Đề tài Thiết kế hệ thống truyền động chính máy tiện

òn lại nối với nguồn xoay chiều. Nếu điện cực nối chung là katôt, ta có sơ đồ katôt chung, nếu điện cực nối chung là anôt, ta có sơ đồ nối anôt chung. Hệ thống điện áp nguồn xoay chiều m pha phải có điểm trung tính. Trung tính nguồn là điện cực còn lại của điện áp chỉnh lưu b) Sơ đồ hình cầu: Đặc điểm của sơ đồ chỉnh lưu cầu: Số van chỉnh lu bằng 2 lần số pha của điện áp nguồn cung cấp, trong đó có m van có katôt nối chung (các van 1, 3, 5) tạo thành cực dương của điện áp nguồn ; m van có anôt chung ( 2, 4, 6) tạo thành cực âm của điện áp chỉnh lưu Mỗi pha của điện áp nguồn nối với 2 van, 1 ở nhóm anôt chung, 1 ở nhóm katôt chung. Hình 2-9: Sơ đồ nguyên lý hệ thống CL- Đ hình cầu 3 pha và sơ đồ thay thế 2. Nguyên lý làm việc của BBĐ xoay chiều - một chiều a) Sơ đồ tia: Xét sơ đồ tia 3 pha katôt nối chung Để một Thyristor mở cần có 2 điều kiện Điện áp Anôt - Katôt phải dương ( UA > 0) Có tín hiệu điều khiển đặt vào điện cực điều khiển và Katôt của van Do đặc điểm vừa nêu mà trong sơ đồ tia 3 pha các van chỉ mở trong một giới hạn nhất định. Ví dụ: ở pha A, trong khoảng t = 0 . uA > 0 Tuy nhiên ở các khoảng t = 0 / 6 uC > uA và t = 5/6 ub > uA Như vậy van T1 nối vào pha A chỉ có thể mở trong khoảng t = /6 - 5/6. Trong khoảng này nếu tín hiệu đến cực điều khiển của T1 thì T1 mở. Tương tự với T2 và T3. Thời điểm 0 = t = /6 đợc gọi là thời điểm mở tự nhiên của sơ đồ chỉnh lưu 3 pha. Nếu truyền tín hiệu mở van chậm hơn thời điểm mở tự nhiên một góc độ điện thì khoảng dẫn dòng của van sẽ thay đổi (nhỏ hơn 2/3) dẫn đến trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu sẽ giảm đi. Khi góc mở càng lớn thì Ud càng nhỏ b) Sơ đồ cầu: Từ kết cấu của sơ đồ chỉnh lưu cầu ta có nhận xét: Để có dòng qua phụ tải thì trong sơ đồ phải có ít nhất 2 van cùng thông, một ở nhóm anôt chung, một ở nhóm katôt chung. Vậy với giả thiết là sơ đồ làm việc ở chế độ dòng liên tục và bỏ qua quá trình chuyển mạch thì khi bộ chỉnh lưu cầu m pha làm việc, ở một thời điểm bất kỳ trong sơ đồ luôn có 2 van có thể dẫn dòng khi có xung điều khiển: Van ở nhóm katôt chung nối với pha có điện áp dơng nhất và van ở nhóm anôt chung nối với pha có điện áp âm nhất. Thời điểm mở tự nhiên của sơ đồ cầu cũng đợc xác định như đối với sơ đồ tia có số pha tương ứng: Để điều khiển điện áp chỉnh lu trên phụ tải một chiều ta thay đổi thời điểm đưa xung điều khiển đến các cực điều khiển của các van, làm thay đổi khoảng dẫn dòng của van làm điện áp trung bình của chỉnh lưu thay đổi. Đặc điểm của các sơ đồ hình tia là ngoài các thời gian chuyển mạch các van ứng với (là khoảng thời gian khi một van nào đó đang ngừng làm việc và van tiếp sau đang bắt đầu làm việc ) dòng điện phụ tải id bằng dòng điện trong van đang mở. Do đó dòng điện trong mạch phụ tải được xác định bởi sức điện động pha làm việc của máy biến áp, còn độ sụt áp trong bộ biến đổi thì được xác định bởi độ sụt áp trên pha đó. Ở sơ đồ cầu, bên ngoài chu kỳ chuyển mạch vẫn có hai van làm việc đồng thời .Dòng điện phụ tải chảy liên tiếp qua hai van và hai pha của máy biến áp dưới tác dụng của hiệu số sức điện động của các van tương ứng, nghĩa là dưới tác dụng của sức điện động dây. Sau một chu kỳ biến thiên của điện áp xoay chiều cả sáu van của bộ biến đổi đều tham gia làm việc. Trị số trung bình của sức điện động chỉnh lưu Ed ở trạng thái dòng điện liên tục được xác định như sau : Ed = Eđmcos Trong đó Eđm là trị số cực đại của sức điện động chỉnh lu ứng với trờng hợp Với sơ đồ 3 pha hình tia trị số cực đại của sức điện động chỉnh lưu là: Eđm1 =1,17E2f .Với sơ đồ cầu là Eđm2 =2,34E2f Trong đó E2f là trị số hiệu dụng của s.đ.đ pha thứ cấp máy biến áp Kết luận : Để phù hợp với yêu cầu của đề tài thì ta chọn bộ chỉnh lưu cầu 3 pha. 3. Dòng điện chỉnh lưu trên phụ tải một chiều: Do điện áp chỉnh lưu lặp đi lặp lại 2m (hoặc m) lần trong một chu kỳ của điện áp nguồn nên ở chế độ xác lập thì dòng qua tải cũng lặp đi lặp lại như vậy (tuỳ thuộc sơ đồ chỉnh lưu là tia hay cầu, số pha chẵn hay lẻ). Như vậy chỉ cần biết dòng và áp trên tải trong khoảng thời gian là 1/m chu kỳ hay là tương đương góc độ điện 2? / q ( q = 2m hoặc q = m). Để xác định dòng và áp trên tải ta dựa vào sơ đồ thay thế của chỉnh lu trong một khoảng thời gian làm việc của một van. Hình 2- 10: Sơ đồ thay thế của chỉnh lu trong khoảng thời gian làm việc của van U: tổng đại số điện áp nguồn xoay chiều tác động trong mạch vòng nối với các van đang dẫn dòng trong sơ đồ ở thời gian đang xét. Nếu là sơ đồ tia thì chỉ có 1 van mở, u = uf. Nếu là sơ đồ cầu thì có 2 van ở 2 pha khác nhau cùng làm việc, u = ud. Nếu chọn mốc thời gian xét t = 0 là thời điểm bắt đầu mở một van trong sơ đồ thì u = Um.sin(t +) + Um - Biên độ điện áp nguồn (pha hoặc dây) + - góc pha đầu, T đặc trng cho van đang dẫn dòng, ở sơ đồ tia là 1 van, sơ đồ cầu là 2 van nối tiếp nhau, bỏ qua sụt áp trên van Ed, Rd, Ld là các phần tử của phụ tải Ud, Id - dòng và áp trên tải. Phơng trình cân bằng điện áp từ sơ đồ thay thế: (2-5) Giải phơng trình này ta nhận đợc biểu thức của dòng điện chỉnh lu: (2-6) Tuỳ thuộc đặc tính phụ tải, dạng sơ đồ, giá trị góc điều khiển mà có thể có các chế độ làm việc khác nhau: Nếu trong toàn bộ thời gian làm việc id > 0 ta có chế độ dòng tải liên tục Nếu trong một chu kỳ làm việc mà dòng tải có q khoảng bằng không và q khoảng khác không ( q = m nếu là sơ đồ tia, q = 2m nếu là sơ đồ cầu ) ta có chế độ dòng tải gián đoạn. Chế độ giới hạn giữa 2 chế độ nêu trên đợc gọi là chế độ dòng biên liên tục. 4. Đảo chiều trong hệ thống T - Đ Trong nhiều trờng hợp cần phải thay đổi đợc chiều dòng điện qua phụ tải của bộ chỉnh lưu. Do tính dẫn dòng một chiều của các van nên phải đảo chiều bằng công tắc tơ hoặc sử dụng các sơ đồ đặc biệt gồm 2 bộ chỉnh lưu, mỗi bộ dẫn dòng theo một chiều. Có 2 bộ chỉnh lưu điều khiển là sơ đồ đấu chéo và sơ đồ song song ngược. Về mặt nguyên lý thì sơ đồ đấu chéo hoặc sơ đồ song song ngược hoạt động tương tự như nhau. Khi BBĐ này làm việc thì BBĐ kia nghỉ, khi đổi chế độ của BBĐ thì dòng điện qua tải được đổi chiều. Thực tế ngời ta hay sử dụng sơ đồ đấu song song ngược với các phương pháp điều khiển khác nhau. Để điều khiển 2 BBĐ song song ngược có thể sử dụng 2 phơng pháp điều chỉnh : Điều khiển riêng rẽ (điều khiển độc lập): Là sử dụng 2 bộ phát xung độc lập nhau. Khi bộ phát xung này làm việc (phát xung mở cho BBĐ) thì bộ kia nghỉ, do đó các van trong BBĐ còn lại không thể mở được. Khi cần đảo chiều thì cho bộ này nghỉ, sau đó cho bộ thứ 2 phát xung để mở các van của BBĐ thứ 2. Phương pháp điều khiển này có nhược điểm là tần số đảo chiều không cao vì các van Thyristor cần có thời gian để khôi phục đặc tính khoá của nó. Điều khiển phụ thuộc: Cả 2 bộ phát xung cùng phát xung đến các BBĐ, trong đó một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lưu, bộ còn lại làm việc ở chế độ nghịch lưu chờ. Khi sử dụng phương pháp này, sẽ có dòng điện không cân bằng chạy trong các BBĐ. Để hạn chế dòng này người ta sử dụng các cuộn kháng cân bằng Hình 2- 10: Sơ đồ nối song song ngược của hệ thống CL - Đ có đảo chiều quay. Chọn phương án điều khiển chung Đặc điểm của phương pháp này là hai mạch chỉnh lưu cùng hoạt động, tức là cùng được phát xung điều khiển. Tuy nhiên một bộ phận làm việc ở chế độ chỉnh lưu, là bộ xác định dấu của điện áp một chiều hoặc xoay chiều của động cơ, còn bộ kia chạy ở chế độ nghịc lưu và sẳn sàng chuyển sang chế độ chỉnh lưu. Hình vẽ là thí dụ về bộ chỉnh lu đảo chiều sữ dụng sơ đồ cầu ba pha. Do hai bộ chỉnh lu cùng đấu vào một tải nên giá trị trung bình của chúng phải bằng nhau. Thiết kế mạch động lực: Muốn xây dựng sơ đồ mạch động lực phải chọn đợc sơ đồ chỉnh lưu để làm bộ biến đổi cho mạch, nh đã biết ở phần II, hệ T-Đ có tác động nhanh, cao, không gây ồn ào và dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số công suất cao, điều đó thuận tiện cho các hệ thiết kế các hệ tự động điều khiển để nâng cao chất lợng các đặc tính tĩnh và động của hệ. Mặt khác các mạch chỉnh lưu điều khiển có sức điện động Ed phụ thuộc vào góc điều khiển nên có thể dùng làm nguồn điều khiển điện áp phần ứng hoặc dòng kích thích động cơ. Tốc độ truyền động điện trong hệ thống này được điều chỉnh bằng cách biến đổi góc thông van chậm của van, tức là điều chỉnh sđđ Eđ của bộ biến đổi. Khi biến đổi từ 0 đến , trị số Eđ biến thiên từ Eđm đến 0. Rõ ràng là các đặc tính cơ và đặc tính tốc độ của truyền động điện là một họ các đường thẳng song song với nhau. Các đường thẳng đó cắt trục tung tại những điểm tương ứng với các tốc độ không tải lý tưởng Đặc tính cơ và đặc tính tốc độ của truyền động điện khi bộ biến đổi là việc ở trạng thái động điện gián đoạn không thể biểu diễn bằng giải tích được. Trường hợp bộ biến đổi là việc ở trạng thái dòng điện liên tục, nếu biến đổi góc thông van thì tốc độ không tải lý tưởng giả định biến đổi trong một phạm vi rộng. Nếu thì =0 và động cơ làm việc ở trạng thái hãm động năng. Khi , , hệ thống truyền động điện sẽ làm việc ở trạng thái hãm tái sinh. Khi đó, năng lượng do máy điện một chiều sinh ra sẽ đợc bộ biến đổi van biến thành năng lượng điện xoay chiều để truyền vào lưới cung cấp. Khi này, bộ biến đổi van làm việc ở trạng thái nghịch lưu với đặc điểm sau: dòng điện trong mạch của nguồn xoay chiều chạy dưới tác dụng của sđđ E của động cơ. trong phần lớn khoảng dẫn của van, dòng điện này chảy ngược chiều sđđ của các cuộn dây máy biến áp.Để không xảy ra hiện tượng ‘‘đột biến nghịch lưu’’ với dòng điện trong mạch lớn gấp nhiều lần so với lúc làm việc bình thường, dễ gây hỏng trong bộ biến đổi, mà trước hết là gây nguy hiểm cho các van, ta phải hạn chế góc thông van: Trong đó: là khoảng thời gian để phục hồi tính chất ngắt của van. Khi tần số lới là 50Hz, góc phục hồi tính chất ngắt của van ion bằng khoảng 120. Đối với Thyristor, thời gian phục hồi tính chất ngắt không quá 150, tương ứng với . Thường thường, khi phân tích hoạt động của bộ biến đổi ở trạng thái nghịch lưu, người ta sử dụng khái niệm ‘‘ góc thông trước’’ của van . Tương ứng để loại trừ hiện tượng’’đột biến nghịch lưu’’ ta có điều kiện hạn chế sau: . Trong thực tế ở các hệ thống truyền động, van, người ta áp dụng ba phương pháp biến đổi chiều mômen động cơ sau: Biến đổi chiều từ thông động cơ khi chiều dòng điện phần ứng không đổi (hình a). (a) (b) (c) Biến đổi cực tính điện áp phần ứng nhờ các công tắc chuyển đổi (bộ đảo chiều) (hình b). Biến đổi cực tính điện áp phần ứng nhờ bộ biến đổi van hai nhóm (hình c). Khi áp dụng hai phương pháp đầu, động cơ được xung cấp từ bộ điều khiển đơn (bộ biến đổi một nhóm). Tuy nhiên, khi đó rất khó thực hiện chuyển đổi từ trạng thái động cơ sang trạng thái hãm với chiều quay không đổi. Sơ đồ đầu là rẻ nhất và đơn giản nhất, song có nhược điểm là thời hạn đảo chiều lớn, bằng khoảng (0,5 - 2,5)s ,( do hằng số thời gian của cuộn dây kích từ động cơ không lớn). Sơ đồ thứ hai tuy có thời hạn đảo chiều nhỏ hơn nhưng van không thể dưới 0,1s vì trong quá trình đảo chiều, phải đảm bảo thứ tự tác động nhất định trong hệ thống điều khiển truyền động điện. Đối với các hệ thống truyền động yêu cầu đảo chiều nhanh và cần có trạng thái động cơ hay trạng thái hãm trong cùng một chiều quay của động cơ, người ta sử dụng các sơ đồ có hai nhóm van (bộ biến đổi kép). Mỗi nhóm dẫn dòng điện theo một chiều nên bộ biến đổi có khả năng dẫn điện theo cả hai chiều. Bộ biến đổi như vậy có thể được nối theo nhiều sơ đồ khác nhau. Có 2 bộ chỉnh lưu điều khiển là sơ đồ đấu chéo và sơ đồ song song ngược. Về mặt nguyên lý thì sơ đồ đấu chéo hoặc sơ đồ song song ngược hoạt động tương tự như nhau. Khi BBĐ này làm việc thì BBĐ kia nghỉ, khi đổi chế độ của BBĐ thì dòng điện qua tải được đổi chiều. Thực tế người ta hay sử dụng sơ đồ đấu song song ngược với các phương pháp điều khiển khác nhau. Trong sơ đồ song song ngược, cả hai nhóm van đều được cung cấp từ một nhóm dây cuốn thứ cấp của máy biến áp. Khi hệ thống truyền động điện làm việc ở trạng thái động cơ, một nhóm van, ví dụ 1V làm việc ở trạng thái chỉnh lưu còn nhóm kia 2V bị khoá hoặc chuẩn bị làm việc ở trạng thái nghịch lưu. Trong trường hợp thứ hai, để loại trừ hiện tượng truyền năng lượng do 1V biến đổi vào lưới qua 2V ta phải bảo đảm Eđ2> Eđ1. Nếu 2V làm việc ở trạng thái chỉnh lưu, thì 1V phải được khoá hoặc chuẩn bị làm việc ở chế độ nghịch lưu. Khi đó, tương ứng với trường hợp trên, ta có Ed1 Ed2: Như vậy nói chung Edn1 Edc2 , trong đó Edn1 , Edc2 - sđđ của các nhóm van bộ biến đổi làm việc ở trạng thái nghịch lưu và chỉnh lưu. Khi hệ thống truyền động điện làm việc ở trạng thái hãm tái sinh, một nhóm van làm việc ở trạng thái nghịc lưu, còn nhóm van kia bị khoá hoặc chuẩn bị làm việc ở chế độ chỉnh lưu. Trường hợp này cũng phải đảm bảo quan hệ Edn1 Edc2 Trạng thái làm việc của bộ biến đổi van đảo chiều phụ thuộc rất nhiều vào phương thức điều khiển cả hai nhóm van. Khi điều khiển chung, tín hiệu điền khiển được đặt vào cả hai nhóm van sao cho đảm bảo được Edn1 Edc2. Trường hợp này cần hạn chế dòng điện cân bằng chạy giữa hai nhóm van dưới tác dụng của các trị số tức thời của sđđ các nhóm van. Do đó trong mạch của bộ biến đổi người ta nối các cuộn kháng cân bằng CB1 - CB4, như hình vẽ trên. Để loại trừ dòng điện cân bằng người ta sử dụng phương pháp điều khiển riêng các nhóm van của bộ biến đổi . Khi đó các tín hiệu điều khiển (xung) chỉ được đặt vào nhóm van đang làm việc, còn ở nhóm van kia (nhóm không làm việc tại thời điểm đang xét ) không có xung điều khiển nên nó bị ngắt. Để thay đổi trạng thái làm việc của bộ biến đổi người ta dùng một thiết bị biến đổi đặc biệt để ban đầu làm mất xung điều khiển trên nhóm van đang làm việc, rồi sau đó một khoảng thời gian ngắn (5 - 10s) đa xung điều khiển lên nhóm van thứ hai. Với thứ tự như vậy thì trạng thái dòng điện gián đoạn của bộ biến đổi sẽ tương ứng với quá trình chuyển đổi hệ thống truyền động điện từ trạng tái dộng cơ sang trạng tái hãm và ngược lại Các đặc tính tốc độ và đặc tính cơ của truyền động van đảo chiều có điều khiển riêng các nhóm van phụ thuộc vào cách phối hợp các góc điều khiển u điểm của phương thức điều khiển riêng so với điều khiển chung là: Không cần nối cuộn kháng cân bằng Tận dụng đợc khả năng máy biến áp (Ed.d.cmax = Eđm ) giảm bớt được xác suất đột biến nghịch lưu vì thời gian biến đổi làm việc ở trạng thái nghịch lưu ít hơn. - Giảm được tổn thất năng lượng và nâng cao hiệu suất truyền động điện do không có dòng điện cân bằng. Tuy nhiên, khi điều chỉnh riêng yêu cầu về độ tin cậy của thiết bị chuyển đổi (để chuyển xung điều khiển từ nhóm van này sang nhóm van kia) cao hơn; có một khoảng hở khi chuyển đổi bộ biến đổi từ trạng thái chỉnh lưu sang trạng thái nghịch lưu, nên thời hạn của quá trình quá độ tăng lên. Cũng cần chú ý rằng phương thức điều khiển riêng không thể sử dụng cho các hệ truyền động có khả năng làm việc ở trạng tái không tải lý tưởng hoặc trong vùng gần đó (như thang máy chẳng hạn ) vì trạng thái dòng điện gián đoạn của bộ biến đổi tương ứng với các phụ tải nhỏ của động cơ. Để hạn chế dòng điện ngắn mạch, thường người ta chọn máy biến áp có điện áp ngắn mạch lớn Unm = 8 - 10%, do đó xBA cũng có trị số lớn. kết quả là thành phần điện trở của bộ biến đổi do hiện tượng giảm áp trong quá trình chuyển mạch các van khá lớn. Đó là nguyên nhân chính làm mềm đặc tính cơ của truyền động điện. Nếu bộ biến đổi được nối vào lưới xoay chiều không qua máy bién áp thì người ta phải nối cuộn kháng hạn chế dòng điện vào mạch xoay chiều nối tiếp với bộ biến đổi. Cảm kháng xBA và RBA của máy biến áp nên hiện tượng trên vẫn tồn tại. Để mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ truyền động này, có thể sử dụng các hồi tiếp giống như trong hệ thống F - Đ, như hồi tiếp dương theo dòng điện phần ứng, hồi tiếp âm theo tốc độ và theo điện áp. Để hạn chế dòng điện trong bộ biến đổi và trong phần ứng động cơ, sử dụng hồi tiếp âm dòng điện có ngắt ; khi đó truyền động điện có đặc tính máy xúc. Vì bộ biến đổi van có hệ số khuếch đại lớn, nên trong nhiều trường hợp có thể thực hiện các hồi tiếp kể trên không qua khuếch đại trung gian Trong sơ đồ gồm có: Máy biến áp BA :Làm nhiệm vụ cung cấp nguồn cho mạch CB là cuộn kháng dùng để lọc nguồn 1 chiều gọi là cuộn kháng san bằng. BD là các máy biến dòng được sữ dụng để lấy tín hiệu âm dòng điện, đưa trở lại khống chế đầu vào mạch điều khiển. Các bộ R-C được mắc song song với các Thyristor trong các quá trình chuyển mạch và biến thiên du/dt ; di/dt Đ là động cơ địên 1 chiều kích từ độc lập, dùng để truyền động cho hệ thống. + Nguyên lý hoạt động của mạch lực: Đặc điểm của phương pháp điều khiển chung là 2 mạch chỉnh lưu cùng hoạt động, tức là cùng được phát xung điều khiển. Tuy nhiên một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lưu là bộ xác định dấu của điện áp một chiều hoặc chiều quay của động cơ, còn bộ kia chạy ở chế độ nghịch lưu và luôn sẵn sàng chuyển sang chế độ chỉnh lưu. Do 2 bộ chỉnh lưu cùng dấu vào một tải nên giá trị trung bình của chúng phải bằng nhau: theo quy ước chiều trên sơ đồ như hình vẽ của các điện áp Ud1,Ud2 điều đó có nghĩa là: Ud1= -Ud2 Hay: Suy ra: Phương trình này cho ta quan hệ, hay luật phối hợp điều khiển hai mạch chỉnh lưu TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC: 1 . Động cơ: Kiểu Pđm (kW) n (vg/ph) Iđm (A) nmax U (v) 46,5 1500 238 1800 220 v . Rư động cơ: + Rư động cơ được tính gần đúng như sau: Lư – Là điện cảm phần ứng động cơ được tính theo công thức Umanxki – Lindvit: Ta có: Trong đó: là hệ số lấy cho động cơ không có cuộn bù Hệ số khuếch đại động cơ được tính: v/ph.V 2 . Tính chọn Thyristor. Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản dòng tải, điều kiện toả nhiệt làm việc và các thông số cơ bản của van được tính như sau: * Điện áp ngược lớn nhất mà Thyrisitor phải chịu Do ta tính điện áp ngược lớn nhất nên Ud = Ud0 Với KnV = ; * Điện áp ngược mà van cần chọn: UnV = KdtU.Unmax = 1,5.230,3 = 345,5 (V). Lấy bằng 346 (V) Với KdtU – Hệ số dự trữ điện áp ( 1,3 – 1,5 ). Chọn KdtU = 1,5. * Chọn theo điều kiện dòng điện ITbV KI ITtbmax Trong đó: KI là hệ số dự trữ dòng điện, ta lấy KI = 3 ITtbmax = I.đm/ 3 . Như vậy ta có : ITbV 248,6 A Từ các thông số UnV , IđmV ta chọn loại Tiristor T14-250 có các thông số: Điện áp ngược van UnV = 500 (V) Dòng điện ngược van InV = 300 (A) Đỉnh xung dòng điện Iđx = 6000 (A) Dòng điện xung điều khiển Iđk = 0,2 (A). Điện áp xung điều khiển Uđk = 3,5 (V) Dòng điện rò IR = 0,25 (A) Sụt áp trên Tiristor ở trạng thái dẫn (V). Tốc độ biến thiên điện áp du/dt = 200 ( ) Thời gian chuyển mạch tcm = 70 () Tốc độ biến thiên dòng điện di/dt = 100 () 3. Máy biến áp mạch động lực: a) - Chọn máy biến áp có tổ nối dây làm mát bằng không khí tự nhiên b) - Tính các thông số cơ bản: - Công suất biểu kiến của máy biến áp: (kVA) - Điện áp sơ cấp MBA: Uf = 380 (V) - Điện áp pha thứ cấp MBA: Phương trình cân bằng điện áp khi có tải: Trong đó: - Góc sụt áp khi có sự suy giảm điện áp lưới (V) – Sụt áp trên Thyristor. - Sụt áp trên dây nối. - Sụt áp trên điện trở và điện trở kháng MBA. Chọn sơ bộ: (V). Từ phương trình điện áp khi có tải ta có: (V). Điện áp thứ cấp MBA: (V). - Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA: (A). - Dòng điện sơ cấp MBA: (A). Tính toán sơ bộ mạch từ - Tiết diện sơ bộ trụ: Trong đó: - kQ là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy kQ = 6. - m: số trụ MBA lấy m = 3 - f :Tần số nguồn xoay chiều lấy f = 50 Hz Thay số vào ta được: (cm2) - Đường kính trụ: (cm). Chuẩn đoán đường kính trụ theo tiêu chuẩn d = 12 (cm) - Chọn loại thép các lá thép có độ dày 0,5 mm Chọn mật độ từ cảm trong trụ BT = 1 (T) - Chọn tỷ số: h = 2,3.d = 2,3.12 = 27,6 (cm) Thông thường m = (2 – 2,5 ) Ta chọn chiều cao của trụ là 27 (cm). 4. Tính toán dây quấn Số vòng dây mỗi pha sơ cấp MBA. (vòng) Lấy W1 = 145 vòng - Số vòng dây mỗi pha thứ cấp MBA: (vòng). Lấy W2 = 40 vòng - Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong MBA. Với dây dẫn bằng đồng, MBA khô, chọn J1 = J2 = 2,75 (A/mm2) - Tiết điện dây dẫn sơ cấp MBA: (mm2). Chọn dây dẫn tiết diện chử nhật cấp cách điện B. Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn S1 = 20,89 mm2 Kích thước dây dẫn có kể cả cách điện Sd.d = a1 . b1 = 3,15 .6,7 ( mm x mm) - Tiết diện dây dẫn thứ cấp MBA: (mm2) Chọn dây dẫn tiết diện chử nhật cấp cách điện B. Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn S1 = 73,62 mm2 Kích thước dây dẫn có kể cả cách điện Sd.d = a2 . b2 = 3,8 .19,5 ( mm x mm * Kết cấu dây dẫn sơ cấp: Thực hiện kiểu dây quấn đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục: - Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp của cuộn sơ cấp: (vòng). Với: h chiều cao trụ Kc = 0,95 Hằng số ép chặt hg là khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp Chọn sơ bộ khoảng cách điện gông là 1,5 cm - Tính sơ bộ lớp dây quấn ở cuộn sơ cấp: (lớp) Chọn số lớp là 5 lớp. Như vậy có 145 (vòng) chia thành 5 lớp mổi lớp có 29 (vòng) - Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp: (cm) - Chọn ống dây quấn làm bằng vật liệu cách điện có bề dày S01 = 0,1 cm - Khoảng cách từ trụ đến cuộn dây sơ cấp A01 = 1,0 (cm) - Đường kính trong của ống cách điện Dt = dFe + 2.a01 - 2.S01 = 12 + 2.1 - 2.01 = 14,2 (cm) - Đường kính trong của cuộn sơ cấp Dt1 = Dt + 2.s01 =14,2 + 2.0,1 = 14,4 (cm). - Chọn bề dày giữa hai lớp dây ở cuộn sơ cấp cd11 = 0,1 (cm). - Bề dày cuộn sơ cấp. Bd1 = (a1 + cd11 ).n11 = ( 0,315 + 0,1).5 = 2,1 ( cm) - Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp: Dn1 = DT1 + 2.Bd1 = 14,4 + 2.2,1 = 18,6 (cm). Đường kính trung bình cuộn sơ cấp: (cm) - Chiều dài dây quấn sơ cấp: L1 = W1. .DTB1 = 145. .16,4 = 7,5 (m). - Chọn bề dày giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp A12 = 1,0 (cm) - Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp: .h1 = h2 =21,1 (cm). - Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp: (vòng). - Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp: (lớp) Chọn số lớp dây quấn thứ cấp n12 = 4 ( lớp), 4 lớp mổi lớp có 10 vòng. - Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp: (cm) - Chọn ống dây quấn làm bằng vật liệu cách điện có bề dày S01 = 0,1 cm - Khoảng cách từ trụ đến cuộn dây sơ cấp A12 = 1,0 (cm) - Đường kính trong của cuộn thứ cấp DT2 = Dn1 + 2. a12 = 18,6 + 2.1 = 20,6 (cm) - Chọn bề dày giữa hai lớp dây ở cuộn sơ cấp cd22 = 0,1 (cm). - Bề dày cuộn thứ cấp. Bd2 = (a2 + cd22 ).n22 = ( 0,38 + 0,1).4 = 1,92 ( cm) - Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp: Dn1 = DT2 + 2.Bd2 = 20,6 + 2.1,92 = 24,44 (cm). Đường kính trung bình cuộn sơ cấp: (cm) - Chiều dài dây quấn sơ cấp: L2 = W2. .DTB2 = 40. .22,52 = 2,83 (m). * Tính các thông số MBA - Điện trở của cuộn sơ cấp MBA ở 750C. (). Trong đó: () Điện trở suất - Điện trở cuộn thứ cấp MBA ở nhiệt độ 750C (). - Điện trở của MBA quy đổi về phía thứ cấp (). - Sụt áp trên điện trở MBA (V) - Điện kháng MBA quy đổi về phía thứ cấp. (). - Điện cảm MBA quy đổi về phía thứ cấp: () LBA = 0,16 (mH). - Sụt áp trên điện kháng MBA: (V). (). - Sụt áp trên MBA (V). Điện áp trên động cơ khi góc mở U = 245. cos 150 – 2.1,75 – 11,89 = 221,3 (V). 5. Tính chọn cuộn kháng lọc Xác định góc mở max Chọn góc mở cực tiểu . Góc mở cực tiểu là dự trữ để có thể bù trừ được sự giảm điện áp lưới. - Khi góc mở nhỏ nhất thì điện áp trên tải là lớn nhất. Và tương ứng với tốc độ động cơ lớn nhất - Khi góc mở lớn nhất thì điện áp trên tải là nhỏ nhất. Và tương ứng với tốc độ động cơ nhỏ nhất. Ta có: (1) Trong đó: Udmin được xác định như sau Thay vào phương trình (1) ta có: Ta có công thức tính điện cảm của cuộn kháng lọc. Ta thấy rằng khi góc mở càng tăng thì biên độ thành phần sóng hài bậc cao càng lớn, có nghĩa là đập mạch của điện áp, dòng điện càng tăng lên. Sự đạp mạch này làm xấu chế độ chuyển mạch của vành góp đồng thời gây ra tổn hao phụ dưới dạng nhiệt trong động cơ. Để hạn chế sự đập mạch này ta phải mắc nối tiếp với động cơ một cuộn kháng lọc đủ lớn để Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao, cuộn kháng lọc còn có tác dụng hạn chế vùng dòng điện gián đoạn. Điện kháng lọc còn được tính khi góc mở Ta có: Cân bằng hai vế: vì nên : Trong các thành phần bậc cao, thì thành phần sóng bậc k =1 có mức độ lớn nhất gần đúng ta có: nên Vậy Suy ra LCKL = L - Lư - LBA Trong đó: LCKL - Điện cảm cuộn khánglọc cần phải mác thêm L - Điện cảm cần thiết để lọc thành phần sóng hài dòng điện với I*1% < 10%. Lư - Điện cảm động cơ LBA - Điện cảm biến áp. là số xung đạp mạch trong một chu kỳ điện áp. Với: Điện cảm phần ứng có: Lư = 3,68 (mH) LCKL = L - Lư - LBA LCKL = L - (Lư + LBA ) = 0,344 – (8,85 + 0,16) = -8,67 (mH). Vì điện cảm của phần ứng đủ lớn nên ta không cần đặt cuộn kháng lọc dòng điện đập mạch. PHẦN IV THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Để các van của bộ chỉnh lưu có thể mở tại thời điểm mong muốn thì ngoài điều kiện tại thời điểm đó trên van có điện áp thuận thì trên cực điều khiển G và K của van phải có điện áp điều khiển (thường gọi là tín hiệu điều khiển). Để có hệ thống tín hiệu điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu mở van người ta sử dụng mạch điện tạo ra các tín hiệu đó gọi là mạch điều khiển. Điện áp điều khiển các Thyristor phải đáp ứng được các yêu cầu cần thiết về công suất, biên độ cũng như thời gian tồn tại. Do đặc điểm của Thyristor là khi van đã mở thì việc tồn tại tín hiệu điều khiển nữa hay không cũng không ảnh hưởng đến dòng qua van. Vì thế hạn chế công suất của mạch phát tín hiệu điều khiển và giảm tổn thất trên vùng cực điều khiển tạo ra các tín hiệu điều khiển Thyristor có dạng xung. Trong hệ thống truyền động ta dùng các hệ thống phát xung điều khiển đồng bộ, khống chế theo nguyên tắc pha đứng với sơ đồ khối như sau : - Khối 1 : Khối đồng bộ hóa và phát xung răng ca khối này có nhiệm vụ lấy tín hiệu đồng bộ hóa và phát ra điện áp hình răng ca đa đến khối so sánh. - Khối 2 : Khối so sánh có nhiệm vụ sa sánh hai tín hiệu điện áp hình răng cưa URC và điện áp điều khiển Uđk để phát ra xung điện áp đưa tới mạnh tạo xung. - Khối 3: Khối tạo xung có nhiệm vụ tạo ra các xung điều khiển đa tới U1: Điện áp lưới xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu. urc: điện áp tựa hình răng ca lấy từ đầu ra của khối ĐBH - FXRC uđk: điện áp điều khiển một chiều dùng để điều khiển giá trị góc mở cực điều khiển của Tiristor. a 1 Khâu đồng bộ hóa và phát xung răng cưa : 1.1 - Sơ đồ dùng hai transistor Thiết bị của mạch gồm : - BAĐ là máy biến áp đồng bộ xoay chiều một pha gồm một cuộn dây pha sơ cấp và hai cuộn dây pha thứ cấp có cực tính ngược nhau. Để lấy tín hiệu đồng bộ và hai cuộn dây pha thứ cấp còn lại độc lập với hai cuộn dây trên dùng để cung cấp điện áp nguồn nuôi cho mạch điều khiển. - Trên mạch ra của cuộn dây thứ cấp lấy tín hiệu đồng bộ có các phần tử là mạch tạo điện áp răng cưa, trong đó : + Mạch gồm Tr2, ĐZ, R4, WR là mạch ổn định dòng để nạp tụ. + URC là điện áp răng ca đầu ra của sơ đồ. + U0 là điện áp ổn định trên điốt ổn áp DZ; ic1, ic2 là dòng điện cực góp Tr1 và Tr2 Nguyên lý làm việc của khâu đồng bộ hóa và phát xung răng cưa : Điện áp Ucb2 giữa cực phát ra và cực Tr2 là Ucb2 = U0 - ic2.RWR, với RWR là trị số điện trở của biến trở WR. Do sụt áp giữa cực phát va cực gốc của một Tranzitor hầu như không đổi nên ta xem Ucb2 = A = const. Ta có : ic2 = (U0- Ucb2)/RWR = 1 = const mặt khác ta lại có dòng điện qua cực góp Tr2 là không đổi. Ta giả thiết rằng : tại t = 0 thì Uđb = 0 và bắt đầu chuyển sang chu kỳ dương, tại t = 0 thì điện áp trên tụ C = 0. Vậy sau thời điểm t = 0 thì Uđb > 0 nên điốt D được đặt điện áp thuận, D sẽ mở dẩn đến có dòng điện tử cuộn thứ cấp BAĐ đi qua R2 và D, nếu bỏ qua sụt áp rất nhỏ trên cuộn dây máy biến áp đồng bộ hóa và trên điốt D thì trên R2 được đặt điện áp bằng toàn bộ sức điện động thứ cấp BAĐ tức là Uđb. Điện áp sụt trên R2 lúc này có thể dương đặt vào cực phát Tr2 còn thế âm dặt vào cực gốc Tr1, do vậy mạch gốc phát Tranzitor bị đặt điện áp ngược và Tr1 khóa và tụ được nạp điện bởi dòng cực góp Tr2 có giá trị ổn định. Điện áp trên tụ tăng dần theo quy luật UC = I.t/c đây là quy luật tuyến tính. Đến thời điểm t = thì Uđb = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ âm. Van D bị đặt điện áp ngược và khóa lại do vậy điện áp đồng bộ không tác động đến mạch gốc phát của Tr1 nữa lúc này dưới tác động của nguồn cung cấp một chiều qua điện trở định thiên R1 trong mạch định thiên trong kiểu phân áp gồm R1 và R2 mà Tr1 mở. Khi Tr1 mở thì tụ ngừng nạp và bắt đầu phóng điện qua mạch góp phát của Tr1 và điện trở bảo vệ Tranzitor R3. Người ta tính chọn các điện trở R1, R2 và Tr2 sao cho Tr1 mở bảo hòa với dòng cực góp là 1. Vậy tụ C sẽ ngừng phóng điện khi điện áp trên tụ giảm xuống bằng sụt áp bảo hòa của Tr1 cộng với sụt áp trên R3 gây nên bởi dòng mở bảo hoà của Tr1; UR3 = iR3, sụt áp bão hòa trên một Tranzitor rất nhỏ nên ta có thể bỏ qua, mặt khác R3 và I cũng có giá trị rất nhỏ (1 - 5 mA) nên ta có thể bỏ qua sụt áp trên R3. như vậy thì tụ C phóng đến điện áp bằng không tại t = vt và do Tr1 vẩn mở nên tụ vẩn giử nguyên giá trị điện áp bằng không cho đến thời điểm t =2. Tại thời điểm này thì Uđb = 0 và lại bắt đầu chuyển sang dương, điốt D lại được đặt điện áp thuận và lại mở và Tr1 lại bị khóa, do vậy tụ C lại được nạp tương tự như khi t = 0 và sự làm việc của sơ đồ lặp lại như chu kỳ vừa xét. Điện áp răng cưa trên đầu ra cũng chính là điện áp trên tụ C và dạng điện áp ra URC được cho trên đồ thị điện áp. Với sơ đồ này thì biên độ điện áp răng cưa không phụ thuộc vào biện độ điện áp đồng bộ, dạng điện áp ra đã gần giống hình răng cưa và độ dài sườn trước(giai đoạn nạp tụ) cũng đạt đến 1800 ta sẻ sử dụng sườn này của URC. Trong sơ đồ thì R3 là điện trở hạn chế dòng phóng của tụ C qua Tr1 mở để bảo vệ Tr1, còn WR để điều chỉnh tiến độ điện áp răng cưa cho phù hợp với yêu cầu. Nhận xét: Sơ đồ này cho dạng điện áp răng cưa chính xác nhưng do có điện trở bảo vệ R3 mà điện áp trên tụ không giảm về không (0 V) được. Mặt khác, điện trở tải nhỏ sẽ ảnh hưởng đến dạng điện áp uRC . 1.2 - 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 dạnh gần lý tưởng. Để nâng cao chất lượng làm việc của hệ thống ta sử dụng mạch như ở sơ đồ hình vẽ sau: 2. Khâu so sánh : Để tạo ra một hệ thống xung xuất hiện một cách chu kỳ với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa (cũng là chu kỳ nguồn cung cấp cho bộ chỉnh lưu) và điều khiển được thời điểm xuất hiện các xung ta sử dụng mạch so sánh. Có thể thực hiện khâu so sánh theo nhiều mạng khác nhau, ở đây ta dùng IC khuyếch đại thuật toán và cách nối hai tín hiệu URC và Uđk theo cách tổng hợp song song sơ đồ như sau. a. Thiết bị của mạch gồm : - IC1 là IC khuyếch đại thuật toán có nhiệm vụ khuyếch đại và so sánh tín hiệu URC và Uđk. URC là điện áp răng cưa có chu kỳ theo điện áp thuận đặt lên các van ở mạch động lực, còn Uđk là điện áp điều khiển. - Điốt D2 bảo vệ đầu ra của mạch so sánh. b. Nguyên lý làm việc : Các điện áp răng cưa URC và điện áp điều khiển Rđk được đưa vào mạch so sánh với cực tính khác nhau. Cụ thể trên sơ đồ ta có URC > 0 còn Uđk < 0 , IC thuật toán làm nhiệm vụ so sánh và tại thời điểm thì đầu ra khối so sánh Ura sẻ thay đổi trạng thái cụ thể : Khi : Ura < 0 < 900 : Ura > 0 > 900 : Ura đổi chiều. Quá trình này được mô tả trên giản đồ điện áp của mạch điều khiển. 3. Khâu tạo xung : Để đảm bảo yêu cầu về độ chính xác của thời điểm xuất hiện xung, sự đối xứng của xung ở các kênh khác nhau. Ta thiết kế cho khâu so sánh làm việc với công ruất ra nhỏ, do đó xung ra của khâu so sánh chưa đáp ứng đủ các thông số yêu cầu của cực điều khiển Tiristor. Vì vậy phải thiết kế thêm mạch khuyếch đại xung, sữa xung… gọi là mạch tạo xung. Thiết bị của mạch bao gồm : - R7, C1, D2, Tr2, Tr4 có nhiệm vụ sửa xung. - Tr3, Tr4, D3, D4, BAX có nhiệm vụ khuyếch đại và truyền xung cung cấp cho cực G của Tiristor. Nguyên lý làm việc của mạch tạo xung : - Xung truyền đến cực điều khiển Tiristor dùng máy biến áp xung BAX. Máy biến áp xung ghép giữa đầu ra của tầng khuyếch đại công suất xung với cực điều khiển G và K của Tiristor. - Khuyếch đại xung : dùng tầng khuyếch đại Đalinhtơn mạch khuyếch đại có hệ số khuyếch đại là : trong dó là hệ số khuyếch đại của Tr3 ,Tr4) - Sửa xung : Khi điện áp đầu ra của khâu so sánh có giá trị dương, tụ C1 sẽ nạp (D2 khoá Tr3, Tr4 mở bởi xung dương theo đường + USS R7 - C1 Tr3 Tr4 - USS nên UC1 : UCC(+) điện áp đầu ra của khâu so sánh có giá trị âm, đi ốt D2 phân cực thuận, Tr3 và Tr4 khóa, tụ C1 phóng điện ( + C1 ) R7 USS D2 (-C1) tụ C1 phóng nhanh về 0 và nạp lại với điện áp có cực tính ngựơc lại với hằng số thời gian = R7.C1. Do đó Tr3 và Tr4 không khóa lại ngay mà dần khóa lại tùy thuộc , quá trình đó gọi là quá trình sửa xung. Xuất phát từ nguyên lý hoạt động của khâu so sánh ta thấy: Khi thấy đổi trị số điện áp điều khiển Uđk để thay đổi góc điều khiển a thì độ dài của các xung ra của khâu so sánh thay đổi. Mạch sửa xung: Như vậy sẽ xuất hiện tình trạng một số trường hợp độ dài xung quá ngắn không đủ để mở các Tiristor hoặc độ dài xung quá lớn, gây tổn thất lớn trong mạch phát xung. Mạch sửa xung nhằm khắc phục các vấn đề nêu trên. Mạch làm việc theo nguyên tắc khi có xung vào với độ dài khác nhau nhưng mạch vẫn cho xung ra có độ dài bằng nhau theo yêu cầu và giữ nguyên thời điểm xuất hiện của mỗi xung. Sơ đồ nguyên lý của một mạch sửa xung như hình vẽ. Trong sơ đồ: Uv là điện áp vào của mạch, đó chính là điện áp ra của khâu so sánh (điểm E) có mức bão hoà dương và âm. Các phần tử R11 và C2 sẽ quyết định độ dài của xung ra. Nguyên lý làm việc của mạch sửa xung như sau: — Khi điện áp vào Uv ở mức bão hoà dương cùng với điện trở định thiên R12, Tr6 mở bão hoà, tụ C2 được nạp với cực tính như phía trên (qua C2 – R11-Tr6). Tr6 mở bão hoà làm điểm F có mức lôgíc “0”. Mức lôgíc này tồn tại trong suốt quá trình Uv bão hoà dương. — Khi điện áp Uv ở mức bão hoà âm, tụ C2 phóng điện (qua D1...) đặt thế âm lên mạch phát - gốc của Tr6 làm Tr6 khoá dẫn đến điểm F có mức lôgíc “1”, nghĩa là đầu ra nhận được xung ra.Do điện trở ngược của Tr6 rất lớn nên Ura ằUcc. Khi C2 phóng hết điện tích, nó sẽ được nạp theo chiều ngược lại. Nhờ có R12 mà thế (+) lại đặt lên mạch phát – gốc của Tr6 làm đầu ra lại có mức lôgíc “0”. Mặc dù còn xung âm ở đầu vào nhng nhờ có R12 mà Tr6 mở bão hoà. Thời gian tồn tại xung được xác định theo biểu thức: tx = R11.C1.ln2 (2-15) Hình 2-9 Giản đồ điện áp khâu sữa xung Độ dài của xung chỉ phụ thuộc vào gía trị của R11 và C2 do đó các xung ra luôn có giá trị không đổi. Thiết bị đầu ra (Mạch truyền xung): Thông thường có 2 cách truyền xung từ đầu ra hệ thống điều khiển mạch G - K của Tiristor là truyền xung trực tiếp và truyền xung qua máy biến áp xung. Truyền xung qua BAX có ưu điểm là: Đảm bảo sự cách ly tốt về điện giữa mạch động lực và mạch điều khiển bộ chỉnh lưu. Dễ dàng thực hiện việc truyền đồng thời các xung đến các Tiristor mắc nối tiếp nhau hoặc song song bằng cách dùng BAX nhiều cuộn thứ cấp. Dễ dàng phối hợp giữa điện áp nguồn cung cấp cho tầng khuyếch đại công suất xung và biên độ xung cần thiết trên cực điều khiển của Ti nhờ việc chọn tỷ số BAX hợp lý. BAX về cơ bản kết cấu giống như biến áp bình thường công suất nhỏ. Hoạt động của BAX tương tự biến áp thường với dòng điện không sin hoặc có thể xác định là phi tuyến và sẽ bằng không khi mạch từ bão hoà. BAX có mạch từ rất chóng bão hoà, nó chỉ hoạt động trong thời gian ngắn. Mạch khuyếch đại xung: Để khuyếch đại công suất của xung điều khiển, hiện nay phổ biến nhất là các sơ đồ khuếch đại bằng Ti và Tr. Hình vẽ sau là sơ đồ mạch khuếch xung dùng Transistor khá phổ biến hiện nay. Tín hiệu đầu vào UV của mạch khuyếch đại xung sử dụng 2 Tr ghép nối tiếp (còn gọi là ghép kiểu Darlinhtơn), Tr7 và Tr8 mắc nối tiếp tương đương một Transisto có hệ số khuếch đại dòng điện: b = b1.b2. (2-16) Chức năng của các phần tử trong sơ đồ: D2 là điôt có tác dụng giảm dòng điện qua cuộn dây sơ cấp của BAX khi các Tran khoá,đồng thời hạn chế quá điện áp trên Tr. D3 để bảo vệ cuộn dây thứ cấp của BAX như đối với D2 của mạch sơ cấp. D4 để ngăn xung âm có thể tới cực điều khiển của Tiristor như các Transistor khác. Các điện trở để hạn chế xung áp đầu vào và dòng điện cực góp của Transistor. Nguyên lý làm việc của sơ đồ: Tín hiệu vào của mạch là là tín hiệu ra của mạch gửi xung là tín hiệu lôgíc. Gọi txv là thời gian tồn tại của một xung điện áp vào tbh là thời gian tính từ lúc có dòng điện một chiều qua cuộn dây sơ cấp của BAX (khi Tr7 và Tr8 mở bão hoà) đến lúc lõi thép bão hoà từ. txr là thời gian tồn tại của xung ra. a) khi tbh > txv b) khi tbh < txv Xét trường hợp tbh > txv: - Trong khoảng thời gian t = 0 – t1, chưa có xung vào không có dòng qua BAX nên thứ cấp của máy không có tín hiệu. - Khi t = t1 , xuất hiện xung vào Tr7, Tr8 mở bão hoà nên cuộn W1 có dòng điện chạy qua, làm cảm ứng sang phía thứ cấp xung điện áp, tạo dòng điện qua D4 đến mạch G-K của Ti. - Khi t = t2 ( lúc này mạch từ chưa bão hoà) mất xung vào. Tr7, Tr8 đóng dòng điện sơ cấp giảm về không qua D2. Bên thứ cấp có s.đ.đ cảm ứng (ngược chiều với ban đầu do tự cảm) nhưng nhờ D4 mà xung âm không truyền tới Ti. Xung dòng âm khép mạch qua R17 và D3 tiêu tán trên điện trở. Nhờ có D2 và D3 mà không xuất hiện điện áp tự cảm rất lớn trên dây quấn sơ thứ của BAX. Khi tbh < txv: - Khi t < t1 chưa có xung đầu vào, Tr7,8 khoá, không có xung điều khiển - Khi t = t1: Xuất hiện xung vào làm Tr7,8 mở bão hoà làm xuất hiện xung điều khiển. - Khi t = t1 + tbh mạch từ BAX bị bão hoà, từ thông lõi thép bằng const nên mất xung cảm ứng trên W2. - Khi t = t2 dòng điện sơ cấp về không làm xuất hiện xung âm trên dây quấn thứ cấp nhưng không đưa đến mạch G-K như đã nói trên. Như vậy thời gian làm việc của mạch từ BAX có ảnh hưởng rất lớn đến độ dài của xung điều khiển. Khi tbh > txv thì độ dài xung điều khiển bằng độ dài xung vào. Còn trong trường hợp ngược lại, độ dài xung điều khiển chính bằng thời gian bão hoà mạch từ của BAX. Do đó cần cho BAX có thời gian bão hoà từ đủ lớn. THIẾT KẾ MẠCH TỔNG HỢP VÀ KHUYẾCH ĐẠI CÁC TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN, MẠCH TẠO ĐIỆN ÁP CHỦ ĐẠO Do hệ thống đòi hỏi chất lượng cao nên ta sử dụng các tín hiệu phản hồi. Vì vậy phải có mạch tổngt hợp các tín hiệu đó lại. Mặt khác, để nâng cao độ cứng đặc tính cơ hệ kín ta cần khuếch đại tín hiệu điều khiển với hệ số khuếch đại lớn. Do đó cần có khâu khuếch đại tín hiệu, về mặt nguyên lý khâu khuếch đại có thể thực hiện chức năng huếch đại nhưngdể điều chỉnh hệ số khuếch đại, người ta thường thiết kế khâu khuếch đại riêng. Trong truyền động điện người ta thường thực hiện các mạch vòng điều chỉnh tốc độ và dòng điện riêng nên ta chỉ cần tổng hợp tìn hiệu chủ đạo và phản hồi tốc độ ở khâu tổng hợp. Để đảm bảo tính chính xác của việc tổng hợp ta dùng các vi mạch điện tử. Sơ đồ của khối tổng hợp và khuếch đại như hình vẽ: Ta có: Trong đó: KKĐ là hệ số khuếch đại là hệ số phân áp THIẾT KẾ 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. 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. THIẾT KẾ 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. 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. THIẾT KẾ MẠCH NGUỒN NUÔI MỘT CHIỀU: Nguồn cung cấp cho toàn mạch điều khiển được lấy trên cuộn thứ cấp của máy biến áp đồng bộ xoay chiều một pha và được chỉnh lưu qua bộ chỉnh lưu cầu 3 pha. Trong đó: + Tụ C3, C5, IC 7915 dùng để ổn định điện áp và cung cấp nguồn nuôi cho các kênh điều khiển. + Tụ C4, C6, IC7915 dùng để ổn định điện áp và cung cấp nguồn nuôi cho các kênh điều khiển. TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tần 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. T14-250 : Điện áp ngược van UnV = 500 (V) Dòng điện ngược van InV = 300 (A) Đỉnh xung dòng điện Iđx = 6000 (A) Dòng điện xung điều khiển Iđk = 0,2 (A). Điện áp xung điều khiển Uđk = 3,5 (V) Dòng điện rò IR = 0,25 (A) Sụt áp trên Tiristor ở trạng thái dẫn (V). Tốc độ biến thiên điện áp du/dt = 200 ( ) Thời gian chuyển mạch tcm = 70 () 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 = 3,5 (V). - Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp MBA xung: U1 = m.U2 = 3.3,5 = 10.5 (V). - Dòng điện thứ cấp MBA xung: I2 = Iđk = 0,2 (A). - Dòng điện sơ cấp MBA xung: I1 = I2 /m = 0,2/3 = 0,07 (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. Xác định hệ số khuếch đại của bộ biến đổi: Do mạch phần ứng động có điện cảm lớn nên ta coi dòng phần ứng là dòng liên tục. Từ đây ta xây dung được quan hệ Ud =f(uđk).Thực tế quan hệ này là phi tuyến để đơn giản ta tuyến tính hoá đoạn đặc tính làm việc. Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi: 4. Tính chọn khâu phản hồi tốc độ: Căn cứ vào tốc dộ định mức của động cơ và sai lệch tĩnh của hệ thống ta chọn máy phát tốc có các thông số sau: Điện áp định mức: Uđm = 110 (V). Dòng điện định mức: Iđm = 0,5 (A). Tốc độ định mức: nđm = 1600 ( v/ph) Điện trở định mức: Rư = 250 (). điện trở mạch ngoài của MFT là: () Điện áp phản hồi lấy ra là 12 (V) Hệ số phản hồi tốc độ : khi tốc độ động cơ là định mức thì điện áp ra là 12 (V) do đó hệ số phản hồi được tính: (v/v.ph) 5 Tính chọn hệ số khuếch đại trung gian - Tính chọn khâu khuếch đại trung gian: Hệ số khuếch đại của hệ thống được tính như sau: (V/p). KHT – Hệ số phản hồi của hệ thống Chọn KTG = 1069 XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH TĨNH Xây dựng đặc tính tĩnh của hệ thống là xây dựng đặc tính = f(I) hoặc = f(M) qua đó kiểm tra được độ sụt tốc độ, tức là đánh giá được sai lệch tĩnh của hệ thống xem có đảm bảo yêu cầu đặt ra của công nghệ ăn dao của máy tiện hay không; đồng thời cũng kiểm tra các giá trị dòng điện ngắt, dòng điện dừng, hãm xem có đảm bảo an toàn cho hệ thống hay không. Từ đó đánh giá được năng lực quá tải của hệ thống; khả năng tác động nhanh của hệ thống cũng như độ an toàn của hệ thống trong quá trình làm việc. Do động cơ một chiều kích từ độc lập có đặc tính n = f(I) và n = f(M) đồng dạng nhau nên có thể suy ra đặc tính cơ của hệ thống. Khi xây dựng đặc tính ta đưa ra các gia thiết sau: + Động cơ làm việc dài hạn. + Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi là hằng số. + Tiristor là phần tử bán dẫn tác động nhanh khống có quán tính. + Điện trở phần ứng động cơ không thay đổi trong suốt quá trình làm việc. + Điện cảm phần ứng của động cơ và các cuộn kháng đủ lớn để duy trì dòng điện tải là liên tục. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển được vẽ như sau Hệ thống có mạch vòng trong là điều khiển dòng điện, với bộ điều chỉnh dòng điện HCI là bộ điều chỉnh tỷ lệ tích phân (PI) có cảm biến dòng điện (CBD) được lấy từ điện trở shunt và vòng điều chỉnh ngoài là bộ điều chỉnh tốc độ (HC) bằng bộ điều chỉnh tỷ lệ (P) với cảm biến lấy từ máy phát tốc (FT). Bộ điều chỉnh dòng điện HCI có chứa phần tử tích phân, nên ở chế độ xác lập tín hiệu vào của mạch vòng điều chỉnh dòng điện bằng 0, nghĩa là phải đáp ứng điều kiện: UđkI = Ur - UphI = Ur - kI.Iu . (a). Ur - tín hiệu ra của bộ điều chỉnh tốc độ làm tín hiệu vào của bộ hiệu chỉnh dòng điện; KI - hệ số khuếch đại khâu phản hồi dòng điện Tín hiệu ra của khâu hiệu chỉnh tốc độ: (b). UV - tín hiệu vào mạch vòng tốc độ - hệ số khuếch đại mạch phản hồi tốc độ; - hệ số khuếch đại khâu hiệu chỉnh tốc độ. Đầu ra của bộ điều chỉnh dòng điện cũng chính là đầu vào điều khiển bộ biến đổi bán dẫn có tín hiệu điều khiển Uđk. Tín hiệu điều khiển này đáp ứng điều khiện làm việc của động cơ ở chế độ xác lập với tốc độ và dòng điện IU = IC. Từ (a) và (b) ta có: (c). Biến đổi (c) phương trình đặc tính cơ ở chế độ tĩnh của hệ thống được viết: (d). - Tốc độ không tải lý tưởng của hệ kín: - độ sụt tốc hệ kín. Từ (d) ta thấy rằng độ cứng đặc tính cơ tĩnh của hệ thống điều khiển trên được quyết định bởi các hệ số: kI , , . PHẦN V XÉT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG - Hằng số thời gian điện từ (s) - Hằng số thời gian điện cơ: (s). - Bộ biến đổi có hằng số thời gian (s) - Hệ số phản hồi dòng điện có ngắt Trong đó: WD – là hàm truyền của động cơ. Để xét ổn định ta có thể sử dụng phương pháp Routh: Bảng Routh như sau: Ta thấy các số hạng trong cột thứ nhất dương do đó hệ htống ổn định. Vậy ta không cần phải hiệu chỉnh hệ thống nữa. PHẦN VI THUYẾT MINH NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC HỆ TRUYỀN ĐỘNG. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SƠ ĐỒ : Đóng Aptomat cung cấp điện cho hệ thống TĐĐ (Mạch kích từ máy biến áp động lực, nguồn nuôi mạch điều khiển). Khi chi tiết được gá lên mâm cặp ta phát lệnh điều khiển mở các van T1 - T12 với góc mở 900 sao cho = 1800 (- góc mở của T1 - T6 ; - góc mở của T7 - T12 ). Khi khối tạo xung tạo ra các xung điều khiển mở Thyristor thông qua máy MBX để tạo ra các xung điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu. Ta phải chọn tín hiệu điều khiển. Mạch khuyếch đại trung gian và tín hiệu này được so sánh với tín hiệu răng cưa. Nếu thay đổi độ lớn Uđk thì sẽ thay đổi thời gian xuất hiện xung. Nghĩa là thay đổi được góc mở () của các bộ chỉnh lưu. Để điều khiển được tốc độ động cơ phù hợp với các chu trình cắt gọt. Ta dùng công tắc hành trình để cấp tín hiệu. Khi muốn bàn máy chạy chậm để vào dao an toàn thì góc mở của bộ biến đổi phải lớn Uđk nhỏ. Ngược lại muốn tăng tốc độ bàn dao để tăng năng suất thì góc mở nhỏ Uđk lớn. Muốn đảo chiều động cơ thì ta sẽ tiến hành điều khiển để đảo chiều điện áp Ud. Quá trình được thực hiện như sau: 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. Tài liệu tham khảo: [1] – Truyền động điện - Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn – NXB Khoa học và kỹ thuật - 2001 [2] - Điều chỉnh tự động Truyền động điện – Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi – NXB khoa học và kỹ thuật – 2004. [3] - Tài liệu hướng dẫn thiết kế thiết bị điện tử công suất – Trần Văn Thịnh - ĐH Bách khoa Hà Nội – 2000. [4] - Lý Thuyết điều khiển tự động - Phạm Công Ngô - NXB khoa học và kỹ thuật - 2001 [5] - Điện tử công suất – Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh - NXB khoa học và kỹ thuật.........