Cải tạo mạch điện cho máy bào giường 7210, sử dụng phần mềm Matlab mô phỏng và khảo sát hệ thống

rong quá trình làm việc bàn máy di chuyển qua lại theo các chu trình lặp đi lặp lại. Mỗi chu kì gồm 2 hành trình: hành trình thuận và hành trình ngược.Trong hành trình thuận, thực hiện gia công chi tiết nên gọi là hành trình cắt gọt. Trong hành trình ngược, bàn máy lùi về vị trí ban đầu không thực hiện cắt gọt nên gọi là hành trình không tải. - Sau khi kết thúc hành trình ngược, bàn dao lại di chuyển theo chiều ngang của bàn một khoảng gọi là lượng ăn dao s (mm/hành trình kép). - Dịch chuyển của bàn dao sau mỗi hành trình kép là chuyển động ăn dao. Chuyển động phụ là di chuyển nhanh của xà, bàn dao nâng đầu dao trong hành trình ngược, nâng hạ xà ngang, nới siết xà ngang trên trụ v.v…Chuyển động tịnh tiến qua lại của bàn máy gọi là chuyển động chính. - Ngoài ra, còn có một số loại chuyển động khác như: chuyển động bôi trơn, làm mát, niết xới xà máy, cấp phôi…Đồ thị tốc độ của bàn máy và dòng điện của máy bào giường (Hình 2). Đây là dạng đồ thị thường gặp, trên thực tế thì còn có nhiều dạng đơn giản hoặc phức tạp hơn. Hình 2- Đồ thị tốc độ và dòng điện của MBG. - Giả thiết bàn máy đang ở đầu hành trình thuận và tăng tốc độ đến tốc độ V0=5¸15(m/phút) - tốc độ vào dao-trong khoảng thời gian t1. Sau khi chạy ổn định với tốc độ V0 trong khoảng thời gian t2 thì dao cắt vào chi tiết (dao cắt vào chi tiết ở tốc độ thấp để tránh sứt dao hoặc chi tiết). Bàn máy tiếp tục chạy với tốc độ ổn định V0 cho đến hết thời gian t3. +t4 tăng tốc độ từ V0¸Vth (tốc độ cắt gọt). +t5: bàn máy chuyển động với tốc độ Vth và thực hiện gia công chi tiết. +t6: bàn máy sơ bộ giảm tốc độ đến V0. +t7: bàn máy làm việc ổn định với tốc độ của bàn máy là V0. +t8: dao được ra khỏi chi tiết khi tốc độ của bàn máy là V0. +t9,t10: đảo chiều từ hành trình thuận sang hành trình ngược đến tốc độ Vng +t11: bàn máy chạy theo hành trình ngược với tốc độ Vng +t12: thời gian giảm tốc đến V0 , ở hành trình ngược để chuẩn bị đảo chiều. +t13: bàn máy chạy ổn định ở vận tốc thấp V0 để chuẩn bị đảo chiều. +t14: đảo chiều sang hành trình thuận để bắt đầu thực hiện một chu kỳkhác. - Bàn dao được di chuyển bắt đầu từ thời điểm bàn máy đảo chiều từ hành trình ngược sang hành trình thuận và kết thúc di chuyển trước khi dao cắt vào chi tiết. - Tốc độ hành trình thuận được xác định tương ứng bởi chế độ cắt. Thường thì tốc độ thuận là: Vth =5 đến (75120 ) m/ph; vận tốc gia công max, min: Vmax=75120 m/ph, Vmin=5 m/ph. - Để nâng cao năng suất của máy ta chọn:Vn > Vth(Vn = 2 đến 3 Vth). - Năng suất của máy phụ thuộc vào số hành trình kép trong một đơn vị thời gian: n == Gọi L là chiều dài hành trình của bàn máy, ta có: - Trong đó: + tđc là thời gian đảo chiều của máy. + K là tỉ số Vng/ Vth Năng suất của máy phụ thuộc vào K( tỉ lệ thuận) và tđc. Cụ thể: + Khi K tăng > 3năng suất tăng không đáng kể( do tđc tăng) + Khi Lb > 3 tđc ít ảnh hưởng năng suất phụ thuộc chủ yếu vào K Khi thiết kế truyền động chính cho MBG cần phấn đấu giảm thời gian quá trình quá độ. 1.3 Một số loại truyền động cơ bản của MBG. 1.3.1 Truyền động trục chính. - Là chuyển động tịnh tiến qua lại của bàn máy.Hệ truyền động chính của máy bào giường phải có đảo chiều vì có 2 hành trình thuận và ngược. Đồng thời cũng phải có điều chỉnh tốc độ trong cả 2 hành trình vì hành trình thuận là hành trình cắt gọt có tải tốc độ nhỏ hơn hành trình ngược là hành trình không tải nhằm mục đích giảm thời gian chết không tải lâu. - Phạm vi điều chỉnh tốc độ truyền động chính là tỷ số giữa tốc độ lớn nhất của bàn máy (tốc độ lớn nhất trong hành trình ngược) và tốc độ nhỏ nhất của bàn máy (tốc độ thấp nhất trong hành trình thuận) D = Trong đó: Vng max: tốc độ lớn nhất của bàn máy ở hành trình ngược, thường Vng max = 75 120 m/ph. Hình 3 - đồ thị phụ tải truyền động chính của MBG + Vth min : tốc độ nhỏ nhất của bàn máy trong hành trình thuận, thường Vth min = 4 6 m/ph. Như vậy: D = (12,5 ¸ 30) / 1 - Thường, hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ điện một chiều được cấp nguồn tự bộ biến đổi.Theo yêu cầu của đồ thị phụ tải (hình 3), điều chỉnh tốc độ được thực hiện theo hai vùng: +Thay đổi điện áp phần ứng trong phạm vi (5 6)/1 với mô men trên trục động cơ là hằng số ứng với tốc độ bàn thay đổi từ Vmin=(4¸6) m/phút đến Vgh= (20¸25) m/phút, khi đó lực kéo không đổi. +Giảm từ thông động cơ trong phạm vi (4.¸5)/1 khi thay đổi tốc độ từ Vgh đến Vmax =(75¸120) m/phút, khi đó công suất kéo gần như không đổi.Nhưng sử dụng phương pháp điều chỉnh từ thông thì làm giảm năng suất của máy, vì thời gian quá trình quá độ tăng do hằng số thời gian mạch kích từ động cơ lớn. Vì vậy thực tế người ta thường mở rộng phạm vi điều chỉnh điện áp, giảm phạm vi điều chỉnh từ thông, hoặc điều chỉnh tốc độ động cơ trong cả dải bằng thay đổi điện áp phần ứng. Trong trường hợp này công suất động cơ phải tăng Vmax/Vgh lần. ở chế độ xác lập, độ ổn định tốc độ không lớn hơn 5% khi phụ tải thay đổi từ không đến định mức. - Quá trình quá độ khởi động, hãm yêu cầu xảy ra êm, tránh va đập trong bộ truyền với tốc độ tác động cực đại. Đối với những máy bào giường: + Cỡ nhỏ (Lb < 3m; FK = 30 ¸ 50 kN; D = (3 ¸ 4)/1): hệ thống truyền động chính thường là động cơ không đồng bộ-khớp li hợp, động cơ không đồng bộ rôto dây quấn hoặc động cơ một chiều kích từ độc lập và hộp tốc độ. + Cỡ trung bình (Lb = 3 ¸ 5m; FK = 50 ¸ 70 kN; D = (6 ¸ 8)/1): hệ thống truyền động là F-Đ (máy phát một chiều-động cơ điện một chiều). + Cỡ nặng (Lb > 5m; FK > 70 kN; D = (8 ¸ 25)/1): hệ thống truyền động là F-Đ có bộ khuyếch đại trung gian; hoặc hệ chỉnh lưu dùng Thyristor-động cơ một chiều. 1.3.2 Truyền động ăn dao. - Là chuyển động tịnh tiến theo phương vuông góc với chuyển động chính, có tính rời rạc, xảy ra vào cuối hành trình thuận, đầu hành trình ngược. - Truyền động ăn dao làm việc có tính chất chu kỳ, trong mỗi hành trình kép làm việc một lần (từ thời điểm đảo chiều từ hành trình ngược sang hành trình thuận và kết thúc trước khi dao cắt vào chi tiết). - Phạm vi điều chỉnh lượng ăn dao là : D =(100 200)/1. Lượng ăn dao cực đại có thể đạt tới (80 100)mm/hành trình kép. - Cơ cấu ăn dao yêu cầu làm việc với tần số lớn, có thể đạt tới 1000lần/giờ Hệ thống di chuyển đầu dao cần phảI đảm bảo theo 2 chiều ở cả chế độ làm việc và di chuyển nhanh. - Truyền động ăn dao thường được thực hiện bằng động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc và hộp tốc độ. - Truyền động ăn dao có thể thực hiện bằng nhiều hệ thống : cơ khí, điện khí, thuỷ lực khí nén v.v …Thông thường sử dụng rộng rãi động cơ: động cơ điện và hệ thống truyền động trục vít - êcu hoặc bánh răng - thanh răng 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 sử dụng hộp tốc độ nhiều cấp. Nguyên tắc này tuy phức tạp hơn nguyên tắc trên nhưng có thể giữ được thời gian làm việc của truyền động như nhau vời các lượng ăn dao khác nhau. 1.3.3 Truyền động phụ. Chuyển động phụ là di chuyển nhanh của xà, bàn dao nâng đầu dao trong hành trình ngược, nân hạ xà ngang, nới siết xà ngang trên trụ v.v… Truyền động phụ đảm bảo các di chuyển nhanh bàn dao, sàn máy, nâng đầu ra trong hành trình ngược, được thực hiện bởi đông cơ không đồng bộ và nam châm điện. 1.4 Kết luận. Đặc điểm của truyền động chính của MBG là đảo chiều với tần số lớn, mô men khởi động, hãm êm, quá trình quá độ chiếm tỷ lệ đáng kể trong chu kỳ làm việc, chiều dài hành trình càng giảm ảnh hưởng đến quá trình quá độ càng tăng. Vì vậy, muốn quá trình quá độ, khởi động, hãm yêu cầu xảy ra êm tránh va đập trong bộ truyền với độ tác động cực đại ta cần chọn các hệ thống truyền động điện phù hợp với từng loại máy. 2. Giới thiệu công nghệ máy bào giường 7210. 2.1 Đặc điểm công nghệ MBG 7210. MBG 7210 thuộc loại máy bào giường cỡ trung bình có hai trụ dùng để gia công các chi tiết cỡ từ 35 m. - Động cơ truyền động chính cho máy bào giường 7210 là loại động cơ một chiều kích từ độc lập có công suất 75 Kw 2.2 Đặc điểm trang bị . 2.2.1 Sơ đồ điều khiển dạng đơn giản. Để điều khiển cho MBG 7210 trước đây người ta sử dụng một sơ đồ nguyên lí điều khiển đơn giản như hình vẽ : Hình 4-Sơ đồ hệ thống truyền động MBG hệ F-Đ Sơ đồ gồm: - Đ là động cơ điện một chiều truyền động cho bàn máy ( được cấp nguồn từ máy phát F) - MKĐ cung cấp nguồn cho cuộn kích từ máy phát - Bốn cuộn kích từ máy phát là : + CK1, CK2, CK3 nối tiếp cùng chiều có chức năng là cuộn chủ đạo phản hồi âm áp, phản hồi dương dòng điện phần ứng, phản hồi mềm sức điện động máy phát. Điện áp tổng đặt trên các cuộn có 4 thành phần tương ứng trên : + Cuộn CK4 thực hiện phản hồi âm dòng có ngắt. Tạo cho động cơ đặc tính máy xúc. Hạn chế dòng điện động cơ trong quá trình tĩnh cũng như quá độ. - KĐ động cơ KĐB rôto lồng sóc để quay máy phát F. - F máy phát một chiều, nguồn cung cấp cho động cơ. - K máy phát một chiều, nguồn cung cấp cho mạch điều khiển và kích từ của động cơ. -1V đến 4V là các Điode: + 1V và 2V ngắt theo chiều thuận và ngược. + 3V và 4V hạn chế cưỡng bức. -BĐ là bóng đèn để duy trì cưỡng bức -CB là cầu cân bằng để hạn chế hiện tượng dao động máy phát. Gồm: +Nhánh 1 là cuộn dây cân bằng CKF +Nhánh 2 là điện trở 4R +Nhánh 3,4 là điện trở 2R -CKĐ, CK1, CKK, CKF: cuộn kích từ cho Đ, MKĐ, K, F. 2.2.2 Nguyên lý hoạt động. Trong sơ đồ này, động cơ được khởi động cưỡng bức. Sau khi cho lệnh khởi động điện áp chủ đạo được đưa vào mạch kích thích của KĐM ( cuộn CK1- CK2- CK3 ), còn sức điện động của động cơ EĐ = 0, nên điện áp tổng của cuộn CK1- CK2- CK3 là U13 có giá trị cực đại và động cơ được khởi động cưỡng bức ở giới hạn cho phép do trong sơ đồ dùng khâu điện trở phi tuyến gồm hai bóng đèn BĐ và khâu phân mạch 4V – 3R – 2V ( hoặc 3V – 3R – 1V ). Khi U13 tăng điện trở BĐ tăng theo điện trở tổng mạch của các cuộn dây CK1- CK2- CK3 tăng lên. Mặt khác, khi điện áp trên các cuộn dây đó đủ lớn các van 4V và 2V mở xuất hiện dòng phân mạch iP. Dòng điện này càng lớn, khi điện áp U13 càng lớn, nhờ vậy dòng điện trong cuộn CK1- CK2- CK3 được duy trì ở mức độ cho phép hầu như không đổi trong quá trình khởi động. Trong thời gian khởi động khâu phản hồi âm dòng điện có ngắt cũng có tác dụng hạn chế dòng điện nhỏ hơn trị số dòng điện cho phép. - Để khởi động động cơ ở chế độ tự động ta ấn nút MT hoặc MN. Giả thiết, ấn MT, các công tắc tơ(CTT) KL, T và rơle R tác động, biến trở BTN bị ngắn mạch, biến trở BTT được nối vào nguồn một chiều và nối các cuộn CK1- CK2- CK3 vào điện áp chủ đạo. KĐM và F được kích từ cưỡng bức và động cơ Đ được khởi động cưỡng bức đưa bàn chạy theo chiều thuận. ở đầu hành trình thuận, công tắc hành trình 2KC bị ấn, rơle RC được tiếp điện. Nếu tốc độ cắt đã được chọn lớn hơn 1215 m/ ph- tốc độ vào dao) thì tiếp điểm RC phân mạch biến trở BTT làm điện áp chủ đạo có có trị số tương ứng với tốc độ thấp của bàn. Sau khi dao cắt vào chi tiết công tắc hành trình 2KC không bị ấn nữa, các tiếp điểm của nó được phục hồi, rơle RC bị mất điện. Tốc độ động cơ tiếp tục tăng lên trị số ứng với điện áp chủ đạo trên biến trở BTT. Cuối hành trình thuận, chổi tiếp xúc của tiếp điểm hành trình 1KH được đẩy về phía trái, một phần biến trở BTT bị ngăn mạch, Ucđ lại giảm xuống trị số điện áp tương ứng với tốc độ Vo của bàn máy, dao ra khỏi chi tiết. Sau khi công tấc hành trình 1KC bị ấn , cắt điện T, kết thúc hành trình thuận. Mặt khác, công tắc tơ N tác động , ngắn mạch biến trở BTT, đưa biến trở BTN vào mạch kích từ KĐM, máy phát được kích từ theo chiều ngược và động cơ bắt đầu quay ngược. Khi bàn máy chạy ngược công tắc hành trình 1KC và sau là chổi than tiếp xúc 1KH được trả về vị trí ban đầu để chuẩn bị cho chu kì tiếp theo. Gần cuối hành trình ngược, 2KH ngắn mạch một phần biến trở BTN làm cho tốc độ động cơ giảm xuống trị số tương ứng với tốc độ bàn là 1215 m/ ph. Hết hành trình ngược 2KC bị ấn công tắc tơ N bị mất điện, bàn đảo chiều sang hành trình thuận và tăng tốc độ đến 1215 m/ ph. - Hãm máy xảy ra sau khi ấn nút D. CTT KL, T hoặc N và rơle R mất điện. Điện áp chủ đảotên biến trở BTT hoặc BTN mất tác dụng, các cuộn dây CK1- CK2- CK3 được nối vào điện áp máy phát có dấu ngược với Ucđ trước khi hãm, dòng điện trong các cuộn CK1- CK2- CK3 đảo chiều, động cơ được hãm tái sinh. Sau thời gian duy trì của rơle R, một phần của biến trở 1R bị ngắn mạch, điện áp phản hồi bị giảm đi, quá trình hãm tái sinh chuyển sang giai đoạn thứ hai cho đến lúc dừng. 2.3 Kết luận. Với một sơ đồ đơn giản như trên, có rất nhiều hạn chế cho hoạt động của MBG 7210: động cơ không làm việc được khi: không đủ điện áp, không đủ áp lực dầu trong hệ thống bôi trơn, bàn máy di chuyển ra ngoài phạm vi cho phép, bảo đảm phạm vi điều chỉnh tốc độ thấp( 15/1, với độ sụt tốc độ không quá 6%).Ngoài ra, sơ đồ này còn có nhược điểm là: có sự liên quan giữa mạch động lực và mạch điều khiển nên khó khăn trong điều hành, sửa chữa và hiệu chỉnh cho hệ thống; Dùng nhiều động cơ nên hiệu suất thấp, cồng kềnh, ồn lớn, dễ xảy ra sự cố( do sử dụng nhiều CTT). Do vậy với những đặc điểm của MBG 7210 đòi hỏi phải có 1 sơ đồ mới (động lực và điều khiển) tối ưu hơn để khắc phục những nhược điểm trên. Chương 2 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG. Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản xuất tự động, hiện đại. TĐ điện đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Vì vậy, các hệ truyền động điện luôn luôn được quan tâm nghiên cứu nâng cao chất lượng để đáp ứng yêu cầu công nghệ mới với mức độ tự động hoá cao. Có hai hệ truyền động thường được sử dụng là đó là hệ truyền động máy phát - động cơ một chiều( F – Đ) và hệ truyền động chỉnh lưu Thyristor - động cơ 1 chiều. 2.1 Hệ truyền động F – Đ. 2.1.1 Sơ đồ nguyên lý. - Hệ truyền động F - Đ gồm có: + Động cơ Đ truyền động cho máy sx được cấp điện vào phần ứng từ máy phát F. + Động cơ sơ cấp ( động cơ điện KĐB 3 pha ) điều khiển kéo máy phát với tốc độ không đổi đồng thời ĐK kéo luôn máy phát tự kích K để cấp điện kích từ cho động cơ Đ và máy phát F. + Biến trở Rkk dùng để điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát tự kích K nghĩa là để điều chỉnh điện áp phát ra cấp cho các cuộn kích từ máy phát KTf và cuộn kích từ động cơ KT +Biến trở Rkf dùng để điều chỉnh dòng kích từ máy phát F do đó điều chỉnh điện áp phát ra của máy phát F đặt vào phần ứng động cơ Đ. + Biến trở Rkđ dùng để điều chỉnh dòng kích từ động cơ, do đó thay đổi tốc độ động cơ nhờ thay đổi từ thông. 2.1.2 Các chế độ làm việc của hệ F - Đ. Trong mạch lực của hệ F - Đ không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có những đặc tính động rất tốt, rất linh hoạtkhi chuyển các trạng thái làm việc. Động cơ chấp hành Đ có thể làm việc ở chế độ điều chỉnh được cả hai phía: kích thích máy phát F, kích thích động cơ Đ. Đảo chiều quay bằng đảo chiều dòng kích thích máy phát, hãm động năng khi IKTF = 0, hãm tái sinh khi đảo chiều hoặc khi làm việc ổn định với mômen tải có tính chất thế năng… . Hệ F - Đ có đặc tính cơ điền đầy cả 4 góc phần tư của mặt phẳng toạ độ (w, M ) (hình vẽ đặc tính cơ) - ở góc phần tư thứ I và góc phần tư thứ III tốc độ quay và mômen quay luôn luôn cùng chiều nhau. Năng lượng được vận chuyển thuận chiều từ nguồn máy phát động cơ tải. - Vùng hãm tái sinh nằm ở góc phần tư thứ II và thứ IV năng lượng vận chuyển theo chiều từ tải động cơ máy phát nguồn. Máy phát F và động cơ Đ đổi chức năng cho nhau. Hãm tái sinh trong hệ F - Đ được khai thác triệt để khi giảm tốc độ, khi hãm để đảo chiều quay. - Vùng hãm ngược của động cơ trong hệ F - Đ được giới hạn bởiđặc tính hãm động năng và trục mô men. Hình 7 - Đặc tính cơ hệ F - Đ trong chế độ hãm ngược 2.1.3 Đặc điểm của hệ F - Đ. Các chỉ tiêu chất lượng của hệ F - Đ về cơ bản tương tự các chỉ tiêu của hệ điều áp dụng bộ biến đổi nói chung. - Ưu điểm: + Phạm vi điều chỉnh tăng lên cỡ 30 1 + Điều khiển tốc độ bằng phẳng trong phạm vi điều chỉnh, tổn hao nhỏ do tiến hành trên các mạch kích từ. + Hệ điều chỉnh đơn giản. + Trạng thái làm việc linh hoạt, khả năng quá tải lớn. + Có thể thực hiện hãm một cách dễ dàng bằng nhiều cáchkhác nhau. - Nhược điểm: + Sử dụng nhiều máy điện quay nên hiệu suất thấp (70% ), cồng kềnh, tón diện tích lắp đặt, gây ồn lớn. + Công suất đặt lớn. + Vốn đầu tư ban đầu cao. + Do tốc độ nhỏ nên điều chỉnh sâu tốc độ bị hạn chế. 2.2 Hệ truyền động MKĐN - Đ. 2.2.1 Sơ đồ cấu tạo Hình 9: Nguyên lý cấu tạo của máy điện khuếch đại từ trường ngang MKĐN: thực chất cũng là một phát một chiều có cấu tạo đặc biệt gồm: - Stato: có nhiều cuộn kích từ. Trong đó: cuộn chủ đạo, cuộn phản hồi, cuộn bù. - Roto: Có bốn chổi than: Chổi 1 và 2 nối ngắn mạch với nhau => gọi là cặp chổi than ngang trục. Chổi 3 và 4 gọi là cặp chổi than dọc trục. Cấp điện áp ra của MKĐN. Hình 8 - Sơ đồ nguyên lý hê MKĐN 2.2.2: Nguyên lý hoạt động Coi MKĐN tương đương với 2 máy phát điện nối tầng với nhau thành hai cấp khuếch đại như mạch đẳng trị ( Hệ số khuếch đại K=K1+ K2 lên tới hàng vạn.) Hệ MKĐN để điều chỉnh tốc độ động cơ ( Wđ ) qua việc điều chỉnh điện áp phần ứng Uư. MKĐN gồm 4 cuộn: + CK1: Cuộn chủ đạo ( hay cuộn điều khiển ). + CK2: Cuộn phản hồi dương dòng. + CK3: Phản hồi âm áp. + CK4: Cuộn phản hồi mềm ( cuộn ổn định ). FMKĐN ( sức từ động tổng ) khi làm việc là: FMKĐN = F1 + F2 + ( - F3 ) + ( F4 ) - Ura của MKĐN quyết định tốc độ của động cơ sẽ được đặt bởi biến trở R1 ( nghĩa là trị số từ động F1 ). Cuộn phản hồi âm áp CK3 để cưỡng bức kích từ MKĐN lúc ban đầu ( vì banđầu , F3 = 0F lớn ). Sau đó lại hạn chế cưỡng bức (vì giảm do F3 tăng theo UMKĐN) và cuối cùng kết thúc quá trình cưỡng bức kích từ CK3 còn kết hợp với CK2 để ổn định tốc độ động cơ CK4 liên hệ với Ura MKĐN ( Uư động cơ ). Qua biến áp ổn định BA. Nếu ổn định BA không làm việc ổn địnhF4 = 0. Nếu UMKĐN biến đổi từ thông trong lõi từ BA biến đổi cuộn thứ cấp BA có điện và phản ánh dao động của Ura MKĐN FCK4 sẽ làm F giảm khi MKĐN tăng, làm F khi MKĐN giảm. CK4 còn có tác dụng hạn chế hiện tượng quá điều chỉnh khi có tín hiệu ( do hệ số khuếch đại K quá lớn Khâu phản hồi dương dòng và âm áp được thay thế bằng phản hồi âm tốc độ 2.2.3: Đặc điểm hệ MKĐN - Đ. - Ưu điểm: do hệ số khuyếch đại K lớn nên MKĐN được dùng nhiều trong điều chỉnh tốc độ động cơ 1 chiều có phạm vi rộng với độ ổn định cao và quán tính điện từ nhỏ. - Nhược điểm: + Sử dụng nhiều máy điện quay nên hiệu suất thấp, cồng kềnh, tốn diện tích lắp đặt, gây ồn lớn. + Công suất đặt lớn + Vốn đầu tư ban đầu cao. 2.3: Hệ truyền động T - Đ. Hình 9 – sơ đồ khối hệ T - Đ 2.3.1: Sơ đồ khối hệ T - Đ. - Hệ truyền động T - Đ là hệ truyền động động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập, điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi điện áp đặt vào phần cảm của động cơ thông qua các bộ biến đổi chỉnh lưu dùng Thyristor. - Hệ có thay đổi tốc độ và đảo chiều quay của động cơ. Việc đảo chiều quay được thực hiện bằng cách đảo chiều dòng điện kích từ IKT qua 2 bộ chỉnh lưu ba pha có điều khiển CL1 và CL2 được nối theo sơ đồ hình tia hay hình cầu. Cũng có thể dùng một bộ chỉnh lưu có điều khiển với các phương pháp đảo cực tính đầu ra bằng các tiếp điểm của rơle thay cho 2 bộ chỉnh lưu CL1 và CL2. Khi công suất kích từ nhỏ, có thể thay các bộ chỉnh lưu 3 pha CL1 và CL2 bằng các bộ chỉnh lưu Thyristor 1 pha. - Phương pháp đảo chiều quay bằng từ thông có một số hạn chế do cuộn cảm có hệ số tự cảm lớn, làm tăng thời gian đảo chiều…. Khi dùng phương pháp đảo chiều quay nhở đảo chiều dòng điện phần ứng thì sơ đồ khối như hình 12. Hình 10: Hệ T - Đ đảo chiều quay nhờ đảo chiều điện áp phần ứng Hình 11: Hệ T - Đ đảo chiều quay nhờ đảo chiều điện áp phần ứng - Động cơ Đ được điều chỉnh tốc độ qua 2 vùng : + Vùng dưới tốc độ cơ bản: Nhờ thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ qua bộ chỉnh lưu 3 pha có điều khiển CL1 (khi quay thuận) hoặc CL2 (khi quay ngược). Điện áp thay đổi luôn nhỏ hơn giá trị định mức Uđm còn từ thông là định mức đm. + Vùng trên tốc độ cơ bản: Nhờ thay đổi dòng điện kích từ (tức là thay đổi từ thông) xuống dưới giá trị định mức qua bộ chỉnh lưu có điều khiển CL3. 2.3.2.1 Chế độ dòng điện liên tục. - Dòng điện chỉnh lưu Id chính là dòng điệnphần ứng động cơ điện. Sơ đồ thay thế hệ chỉnh lưu Thyristor - động cơ 1 chiều: - Ta có phương trình đặc tính cơ cho hệ T - Đ ở chế độ dòng điện liên tục là: - Thay đổi góc từ 0 - , sđđ chỉnh lưu biến thiên từ Ed0 đến phải của mặt phẳng toạ độ [, I ] do các van không cho dòng điện phần ứng đổi chiều. Các đặc tính cơ của hệ CL - Đ mềm hơn các đặc tính cơ của hệ F - Đ bởi thành phần sụt áp UK do hiện tượng chuyển mạch giữa các van bán dẫn gây ra. Khi góc điều khiển biến thiên trong vùng 0 / 2 bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu, động cơ có thể làm việc ở chế độ động cơ nếu sđđ E còn dương và chế độ hãm ngược nếu sđđ E đổi chiều. - Khi tăng gốc điều khiển vùng / 2max và tải có tính chất thế năng để quay ngược chiều động cơ thì cả Sđđ Ed và E đều đổi dấu. Nếu Sđđ động cơ lớn hơn giá trị trung bình của sđđ của bộ BĐ thì dòng điện phần ứng vẫn chảy theo chiều cũ, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh, dưới tác dụng của sđđ động cơ mà các van Thyristor sẽ dẫn dngf trong thời gian nửa chu kì âm của điện áp lưới . Góc pha của dòng điện xoay chiều trở nên lớn hơn / 2 bộ BĐlàm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc, biến cơ năng của Thyristorải thành điện năng xoay chiều, cùng Thyristorần số lưới và trả về với lưới điện Hình 12 - Đặc tính cơ của hệ CL- Đ 2.3.2.2 Chế độ dòng điện gián đoạn. - Giá trị trung bình của dòng điện ở chế độ gián đoạn viết trong hệ đơn vị tương đối: I*đ = = - Hệ thống không thể làm việc ổn định ở vùng dòng điện gián đoạn nếu không áp dụng các phương pháp tự động điều chỉnh đặc biệt ( ví dụ hệ điều chỉnh thích nghi chẳng hạn). - Trong thực tế tính toán hệ CL - Đ chỉ cần xác định biên giới vùng dòng điện liên tục và vùng dòng điện gián đoạn. Trạng thái biên liên tục là trạng thái mà góc dẫn = và góc chuyển mạch = 0. Biên giới này được xác định bởi phương trình: +=1 - Trongđó: blt=E/U2đm I*blt = I.eL/U2m P số pha chỉnh lưu. Việc tăng số xung p kéo theo tăng tốc độ phức tạp của mạch lực và mạch điều khiển chỉnh lưu, còn khi tăng điện cảm lọc L kéo theo làm xấu quá trình quá độ và làm tăng trọng lượng, kích thước của hệ thống. 2.3.3 Đặc điểm của hệ T - Đ. - Ưu điểm: + ưu điểm nổi bật của hệ T - Đ là độ tác động nhanh, cao, không gây ồn và dễ tự động hoádo các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất cao, điều đó rất thuận lợi cho việc thiết lập các hệ tống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống . - Nhựơc điểm: + Do các van bán dẫn có tính phi tuyến dạng điện áp chỉnh lưu ra có biên độ và ở các truyền động có công suất lớn làm xấu dạng điện áp của nguồn và lưới xoay chiều hệ số công suất cos của hệ nói chung là thấp. 3. Kết luận chung. Với những ưu - nhược điểm của mình, hệ T - Đ là hệ truyền động điện phù hợp nhất với đặc điểm công nghệ của MBG 7210. Vì MBG 7210 có công suất lớn ( 75 KW ), mà hệ F - Đ thì chỉ dùng cho những hệ có công suất vừa và nhỏ. Còn hệ T - Đ thì có đặc điểm nổi bật là dùng cho những hệ có công suất lớn ( do hệ số khuếch đại công suất lớn). Hơn nữa, giá thành đầu tư và sửa chữa của hệ T - Đ rẻ hơn hệ F - Đ rất nhiều. Và đặc biệt là ở hệ T - Đ có thể thiết lập điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lượng đặc tính tĩnh và động trong khi đó hệ F - Đ thì không thể làm được như vậy. Chương 3 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 3.1 Thiết kế mạch động lực 3.1.1 Lựa chọn mạch chỉnh lưu Do yêu cầu truyền động bàn của máy bào giường là truyền động đảo chiều với tần số cao, mô men khởi động lớn, quá trình quá độ chiếm đáng kể trong quá trình làm việc. Để thoả mãn được yêu cầu đó cũng như yêu cầu cụ thể của đề tài ta có một số sơ đồ như sau Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha mắc song song ngược - Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha mắc song song ngược Để chọn được sơ đồ chỉnh lưu hợp lý cho mạch động lực, ta phải xét đến từng ưu nhược điểm của từng sơ đồ chỉnh lưu trên. - Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha mắc song song ngược: có số van ít, cho dòng qua van vừa phải, có sụt áp và tổn thất trên van ít hơn mạch chỉnh lưu hình cầu . + Nhược điểm: dạng điện áp đầu ra xấu, chỉ áp dụng cho những động cơ có công suất vừa và nhỏ - Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha mắc song song ngược: có ưu điểm là dòng qua van chỉnh lưu nhỏ, ít bị quá dòng, dạng điện áp ra bằng phẳng hơn các sơ đồ khác. Được áp dụng đối với các động cơ có công suất lớn. + Nhược điểm của sơ đồ này là có số van lớn, đảo chiều phức tạp, giá thành cao. Qua so sánh ưu diểm và nhược điểm của các sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha, hình cầu 3 pha ta chọn mạch lực cho máy bào giường có công suất 75Kw là sơ đồ hình cầu 3 pha vì nó đảm bảo được yêu cầu công nghệ của máy bào giường. - Nguyên lý hoạt động của mạch cầu 3 pha: Xét trường hợp dòng tải liên tục : + Từ và từ hai van T4và T5 cùng dẫn dòng , ,,, , , , , , , + Từ và từ hai van T5 và T6 cùng dẫn dòng , , , , , , , + Từ và sau . Hai van T1 và T6 cùng dẫn dòng , , , , , , , , , + Từ . Hai van T1 và T2 cùng dẫn dòng: , , , , , , , + Từ . Hai van T2 và T3 cùng dẫn dòng: , , , , , , , + Từ . Hai van T3 và T4 cùng dẫn dòng: , , , , , , , , + Từ thì sơ đồ lập lại trạng thái 3.1.2 Lựa chọn phương án đảo chiều Do chỉnh lưu Thyristor dẫn dòng theo một chiều và chỉ điều khiển được khi mở, khóa theo điện áp lưới. Nên T- Đ thực hiện điều chỉnh khó khăn và phức tạp. Điều khiển hệ T- Đ đảo chiều yêu cầu an toàn kĩ thuật cao. Để làm được điều đó ta có hai phương pháp điều khiển sau: - Giữ nguyên và đảo chiều : không thích hợp với máy bào giường vì thời gian điều chỉnh lâu, thời gian quá độ lớn. Khi đảo chiều dòng lớn sinh ra tia lửa điện trên chổi than và vành góp làm giảm tuổi thọ của máy điện. - Giữ nguyên và đổi chiều quay phần ứng với phương pháp này có một số phương án đảo chiều sau: + Đảo chiều phần ứng bằng công tắc tơ chuyển mạch: quá trình điều chỉnh lâu, tần số thấp. Do sử dụng công tắc tơ nên sinh ra hồ quang . + Đảo chiều phần ứng bằng hai sơ đồ chỉnh lưu đấu song song ngược. Đảo chiều với tần số cao, phù hợp với máy bào giường công suất lớn, thời gian quá độ do đảo chiều nhỏ. Qua phân tích các phương pháp đảo chiều, để phù hợp với yêu cầu của máy bào giường ta chọn phương án dùng hai sơ đồ chỉnh lưu mắc song song ngược 3.1.3 Phương án điều chỉnh tốc độ Trên phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm hơn so với các loại động cơ khác, có cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản hơn, đạt chất lượng điều chỉnh cao. Thực tế để điều chỉnh tốc độ động cơ ta dùng phương pháp điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ Giả thiết : - Nhận xét: + Khi điện áp giảm thì của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định nên phương pháp này điều chỉnh trơn tốc độ và hạn chế dòng khởi động. + Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên động cơ cũng không đổi. Tốc độ không tải lý tưởng còn tùy thuộc vào giá trị điện áp của hệ thống đồng thời = const . Do đó có thể nói phương pháp này là triệt để. + Tốc độ lớn nhất và nhỏ nhất của dải điều chỉnh : + Dải điều chỉnh 3.1.4 Phương pháp ổn định tốc độ - Để phù hợp với yêu cầu của máy bào giường ta dùng phản hồi âm tốc độ để ổn định tốc độ cho hệ thống. - Để hạn chế tốc độ cho phụ tải ta dùng khâu phản hồi âm dòng có ngắt. 3.1.5 Sơ đồ mạch lực Sơ đồ gồm : Nguồn áp 3 pha được cung cấp cho máy biến áp 3 pha nhằm mục đích tạo ra nguồn điện áp thích hợp cho bộ biến đổi Máy biến áp nguồn nối Y/Y0 có nhiệm vụ: cách ly giữa lưới điện và xoay chiều và động lực mạch chỉnh lưu. + Hạn chế quá áp từ bên ngoài truyền vào bộ biến đổi T1 T12 làm nhiệm vụ chỉnh lưu T1 T6 cung cấp điện áp cho động cơ quay thuận. T7 T12 cung cấp điện áp cho động cơ quay ngược. R, C là trở và tụ điện dùng để bảo vệ cho Thyristor không bị đánh thủng trong quá trình quá độ. CB1, CB2 là các quận khang cân bằng 3.2 Thiết kế mạch điều khiển 3.2.1 Mạch phát xung 3.2.1.1 Chọn phương pháp phát xung Để cho các van của bộ biến đổi mở tại điểm mong muốn ta cần có mạch phát xung điều khiển đưa đến mở các Thyristor tại các thời điểm yêu cầu như: biên độ, tần số, công suất và thời gian tồn tại để mở chắc chắn các van với mọi tải mà sơ đồ gặp phải khi làm việc. Có 3 phương pháp phát xung được sử dụng: a. Phương pháp điều khiển theo pha ngang: - Ưu điểm : có mạch phát xung đơn giản - Nhược điểm: góc mở hẹp, rất nhạy với sự thay đổi của điện áp nguồn, khó tổng hợp được thành tín hiệu điều khiển Do đó hệ thống điều khiển theo pha ngang không phù hợp với yêu cầu của máy bào giường. b. Phương pháp điều khiển theo diode cực gốc - Ưu điểm: đơn giản - Nhược điểm : chỉ phù hợp với hệ thống công suất nhỏ, đảo chiều khó Do vậy không phù hợp với máy bào giường. c.Phương pháp điều khiển theo pha đứng: Ưu điểm: + Độ rộng xung đảm bảo yêu cầu làm việc. + Tổng hợp tín hiệu dễ dàng + Góc mở của Thyristor dễ dàng thay đổi được trong khoảng rộng. +Độ dốc sườn trước của xung đảm bảo có hệ số khuếch đại phù hợp, làm việc tin cậy, chính xác với độ nhạy cao + Điều khiển được hệ có công suất lớn Nhược điểm: mạch phát xung phức tạp. Để đáp ứng được yêu cầu công nghệ của máy bào giường 7210 ta chọn phương pháp điều khiển theo pha đứng. 3.2.1.2 Sơ đồ khối phát xung Các mạch phát xung theo nguyên tắc pha đứng có thể chia thành các khối sau: - UL : điện áp lưới điện xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu - URC: Điện áp răng cưa. - UDK: Điện áp điều khiển, là điện áp được đưa vào để điều khiển góc mở - Udk T : Điện áp điều khiển Thyristor là chuỗi các xung điều khiển lấy từ đầu ra hệ thống điều khiển, được truyền tới cực G của Thyristor 3.2.1.2.1 Mạch đồng bộ hóa phát sóng răng cưa Để tạo ra một hệ thống các xung xuất hiện lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và điều khiển được thời điểm xuất hiện xung trong mỗi chu kỳ ta phải sử dụng các mạch phát xung. Để điều khiển được các tín hiệu điều khiển nó là tín hiệu cũng biến đổi một cách chu kỳ thì ta phải tạo ra các điện áp dạng răng cưa, để làm được điều đó ta phải có mạch phát sóng răng cưa. Để có điện áp dạng răng cưa có tần số và thời điểm đầu của mỗi xung răng cưa phù hợp với tần số và góc pha của nguồn xoay chiều cung cấp cho mạch chỉnh lưu thì tốt nhất là sử dụng các sơ đồ tạo điện áp răng cưa được điều khiển bởi điện áp biến thiên cùng tần số. Để có dạng điện áp này thì người ta sử dụng một mạch điện gọi là mạch đồng bộ hóa, và điện áp ra của bộ biến đổi là điện áp đồng bộ. a. Mạch đồng bộ hóa Để tạo ra điện áp đồng bộ đảm bảo cấc yêu cầu đặt ra, người ta thường sử dụng hai kiểu mạch đơn giản: - Mạch phân áp bằng các điện trở hoặc bằng các điện trở kết hợp điện dung hay điện cảm. Trong mạch đồng bộ này điện áp vào là điện áp lưới, điện áp xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, điện áp ra cũng là điện áp xoay chiều hình sin có cùng tần số trùng hoặc lệch một góc pha xác định. Kiểu mạch này ít dùng vì có sự liên hệ trực tiếp về điện giữa mạch động lực và mạch điều khiển bộ chỉnh lưu. - Mạch đồng bộ dùng máy biến áp. Trong trường hợp này người ta sử dụng một máy biến áp công suất nhỏ, thường là máy biến áp hạ áp để tạo ra điện áp đồng bộ. Điện áp lưới u1 được đặt vào cuộn sơ cấp còn bên thứ cấp ta lấy ra điện áp đồng bộ uđb . Máy biến áp để tạo ra điện áp đồng bộ gọi là máy biến áp đồng bộ và ký hiệu là: BAĐ (có thể là một pha hoặc nhiều pha). Như vậy trong trường hợp này ta sẽ sử dụng máy biến áp đồng bộ để tạo ra điện áp đồng bộ. b. Mạch phát sóng răng cưa Có rất nhiều sơ đồ tạo điện áp răng cưa. Tuy nhiên để tạo ra được điện áp răng cưa xuất hiện ở cả hai nửa chu kỳ của điện áp đồng bộ và để đảm bảo hệ số điện áp răng cưa ra. Nên ta sử dụng mạch phát sóng răng cưa như sau: Mạch điện áp răng cưa gồm có tranzitor Tr tụ C1 và vi mạch khuếch đại thuật toán OA mắc theo mạch tích phân. - Nguyên lý hoạt động : Tín hiệu đầu ra của khối đồng bộ hoá được đưa tới đầu vào mạch tạo điện áp răng cưa. Giả thiết Tr khoá thì tụ C được nạp bởi dòng đầu ra của KĐTT, dòng nạp của tụ được xác định : ic » - i1 + iv = - i1. Mà i1 = Ucc /(WR + R3) = I =const Þ Khi Tr1 khoá thì Tụ C1 được nạp bởi dòng điện không đổi I. Vậy ta có : Từ t = 0 thì uđb = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương, dẫn đến D1 mở nên uBE của Tr1 bị đặt điện áp ngược nên Tr1 khoá, tụ C1 được nạp điện bởi dòng không đổi. Điện áp trên tụ C tăng dần theo quy luật tuyến tính. Đến t = và bắt đầu chuyển sang âm. D khoá, Tr mở nên tụ C phóng điện nhanh qua Tr1 đến điện áp bằng không và giữ nguyêngiá trị bằng không cho đến t = 2. Tại t = 2, điện áp đồng bộ bằng không và bắt đầu chuyển sang dương, D lại mở, Tr lại khoá, tụ C lại được nạp điện như từ t = 0_bắt đầu một chu kì tiếp theo. Với giả thiết KĐTT là lý tưởng thì hệ số khuếch đại là vô cùng lớn, vậy nếu KĐTT đang ở chế độ khuếch đại tuyến tính thì điện giữa 2 đầu vào được xem là bằng 0 (uv = 0). Từ sơ đồ ta có: urc = uc1 + uv = uc . Tức là điện áp răng cưa đầu ra của sơ đồ bằng điện áp trên tụ C. Đồ thị điện áp răng cưa được biếu diễn như sau: Do điện áp răng cưa là điện áp ra của KĐTT nên có nội trở rất nhỏ, vì vậy dạng điện áp đầu ra hầu như không phụ thuộc tải mắc ở đầu ra mạch phát sóng răng cưa. 3.2.1.2.2 Mạch so sánh Việc so sánh điện áp răng cưa và điện áp điều khiển có thể thực hiện bằng Tranzitor và vi mạch điện tử. Việc ghép nối tín hiệu có thể là nối tiếp hoặc song song miễn là đảm bảo tín hiệu răng cưa và tín hiệu điều khiển có tác dụng ngược chiều nhau. + Phương pháp so sánh nối tiếp có ưu điểm là chính xác nhưng khi tín hiệu răng cưa có dạng xoay chiều thì việc so sánh gặp nhiều khó khăn. Ngoài ra việc so sánh bằng Tranzitor tuy đơn giản nhưng không chính xác vì Tranzitor không thể mở khi [ Urc - Uđk] = 0 . + Việc 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, do đó để thực hiện chức năng so sánh ta dùng vi mạch khuyếch đại thuật toán mắc song song như sau: - Điện áp răng cưa lấy từ đầu ra của mạch phát sóng răng cưa, điện áp điều khiển được lấy từ đầu ra của bộ khuyếch đại trung gian (KĐTG) đưa qua R5. như vậy điện áp vào khối so sánh là Uv = Urc +Uđk . - Nguyên lý hoạt động: + Giả sử Điện áp răng cưa và điện áp điều khiển có dạng như hình vẽ các điện áp URC, UC có cực tính ngược nhau được đặt vào cổng đảo OA. Điện thế cổng đảo: Nếu Rc=Rr thì: Vì U+=0 nên + Từ thời điểm thì khi đó điện áp . + Từ thì lúc này D phân cực ngược . + Trong giai đoạn từ thì + Trong giai đoạn từ D bị phân cực ngược Các giai đoạn tiếp theo diễn ra tương tự và lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa. Giả sử thời điển van mở tự nhiên Ti là: thì góc điều kiển được xác định như hình vẽ với dạng điện áp răng cưa không đổi khi điện áp Uđk tăng thì góc tăng. 3.2.1.2.3 Mạch sửa xung và khuếch đại xung Từ nguyên lý hoạt động của khâu so sánh mà độ dài xung thường thay đổi theo góc mở a. Do đó ta phải có mạch sửa xung và khuếch đại xung để đảm bảo độ rộng của xung ra đủ mức cần thiết. + Sơ đồ mạch sửa xung và khuếch đại xung như sau, để tiện cho việc khảo sát ta vẽ cả mạch so sánh: - Nguyên lý làm việc : Mạch sửa xung và khuếch đại xung gồm có các phần tử sau: + Tụ C2 ,R6, còn có nhiệm vụ lọc tín hiệu và cách ly giữa mạch so sánh và mạch khuếch đại. +Transistor Tr2 ,D2 , R7, R8 làm nhiệm vụ khuếch đại đệm . + Transistor Tr3 ,Tr4 , D3, D4, D5, R9 tạo thành mạch Darlington ,đây là khâu khuếch đại có hệ số khuếch đại dòng là: b = b1 . b2 (Với b1 , b2 là hệ số khuếch đại xung của Tr3 và Tr4.) + Khi chưa có xung vào hai Transistor Tr3và Tr4 chưa làm việc, chưa có dòng chạy qua cuộn sơ cấp BAX nên không có xung điện áp (Uđk) trên đầu ra của cuộn thứ cấp BAX. Giả sử tại một thời điểm nào dó trên đầu ra của mạch sửa xung có tín hiệu điều khiển là 1,dẫn đến Tr3 và Tr4 đều mở. Giả thiết mở bão hoà nên trên cuộn sơ cấp được đặt điện áp bằng +UCC nên xuất hiện dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp của BAX tăng dần có dấu (**) như hình vẽ dẫn đến trên cuộn thứ cấp của BAX xuất hiện một xung điện áp có cực tính dương ở phía dấu (*) và xung ra qua D7 và truyền đến cực điều khiển G của Thyristor 3.2.2 Khâu phản hồi âm tốc độ - Gồm 1 máy phát tốc, trục của máy được nối với động cơ, điện áp của máy phát tốc tỉ lệ với tốc độ quay của động cơ và do đó sức từ động của cuộn phản hồi tốc độ Ftđ cũng tỉ lệ với tốc độ quay của động cơ. - Khi phụ tải động cơ thay đổi tốc độ động cơ thay đổi dần, dẫn tới dòng điện qua cuộn phản hồi âm tốc độ cũng thay đổi - Khi phụ tải tăng tốc độ động cơ giảm làm cho điẹn áp máy phát tốc giảm, điện áp này sẽ tác động vào bộ biến đổi làm cho địên áp UĐ tăng lên làm cho tốc độ động cơ tăng Ngươc lại khi phụ tải giảm tốc độ động cơ tăng làm cho điện áp máy phát tốc tăng tác động vào bộ biến đổi cho địên áp UĐ giảm xuống làm cho tốc độ động cơ giảm. Trong đó: là hệ số truyền. n tốc độ của máy phát tốc. - Sơ đồ khâu tổng hợp mạch vòng âm tốc độ - Tín hiệu phản hồi âm tốc độ được lấy qua máy phát tốc có trục nối cứng với trục động cơ. Tín hiệu này tỷ lệ với tốc độ động cơ qua hệ sơ tuyến của máy phát tốc. Mạch này gồm vi mạch khuếch đại thuật toán OA và các linh kiện liên quan. Trong đó tín hiệu đầu vào OA là U0 và tín hiệu phản hồi âm độ gn và được khuếch đại lên Kw lần với cực tính ngược lại. Tín hiệu này sau khi được tổng hợp sẽ được đến khâu tổng hợp tín hiệu điều khiển, sau đó đưa đến khâu so sánh. 3.2.3 Khâu phản hồi âm dòng có ngắt - Khâu phản hồi âm dòng có ngắt không phải tham gia hoàn toàn vào hệ thống, chỉ khi động cơ bị quá tải hoặc lúc khởi động máy Uđo > Uss lúc đó phản hồi âm dòng có ngắt mới tham gia vào hệ thống. - Tín hiệu phản hồi âm dòng có ngắt được lấy từ Rđo có trị số nhỏ, mắc nối tiếp với phần ứng động cơ Uđo = Iđ.Rđ0 - Khi dòng điện này vượt quá dòng điện ngắt tới hạn thì tín hiệu phản hồi được đặt vào bộ khuyếch đại, khi nhỏ hơn dòng điện ngắt tới hạn thì cắt bỏ phản hồi dòng điện. - Khâu tổng hợp tín hiệu phản hồi âm dòng có ngắt Mạch này gồm các khuếch đại thuật toán OA và điốt D, tín hiệu phản hồi dòng được thực hiện bởi bộ biến dòng BI qua bộ chỉnh lưu cầu điốt 1 pha để tạo ra tín hiệu phù hợp bởi điện trở điều chỉnh WR3 (biến trở) tín hiệu này được đưa vào đầu vào OA. Đầu ra của tín hiệu được đưa đến tổng hợp với tín hiệu phản hồi âm tốc độ. Khi Iư < Ing thì tín hiệu phản hồi âm dòng không tham gia vào hệ thống Khi Iư > Ing, Iư tăng dần lên làm cho điện áp đầu ra của OA càng âm hơn khi đó điốt D sẽ mở phản hồi âm dòng có ngắt sẽ tham gia vào hệ thống 3.2.4 Mạch tạo nguồn nuôi - Do trong mạch có sử dụng khuếch đại thuận toán ta cần phải sử dụng hai nguồn nuôi ngược dấu nối tiếp nhau và có đặc điểm chung là điểm nối mát. Ta thiết kế sơ đồ mạch này như sau: Điện áp xoay chiều được chỉnh lưu nhờ hai sơ đồ chỉnh lưu hình cầu, điện áp ra được ổn định nhờ các vi mạch ổn áp và được lọc bởi các tụ đưa ra hai nguồn +12v và -12v có điểm chung là 0 của máy biến áp. Hai nguồn này sẽ nuôi cho các vi mạch và làm nguồn điện áp ngưỡng. Mặt khác điện áp lưới lớn khiến cho ta chỉ cần chọn các tranzitor khuếch đại công suất có dòng nhỏ. Chương 4 TÍNH CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN 4.1 Tính chọn thiết bị mạch động lực 4.1.1 Lựa chọn động cơ điện Căn cứ vào số liệu đã cho ta chọn động cơ điện một chiều kích từ độc lập , có các thông số sau : Kí hiệu Pđm (KW) Uđm (V) nđm (V/P) Iđm (A) n (%) GD2 (kgm2) Rưå (W) Lưå (H) p -92 75 220 1500 381 89,5 7,0 0,0253 0,0021 4.1.2 Tính chọn van động lực - Điều kiện chọn:Với điều kiện khi có một cánh tản nhiệt với đủ diện tích bề mặt cho phép van làm việc tới 40% IđmT (I đmT ³2,5 Ilv). - Theo tài liệu ĐTCS lý thuyết _thiết kế và ứng dụng (tác giả Lê Văn Doanh) I đmT ³2,5 Ilv UngmaxT ³ Ulv Ulv =knv.U2 = knv .Ud/ ku + Trong đó: knv:hệ số điện áp ngược ku:hệ số điện áp tải Tra bảng 8.2(trang 243_ĐTCS) có:knv=2,45 ku=2,34 UngmaxT=kdt.Ulv= Ilv = Ihd =khd .Id + Trong đó: khd:hệ số hiệu dụng Tra bảng 8.2(trang 243_ĐTCS) có:khd=0,58 Ilv = I đmT =ki.Ilv + Trong đó: ki:là hệ số dự trữ dòng của Thyristor Tra bảng ki=2,5 Iđm của Thyristor cần chọn I đmT = Theo bảng phụ lục 2(trang257_ĐTCS) Chọn Thyristor C431E1 có các thông số sau: Unmax(V) Iđmmax(A) IGmax(mA) UGmax(V) du/dt(V/s) Tmax(0C) tcm() 500 600 150 5 200 125 200 4.1.3 Tính chọn MBA chỉnh lưu - Công suất biểu kiến của máy biến áp : S = Ks* Uđ* Iđ + Ks: hệ số công suất Tra bảng 8.2 (trang 248_ĐTCS ) có Ks=1,05 + Mà Pd=Pđm/ỗ = S= + Có điện áp phía sơ cấp của MBA U1 = 380V Điện áp thứ cấp của MBA được tính: - Phương trình cân bằng điện áp khi có tải: Ud0 .cosMin = Ud +2UV +Udn +UBA + Trong đó: - Min =100 là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới. - UV =1,6 V là sụt áp trên Thyristor - Udn 0 là sụt áp trên dây nối - UBA = 6%Ud là sụt áp trên điện trở và điện kháng MBA UBA =6.220/100=13,2(V) - Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có: Ud0 = (Ud +2UV +Udn +UBA)/cosmin =220 + 2.1,6 +13,2/cos 100=240(V) U2 = Ud0 /ku =240/2,34=102,56(V) Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA I2=Idd=381=311(A) Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của MBA : I1 = kBA.I2 =U2/U1.I2=102,56/380=83,96(A) 4.1.4 Chọn cuộn kháng lọc LckL = LL - Lư - LBA Trong đó: - LckL: Điện cảm cuộn kháng lọc cần mắc thêm; - LL : Điện cảm cần thiết để lọc thành phần sóng hài dòng điện - Lư : Điện cảm của tải. - LBA : Điện cảm của máy biến áp. - Tính LL: + Chọn góc mở cực tiểu min = 10o.Khi góc mở nhỏ nhất = min điện áp trên tảI lớn nhất: Udmax=Udo.cosmin =Ud đm (tương ứng với tốc độ động cơ lớn nhất nmax=nđm) - Khi góc mở lớn nhất := max điện áp trên tảI là nhỏ nhất Udmin=Ud0.cosmax  (tương ứng với tốc độ động cơ là nhỏ nhất) - Ta có : max =arccosUdmin/Ud0=arccos(Udmin/2,34.U2) + Với Udmin được xác định như sau: D = Udmin = . - Mà phạm vi điều chỉnh tốc độ truyền động chính của MBG: D = (12,5 -30)/1 Ta được: Udmin = Vậy: max= arcos= arcos 87,170 Điện cảm cần thiết để lọc thành phần sóng hài dòng điện: LL = Trong đó: - LL: Trị số điện cảm lọc cần thiết (H). - Idđm : Dòng điện định mức của bộ chỉnh lưu; Idđm = 381 (A). - = 2f = 2 . .50 = 314 (rad/s) - K = 1, 2, 3… là bội số sóng hài. - m: số lần đập mạch trong một chu kỳ; Với chỉnh lưu hình cầu ba pha, m = 6. - Udn.max: Biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu (V) LL=Udo.cosmin100/.1.6.314..83,96 - I1*%: Trị số hiệu dụng của dòng điện sóng cơ bản lấy tỷ số theo dòng điện định mức của chỉnh lưu. Trị số này cho phép I1*% < 10%Iđm.. Vậy, chọn I1*% = 38,1(A). LL = - Tính Lư Điện cảm phần ứng của động cơ điện một chiều được tính theo công thức: Lư = Kd . + Trong đó: - Kd = 0,1 0,25: Đối với động cơ có cuộn bù; chọn Kd = 0,25. - nđm : Tốc độ quay định mức của động cơ; nđm = 1500 vòng/phút. - Uđm : Điện áp định mức của động cơ; Uđm = 220 (V). - Iđm : Dòng điện định mức của động cơ; Iđm = 381(A). - p: Số đôi cực của động cơ; p = 2. Thay số vào ta được: Lư = - Tính LBA + Điện cảm của máy biến áp LBA , được tính theo công thức: LBA = 2. Trong đó: - un%: Điện áp ngắn mạch phần trăm của máy biến áp, thông thường un % = (1518)% Uđm . Chọn un%= 30 V - U2: Điện áp pha thứ cấp máy biến áp; U2 =102,56 (V) - = 2f = 2 . .50 = 314 (rad/s) - I2 : Dòng thứ cấp máy biến áp; I2 = 311(A) + Thay số vào ta được : LBA = + Điện cảm của cuộn kháng lọc là: LckL = 2,8-0,46-0,63=1,71(mH) - Ta chọn cuộn kháng lọc có các thông số sau: + Tổng trở cuộn kháng: Zk=Xk=m.2f.LckL = + Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc: U = ZckL. = + Công suất cuộn kháng lọc: S= U. = 4.1.5 Chọn máy phát tốc - Đây là thiết bị dùng để thực hiện phản hồi âm tốc độ. Nó được nối cứng trục với động cơ hoặc qua bộ truyền. Việc chọn máy phát tốc căn cứ vào kinh nghiệm, sau đó kiểm tra lại độ sụt tốc độ trên đặc tính cơ. Nếu đảm bảo cứng thì việc chọn thoả mãn. Điều kiện chọn: nđmFT ³ nđmđ.cơ - Căn cứ vào đó ta chọn máy phát tốc có số liệu sau: Mã hiệu Uđm (V) ndm (v/p) Ids (A) Ru (W) 7-100 100 1500 0.08 200 - Hệ số truyền của máy phát tốc: - Điện áp của máy phát tốc được đưa vào bộ khuyếch đại nên ta chỉ lấy một phần điện áp qua chiết áp. Ta lấy UT = 12.5 (V). - Hệ số truyền thực tế là: 4.2 Tính chọn mạch điều khiển - Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor.Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển : +)Điện áp điều khiển Thyristor Uđk=3(V) +)Dòng điện điều khiển Thyristor Iđk=0,1(A) +)Thời gian mở Thyristor Tm=80 +)Độ rộng xung điều khiển Tx=600 +)Tần số xung điều khiển fx=3(khz) +)Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển U= 4.2.1 Tính chọn BA xung Chọn vật liệu làm lõi là sắt ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có: B = 0,3 T; H = 30 A/m, không có khe hở không khí. - Tỷ số biến áp xung: thường m = 2 3, chọn m = 3. - Điện áp cuộn thứ cấp của biến áp xung: U2 = Uđk = 3,0 V. - Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = m.U2 = 3.3 = 9 V. - Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung: I2 = Iđk = 0,15 A. - Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung: I1 = I2/m = 0,15/3 = 0,05 A. - Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: Trong đó = 1,25.10-6 H/m là độ từ thẩm của không khí. 4.2.4 Tính chọn khâu khuếch đại xung - Chọn TR4 loại P605 làm việc ở chế độ xung có UCE=40 (V) Icmax =1.5 (A); b = 20¸60 (ms) chọn Ic =0.4 (A); b=20; - Chọn TR3 loại MP25 có: UCE =40 (V) ICmax = 300 (mA) b= 13 ¸ 25 Þ Chọn Ic =40 (mA); b=20 có IBtr3 =40/20=2 (mA) 4.2.2 Tính chọn khâu so sánh - Khuếch đại thuật toán chọn loại TL084 có các thông số sau: - Điện áp nguồn nuôi: VCC = 18 V, chọn VCC = 12 V - Hiệu điện thế giữa 2 đầu vào : 30 V. - Nhiệt độ làm việc: T = -25 85oC. - Công suất tiêu thụ: P = 680 mW. - Tổng trở đầu vào: Rin = 106 M - Dòng điện đầu ra: Ira = 30 pA. - Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du /dt = 13 V/s Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuếch đại thuật toán chọn 6 IC loại TL084 do hãng Texas Intruments chế tạo . Sơ đồ chân IC TL084: Chọn R4 và R5. Chọn : R4 = R5 > 4.2.3 Tính chọn khâu đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa Điện áp được hình thành do sự nạp của tụ C1. Mặt khác để bảo đảm điện áp có trong nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được Tr = R3.C1 =0.005 s Chọn tụ C1= 0,1 F thì điện trở R3= Tr/ C1 = 0,005/(0,1.10-6) Vậy R3 = 50.103 = 50 k . - Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch , R3 thường chọn là biến trở lớn hơn 50 k .Chọn tranzito Tr loại A564 có các thông số sau: - Tranzito loại PNP, làm bằng Si. - Điện áp giữa colectơ và bazơ khi hở mạch emitơ : UCBO = 25 V. - Điện áp giữa emitơ và bazơ khi hở mạch colectơ : UBEO= 7 V. - Dòng điện lớn nhất ở colectơ có thể chịu đựng : ICmax= 100 mA. - Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : Tcp= 1500C - Hệ số khuyếch đại : = 250 - Dòng cực đại của bazơ : IB3= IC/ = 100/250 = 0,4 A. - Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào bazơ của tranzito Tr1 được chọn như sau: + Chọn R2 sao cho R2 = UNmax/ IB= 12/ (0,4.10-3) = 30 k + Chọn R2 = 30 k + Chọn điện áp xoay chiều đồng pha : UA =9V - Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật toán ,thường chọn R1 sao cho dòng vào khuếch đại thuật toán Iv < 1mA . +Do đó R1>= UA / Iv = 9/(1.10-3) = 9 k + Chọn R1 = 10 k. 4.2.5 Tính chọn mạch tạo nguồn nuôi - Cần tạo nguồn điện áp để nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp . Theo tài liệu ĐTCS (tác giả Lê Văn Doanh) chọn mạch chỉnh lưu cầu 3 pha dùng diode. + Điện áp thứ cấp MBA nguồn nuôi: U2= + Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812 và 7912 thông số của vi mạch này Uv= Ura=12(V) Với IC 7812 và -12(V) Với IC 7912 + Dòng điện đầu ra Ira= + Tụ điện C4, C5 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao . + Chọn C4=C5 =C6=C7=470 4.3 Tính chọn thiết bị bảo vệ 4.3.1 Bảo vệ quá nhiệt cho van bán dẫn Khi làm việc với dòng điện chạy qua, trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất P, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác van bán dẫn chỉ được làm việc ở dưới nhiệt độ cho phép (Tcp = 125oC).Chính vì vậy ta phải chọn chính xác hệ thống tản nhiệt để van làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt. - Tính toán cánh tản nhiệt: + Tổn thất công suất trên một thyristor: P = U. Ilv = 230.1,6 = 368 ( W). + Diện tích bề mặt toả nhiệt: Sm = + Trong đó: - P: tổn hao công suất (W); - : độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường(0C) + Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 40oC. Nhiệt độ làm việc cho phép của Thyristor Tcp = 125oC. Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv = 80oC. = Tlv - Tmt = 80 - 40 = 40oC. - Km: Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. (W/m2.0C) + Chọn Km=32 (W/m2.0C) + Sm=368/32.40=0,2875(m2) + Chọn cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh 10x10(cm2) + Tổng diện tích cánh tản nhiệt: S=(cm2)=0,24(m2) 4.3.2 Bảo vệ quá dòng điện Để bảo vệ quá dòng điện ta dùng Aptomat .Theo tài liệu ĐTCS(tác giả Lê Văn Doanh). Điều kiện chọn Aptomat : UATMđm ³ Uđm IATMđm ³ Kqt*Ki*Kd*Iđm + Trong đó: Kqt = 1.1 ¸ 1.2 là hệ số quá tải cho phép Ki = 0.82 là hệ số phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu Kd =1.05 là hệ số dự trữ dòng điện tính đến khả năng sai khả năng sai khác giữa dòng anot và dòng chỉnh lưu Id. Ta có: IATMđm ³ 1,2 . 0,82 . 1,05 . 381= 393,6 (A) 4.3.3 Bảo vệ quá áp - Bảo vệ quá diện áp do quá trình dóng cắt tiristo được thực hiện bởi cách mắc R – C song song với Thyristor. - Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sđđ cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anôt và catôt của Thyristor. Khi có mạch R – C mắc song song, tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Thyristor không bị quá điện áp. Sơ đồ cách mắc: Với các giá trị thường lấy:R1 = 5 30 ; C1 = 0,25 4 F. +Bảo vệ quá điện áp từ lưới: +Ta mắc mạch R-C như trên hình sau: +Nhờ có mạch lọc mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Trị số RC được chọn: R2 = 12,5 ; C2 = 4 F.