thống ở hành trình thuận b.kết quả mô phỏng Hình 7.15 kết quả mô phỏng tổng hợp hai khâu phản hồi của hệ thống hành trình thuận 6.Tổng hợp hai khâu phản hồi âm dòng có ngắt và phản hồi âm tốc độ hành trình ngược a.sơ đồ cấu trúc Hình 7.16 sơ đồ ấu trúc tổng hợp hai khâu phản hồi hệ thống ở hành trình ngược b.kết quả mô phỏng Hình 7.17 kết quả mô phỏng tổng hợp hai khâu phản hồi của hệ thống hành trình ngược KẾT LUẬN Đồ án tốt nghiệp là một nhiệm vụ hết sức quan trọng đối với mỗi sinh viên để có thể hoàn thành khóa học của mình. Với việc thiết kế hệ truyền động chính của máy bào giường dùng hệ chỉnh lưu động cơ một chiều, nhiệm vụ này đã giúp em có cái nhìn tổng quát hơn về việc điều khiển các máy gia công, cắt gọt kim loại và sâu hơn là điều khiển các hệ thống trong công nghiệp sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất. Sau một thời gian được giao nhiệm vụ thiết kế đề tài tốt nghiệp trên, dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Vũ Anh Tuấn , các thầy trong bộ môn và nỗ lực của bản thân em đã hoàn thành nhiệm vụ của mình. Do thời gian có hạn, chưa có nhiều kinh nghiệp thực tế, đồ án của em không tránh khỏi thiếu sót, rất kính mong các thầy cô trong bộ môn và các bạn có thể chỉ bảo thêm. Qua đây em xin cảm ơn các thầy cô giáo đã dìu dắt em trong 5 năm học vừa qua. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn đã trang bị cho em những kiến thức chuyên ngành quý giá. Đặc biệt, em xin gửi tới Thạc sỹ Vũ Anh Tuấn lời cảm ơn sâu sắc nhất, là người đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Sắp trở thành một kỹ sư điện, em sẽ luôn cố gắng không ngừng học hỏi, trau dồi thêm kiến thức và kỹ năng, áp dụng sáng tạo những hiểu biết của mình đã học vào công việc thực tế sau Vinh, ngày 14 tháng 4 năm 2011 Sinh viên: Nguyễn Xuân Tuấn TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. TruyÒn ®éng ®iÖn - Nhµ xuÊt b¶n khoa häc kü thuËt - Hµ Néi 2001. Bïi Quèc Kh¸nh - NguyÔn V¨n LiÔn - NguyÔn ThÞ HiÒn 2. M¸y ®iÖn I, II - Nhµ xuÊt b¶n khoa häc kü thuËt - Hµ Néi 1998. Vò Gia Hanh - TrÇn Kh¸nh Hµ - Phan Tö Thô - NguyÔn V¨n S¸u 3. §iÒu chØnh tù ®éng truyÒn ®éng ®iÖn - Nhµ xuÊt b¶n khoa häc kü thuËt - 2006. Bïi Quèc Kh¸nh - NguyÔn V¨n LiÔn - Ph¹m Quèc H¶i - D­¬ng V¨n Nghi 4. §iÖn tö c«ng suÊt - Nhµ xuÊt b¶n khoa häc kü thuËt - Hµ Néi 2004. Vâ Minh ChÝnh - Ph¹m Quèc H¶i - TrÇn Träng Minh 5. §iÖn tö c«ng suÊt - Hµ Néi 1993 NguyÔn BÝnh