Đề tài Thiết kế hệ truyền động ăn dao máy mài 3A130 dùng hệ T-Đ

ng của máy mài Máy mài có hai loại chính: Máy mài tròn và máy mài phẳng. Ngoài ra còn có các máy khác như: máy mài vô tâm, máy mài rãnh, máy mài cắt, máy mài răng v.v… Thường trên máy mài có ụ chi tiết hoặc bàn, trên đó kẹp chi tiết và ụ đá mài, trên đó có trục chính với đá mài. Cả hai ụ đều đặt trên bệ máy. Sơ đồ biểu diễn công nghệ mài được giới thiệu ở hình 1. Máy mài tròn có hai loại: máy mài tròn ngoài (h 2a), máy mài tròn trong (h 2b). Trên máy mài tròn chuyển động chính là chuyển động quay của đá mài; chuyển động ăn dao là di chuyển tịnh tiến của ụ đá dọc trục (ăn dao dọc trục) hoặc di chuyển tịnh tiến theo hướng ngang trục (ăn dao ngang) hoặc chuyển động quay của chi tiết (ăn dao vòng). Chuyển động phụ là di chuyển nhanh ụ đá hoặc chi tiết v.v… Hình 2- Sơ đồ gia công chi tiết trên máy mài a) Máy mài tròn ngoài b) Máy mài tròn trong c) Máy mài mặt phẳng bằng biên đá d) Máy mài mặt phẳng bằng mặt đầu (bàn chữ nhật) e) Máy mài mặt phẳng bằng mặt đầu (bàn tròn) 1. Chi tiết gia công 2. Đá mài 3. Chuyển động chính 4. Chuyển động ăn dao dọc 5. Chuyển động ăn dao ngang. Máy mài phẳng có hai loại: mài bằng biên đá (hình 2c) và mặt đầu (h 2d). Chi tiết được kẹp trên bàn máy tròn hoặc chữ nhật. Ở máy mài bằng biên đá, đá mài quay tròn và chuyển động tịnh tiến ngang so với chi tiết, bàn máy mang chi tiết chuyển động tịnh tiến qua lại. Chuyển động quay của đá là chuyển động chính, chuyển động ăn dao là di chuyển của đá (ăn dao ngang) hoặc chuyển động của chi tiết (ăn dao dọc). Ở máy mài bằng mặt đầu đá, bàn có thể là tròn hoặc chữ nhật, chuyển động quay của đá là chuyển động chính, chuyển động ăn dao là di chuyển ngang của đá (ăn dao ngang) hoặc chuyển động tịnh tiến qua lại của bàn mang chi tiết (ăn dao dọc). Một tham số quan trọng của chế độ mài là tốc độ cắt (m/s):V= 0,5d.ωđ.10-3 với d - đường kính đá mài, [mm]; ωđ - tốc độ quay của đá mài, [rad/s] Thường v = 30 ÷ 50 m/s. II. Các đặc điểm về truyền động điện và trang bị điện của máy mài 1. Truyền đông chính: Thông thường máy không yêu cầu điều chỉnh tốc độ, nên sử dụng động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc. Ở các máy mài cỡ nặng, để duy trì tốc độ cắt là không đổi khi mòn đá hay kích thước chi tiết gia công thay đổi, thường sử dụng truyền động động cơ có phạm vi điều chỉnh tốc độ là D = (2 ÷ 4):1 với công suất không đổi. Ở máy mài trung bình và nhỏ v = 50 ÷ 80 m/s nên đá mài có đường kính lớn thì tốc độ quay đá khoảng 1000vg/ph. Ở những máy có đường kính nhỏ, tốc độ đá rất cao. Động cơ truyền động là các động cơ đặc biêt, đá mài gắn trên trục động cơ, động cơ có tốc độ (24000 ÷ 48000) vg/ph, hoặc có thể lên tới (150000 ÷ 200000) vg/ph. Nguồn của động cơ là các bộ biến tần, có thể là các máy phát tần số cao (BBT quay) hoặc là các bộ biến tần tĩnh bằng Thyristor. Mô men cản tĩnh trên trục động cơ thường là 15 ÷ 20% momen định mức. Mô men quán tính của đá và cơ cấu truyền lực lại lớn: 500 ÷ 600% momen quán tính của động cơ, do đó cần hãm cưỡng bức động cơ quay đá. Không yêu cầu đảo chiều quay đá. 2. Truyền động ăn dao a/ Máy mài tròn : Ở máy cỡ nhỏ, truyền động quay chi tiết dùng động cơ không đồng bộ nhiều cấp tốc độ (điều chỉnh số đôi cực) với D = (2 ÷ 4):1. Ở các máy lớn thì dùng hệ thống biến đổi - động cơ một chiều (BBĐ-ĐM), hệ KĐT – ĐM có D = 10/1 với điều chỉnh điện áp phần ứng. Truyền động ăn dao dọc của bàn máy tròn cỡ lớn thực hiện theo hệ BBĐ-ĐM với D = (20 ÷ 25)/1. Truyền động ăn dao ngang sử dụng thuỷ lực. b/ Máy mài phẳng: Truyền động ăn dao của ụ đá thực hiện lặp lại nhiều chu kỳ, sử dụng thuỷ lực. Truyền động ăn dao tịnh tiến qua lại của bàn dùng hệ truyền động một chiều với phạm vi điều chỉnh tốc độ D = (8 ÷ 10):1 3. Truyền động phụ: Truyền động phụ trong máy mài và truyền động ăn di chuyển nhanh đầu mài, bơm dầu của hệ thống bôi trơn, bơm nước làm mát thường dùng hệ truyền động xoay chiều với động cơ không đồng bộ roto lồng sóc. III. Máy mài 3A 130 Trên máy có 6 động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc cấp điện áp ∆/Y-220/380V và một động cơ một chiều quay chi tiết mài. + Động cơ ĐMN quay đá mài tròn ngoài kiểu A051-4 công suất 4,5kW, tốc độ 1440 vòng/phút. + Động cơ ĐT bơm thủy lực kiểu A042-6, (1,7kW-930 v/p). + Động cơ ĐML quay đá mài lỗ kiểu A031-2, (1kW-2680 v/p). + Động cơ ĐD bơm dầu bôi trơn ở trục đá kiểu A0012-4, (0,08kW-1400 v/p). + Động cơ ĐM bơm chất lỏng làm mát kiểu A22, (0,15kW-2800 v/p). + Động cơ ĐG để gạt phoi kiểu A0012-4, (0,08kW-1400v/p). + Động cơ ĐC quay chi tiết mài; công suất 0,75kW; số vòng quay định mức là 2500 vòng/phút. Mạch điều khiển máy cấp điện áp 127V, mạch chiếu sáng cục bộ 36V. Trong công nghiệp gia công chi tiết kim loại, máy mài dùng để gia công láng sau khi gia công trên máy tiện, máy phay, máy bào, vì lượng thừa trên gia công máy mài rất ít, phạm vi lượng thừa cũng vài phần 10 ly. Gia công những chi tiết tôi mà nhiều máy khác không làm nổi. Máy mài gia công đạt độ chính xác cao do lực cắt tương đối lớn đặc biệt độ dày của lát mài mỏng vì thế không thể mài một lần mà sử dụng nhiều lần mài. Chương II : ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG CŨ VÀ PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN THAY THẾ I. Giới thiệu chung: Khi thiết kế phương án truyền động cho một hệ thống thì ta có nhiều phương án. Tuy nhiên mỗi phương án đều có những ưu nhược điểm nhất định, vấn đề đặt ra là phải lựa chọn phương án nào để phù hợp với công nghệ đề ra, người thiết kế phải đưa ra phương án nào tối ưu nhất phù hợp với các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật. Đối với các hệ thống mà không có yêu cầu cao thì có thể dùng động cơ xoay chiều với hệ thống điều khiển đơn giản, còn đối với những công nghệ có yêu cầu cao thì nên dựng động cơ điện một chiều và hệ thống điều khiển có khả năng tự động hoá cao. Đối với hệ thống này thì bộ biến đổi ở trong mạch điều khiển có vai trò quyết định cho chất lượng của hệ thống. Bộ biến đổi có thể là bộ biến đổi Thyristor hoặc khuếch đại từ. Việc so sánh và lựa chọn phương án truyền động hợp lý nhất có ý nghĩa quan trọng nó thể hiện qua các tiêu chí sau: + Đảm bảo được yêu cầu của máy sản xuất đề ra + Đảm bảo độ làm việc lâu dài và tin cậy + Giảm giá thành sản phẩm và tăng năng suất lao động + Khi xảy ra hư hỏng có thể sửa chữa và thay thế dễ dàng II. Phương án truyền động cũ – Dùng hệ thống khuếch đại từ-Động cơ 1. Sơ đồ nguyên lý: (Hình 3) a/ Giới thiệu thiết bị của sơ dồ: Trên máy có 6 động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc cấp điện áp ∆/Y-220/380V và một động cơ một chiều quay chi tiết mài. + Động cơ ĐMN quay đá mài tròn ngoài kiểu A051-4 công suất 4,5kW, tốc độ 1440 vòng/phút. + Động cơ ĐT bơm thủy lực kiểu A042-6, (1,7kW-930 v/p). + Động cơ ĐML quay đá mài lỗ kiểu A031-2, (1kW-2680 v/p). + Động cơ ĐD bơm dầu bôi trơn ở trục đá kiểu A0012-4, (0,08kW-1400 v/p). + Động cơ ĐM bơm chất lỏng làm mát kiểu A22, (0,15kW-2800 v/p). + Động cơ ĐG để gạt phoi kiểu A0012-4, (0,08kW-1400v/p). + Động cơ ĐC quay chi tiết mài; công suất 0,75kW; số vòng quay định mức là 2500 vòng/phút. Mạch điều khiển máy cấp điện áp 127V, mạch chiếu sáng cục bộ 36V. b/ Nguyên lý làm việc của sơ đồ: Đóng các aptomat A1, A2, A3. Ấn nút khởi động M1 khởi động từ KT tác động, động cơ ĐT bơm thủy lực và động cơ ĐD bơm dầu bôi trơn làm việc. Chọn chế độ mài tròn ngoài hoặc mài lỗ do vị trí của hãm cắt HC1 quyết định. Khi mài tròn ngoài, tiếp điểm HC1 39- 41 đóng, ấn nút khởi động M2, khởi động từ KMN tác động, động cơ quay đá mài ngoài ĐMN làm việc. Khi mài lỗ, tiếp điểm HC1 39- 45 đóng, ấn nút M2 khởi động từ KML tác động, động cơ quay đá mài lỗ ĐML làm việc. Động cơ quay chi tiết ĐC có hai chế độ làm việc: Làm việc không tự động: Tiếp điểm của công tắc CT 49-51 đóng. Khống chế sự làm việc của động cơ quay chi tiết ĐC bằng nút ấn khởi động MĐ và ngừng làm việc của động cơ ĐC bằng nút dừng DĐ. Làm việc tự động: Tiếp ddierm của công tắc CT 51-53 đóng. Khống chế sự làm việc của động cơ quay chi tiết bằng hãm cắt HC2. Khi ụ đá mài tiến vào chi tiết, tiếp điểm hãm cắt HC2 35-53 đóng, rơ le trung gian RTG tác động kéo theo khởi động từ KĐC tác động, động cơ quay chi tiết làm việc. Cùng lúc đó khởi động từ KH làm việc, động cơ bơm chất lỏng làm mát ĐM và động cơ tách phoi ĐG quay. Khi ụ đá lùi về phía sau, tiếp điểm của hãm cắt HC2 mở ra, rơ le trung gian RTG, khởi động từ KĐC, KH bị cắt điện làm cho động cơ ĐC ngừng làm việc. Để dừng nhanh động cơ ĐC, thực hiện quá trình hãm động năng, trong lúc máy làm việc các tiếp điểm thường kín RTG 35-61 và KĐC 61-63 mở ra, khởi động từ H không làm việc. Khi ấn nút dừng D để dừng toàn bộ máy hoặc khi ấn nút dừng DĐ hay chuyển tay gạt thủy lực đưa ụ đá lùi về phía sau, hãm cắt HC2 35-53 rơ le RTG và công tắc tơ KĐC mất điện. Khởi động từ H tác động, tiếp điểm H 50-56 đóng lại khép mạc phần ứng động cơ vào điện trở hãm Rh để hãm động năng. 2.Ưu nhược điểm của phương án truyền động cũ a/ Ưu điểm: - Khả năng khởi động và làm việc tin cậy. - Thực hiện điều khiển một cách tuyến tính. - Sơ đồ thực hiện điều chỉnh bộ khuếch đại từ tương đối đơn giản. b/ Nhược điểm: - Tổn hao riêng tương đối lớn, hiệu suất thấp - Phạm vi điều chỉnh hẹp - Độ chính xác không cao, tính trễ lớn - Kết cấu của sơ đồ còn cồng kềnh, chi phí đắt, không phổ biến. Vậy để khắc phục được những nhược điểm trên mà vẫn đảm bảo yêu cầu của công nghệ của máy ta phải thay thế bởi phương án truyền động mới. III. Phương án truyền động dùng hệ T - Đ Hệ T- Đ một chiều dùng bộ biến đổi là một loại nguồn điện một chiều khi nối nó vào mạch phần ứng với động cơ điện một chiều kích từ độc lập ta sẽ được hệ T- Đ. Khác với máy phát điện một chiều bộ biến đổi trực tiếp nối biến dòng xoay chiều thành dòng một chiều không qua một khâu trung gian cơ học nào. Hiện nay Tiristor được dùng phổ biến để tạo ra các bộ chỉnh lưu có điều khiển bởi các tính chất ưu việt của chúng : Gọn nhẹ, tổn hao ít, tác động nhanh. 1. Nguyên lý điều khiển động cơ điện một chiều: Nhận năng lượng từ lưới xoay chiều thông qua bộ chỉnh lưu biến dòng xoay chiều thành dòng một chiều. Cấp cho phần ứng động cơ điện một chiều. Sơ đồ nguyên lý Hình 5 : Sơ đồ khối hệ truyền động T- Đ 2. Các chế độ làm việc a/ Chế độ dòng liên tục Khi mô men tải Mt tăng thì dòng điện động cơ tăng dẫn đến năng lượng điện từ tăng. Khi điện áp nguồn nhỏ hơn sức điện động thì năng lượng của cuộn dây lớn làm cho năng lượng ra đủ sức để duy trì dòng điện đến thời điểm mở van kế tiếp. b/ Chế độ dòng gián đoạn Do mạch của động cơ có điện cảm và điện cảm ấy có tích lũy năng lượng. Nếu dòng điện nhỏ, lượng tích lũy năng lượng của cuộn dây nhỏ nên xả năng lượng nhỏ, vì vậy điện áp của lưới nhỏ hơn sức điện động của động cơ; năng lượng của cuộn dây xả ra để đảm bảo anot dương hơn catot không đủ duy trì tính chất liên tục của dòng điện. Lúc này dòng điện qua van trở về 0 trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn. c/ Chế độ biên liên tục Khi chuyển từ trạng thái liên tục sang trạng thái gián đoạn hệ sẽ phải trải qua một trạng thái giới hạn, đó là trạng thái biên liên tục. 3. Đặc tính cơ của hệ thống a. Chế độ dòng liên tục : Phương trình đặc tính cơ Thay đổi góc điều khiển a = ( 0¸) điện áp của chỉnh lưu và ta được đặc tính họ song song nằm 1/2 bên phải hệ tọa độ (MOw). Những đặc tính đó không thuộc nửa bên trái là do các van không cho dòng điện phản ứng đổi chiều. Khi đó tốc độ không tải lý tưởng tùy thuộc vào góc điều khiển a. Và độ cứng đặc tính cơ : b. Chế độ dòng gián đoạn : Phương trình đặc tính cơ : Khi làm việc ở chế độ dòng gián đoạn đường đặc tính cơ không là đường thẳng mà là đường cong có độ cứng thấp hơn . Biên giới vùng dòng điện gián đoạn là dòng phân cách giữa vùng dòng điện liên tục và dòng gián đoạn chính là tập hợp đường trạng thái biên độ. Khi thay đổi gúc a = ( 0 ) gần đúng là đường elip có các trục chính là trục tọa độ. Họ đặc tính cơ như hình vẽ : Ưu điểm : - Tăng phạm vi điều chỉnh tốc độ. - Nâng cao hệ số cos. - Khắc phục đặc tính trễ. - Độ tác động nhanh cao, tổn thất ít, giảm tiếng ồn, hiệu suất lớn có khả năng điều chỉnh trơn (8-1)với phạm vi điều chỉnh rộng (D = 102 – 103 ). - Có thể thiết lập hệ tự động phòng kín để mở rộng dải điều chỉnh và cải thiện điều kiện làm việc của hệ. - Giá thành thiết bị rẻ, có mặt phổ biến trên thị trường. Nhược điểm : Khả năng linh hoạt khi đổi trạng thái làm việc không cao, khả năng quá tải về dòng và áp của van kém sức điện động của bộ biến đổi có biên độ đập mạch lớn gây tổn hao phụ trong động cơ và làm xấu điều kiện chuyển mạch trên cổ góp của động cơ làm xấu điện áp nguồn. IV. Đánh giá phương án truyền động cũ và mới Qua phân tích, đánh giá các ưu nhược điểm của các hệ truyền động, mỗi phương án truyền động có những ưu nhược điểm riêng, mỗi hệ thống đều đáp ứng những tiêu chí về kỹ thuật riêng như: Hệ truyền động dùng KĐT phạm vi điều chỉnh hẹp, tính trễ không cao, hiệu suất không cao. Hệ truyền động T - Đ gọn nhẹ có hệ số khuếch đại lớn, dễ tự dộng hóa, có độ chính xác cao, công suất tổn hao nhỏ. Với những ưu điểm và những đặc điểm phù hợp với cách truyền động, nhìn chung hệ T-Đ đáp ứng yêu cầu đặt ra. Do đó ta chọn hệ truyền động T-Đ cho hệ thống ăn dao của máy. Chương III : TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHỦ YẾU CỦA MẠCH ĐỘNG LỰC I. Giới thiệu một số sơ đồ chỉnh lưu 1. Mạch chỉnh lưu cầu một pha : Sơ đồ mạch điện: A B Hình 6 : Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển đối xứng Hoạt động của sơ đồ : Trong nữa chu kỳ UAB> 0, điện áp anot của Tiristor T1 dương (catot T2 âm), nếu có xung điều khiển cho cả hai van T1, T2 đồng thời, thì các van này sẽ được dẫn để đặt điện áp lưới lên tải. Điện áp tải một chiều còn trùng với điện áp xoay chiều chừng nào các Tiristor còn dẫn (khoảng dẫn của Tiristor tùy thuộc vào tính chất của tải). Đến nữa chu kỳ sau, điện áp đổi dấu (UAB<0), anot của Tiristor T3 dương, catot T4 âm, nếu có xung điều khiển cho cả hai van T3,T4 đồng thời thì các van này sẽ được dẫn để đặt điện áp lưới lên tải, với điện áp một chiều trên tải có chiều trùng với nữa chu kỳ trước. Mạch chỉnh lưu cầu một pha có thể không dùng máy biến áp, giá trị điện áp trung bình một chiều ra tải, nếu tăng giá trị góc điều khiển thì điện áp trung bình sẽ giảm, ngược lại nếu giảm góc điều khiển thì điện áp trung bình sẽ tăng, giá trị điện áp trung bình ra tải là ứng với dòng điện trung bình qua tải với . Với sơ đồ này ta nhận được điện áp, dòng trên tải và van ở dạng sau: u t Hình 7 : Giản đồ thời gian với điện áp 2. Mạch chỉnh cầu ba pha: Sơ đồ mạch điện: Hình 8 :Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha Hoạt động của sơ đồ: Nhóm anốt(NA) gồm 3 tiristor T1, T3, T5 tạo thành một chỉnh lưu tia 3 pha cho điện áp dương; nhóm catốt(NK) gồm 3 tiristor T2,T4,T6 tạo thành một chỉnh lưu tia 3 pha cho điện áp âm, hai nhóm này gộp lại thành cầu 3 pha điều khiển đối xứng. Dòng chạy qua tải là dòng chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm cần mở 2 Tiristor, chúng ta cần cần cấp 2 xung điều khiển đồng thời ( một xung ở nhóm anot, một xung ở nhóm catot ). Hình 9. Giản đồ điện áp Tại thời điểm t1 cần mở T1 của pha A phía NA cấp xung X1, đồng thời tại đó cấp thêm xung X4 cho T4 của pha B phía NK. Các thời điểm tiếp theo cũng tương tự. Thứ tự cấp xung điều khiển cũng cần tuân thủ theo đúng thứ tự pha. Khi cấp đúng các xung điều khiển, dòng điện sẽ được chạy từ pha có điện áp dương hơn về pha có điện áp âm hơn. Trong khoảng t1-t2 pha A có điện áp dương hơn, pha B có điện áp âm hơn, dòng điện chạy từ A về B qua T1,T4. Khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn, trong mỗi khoảng dẫn của một van của nhóm này thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho nhau. Điện áp ngược các van phải chịu ở chỉnh lưu cầu ba pha sẽ bằng 0 khi van dẫn và bằng điện áp dây khi van khóa. Hệ thống T - Đ không đảo chiều Sơ đồ mạch điện : II. Lựa chọn phương án mạch lực và tính chọn các thiết bị cho mạch lực Đối với máy mài 3A 130 động cơ một chiều quay chi tiết không yêu cầu đảo chiều quay và có các cấp tốc độ khác nhau với công suất nhỏ 0,75 kW. Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha dùng cho động cơ một chiều có công suất lớn, dải điều chỉnh rộng nên ta chọn chỉnh lưu có điều khiển cầu 1 pha làm phương án thiết kế cho mạch lực. Sơ đồ mạch lực: Diốt D0 có tác dụng : giảm độ nhấp nhô của điện áp và dòng điện tải; tăng hiệu suất của bộ chỉnh lưu; không cho phép chế độ nghịch lưu phụ thuộc. Tính chọn các thiết bị mạch lực Sơ đồ nguyên lý mạch lực : Các thông số của động cơ một chiều quay chi tiết : Pđm= 0,75 kW, nđm= 2500 (v/p), 1. Tính chọn máy biến áp : Tra bảng 2-1 trang 81 sách ĐTCS Võ Minh Chính ,, Công suất biểu kiến của máy biến áp : Số vòng dây của cuộn sơ cấp : Trong đó : , tiết diện trụ của lõi thép biến áp; - hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, chọn KQ = 6 (máy biến áp khô). (thường chọn trong khoảng 1-1,8 T tùy thuộc chất lượng tôn), với thép cán nguội chọn B = 1,5T. (vòng) Mặt khác: suy ra (vòng) Sử dụng máy biến áp có kết cấu lõi thép. Ta có: ,,,, Chọn trụ chữ nhật với các kích thước : Mô hình lõi thép: Hình 13. Sơ đồ kết cấu lõi thép máy biến áp Suy ra : Chọn : ; (mm2); Chọn : d2 = 1,56mm, d2cd = 1,645 mm d1 = 1,6 mm, d1cd = 1,685 mm Chọn chiều dày cách điện Tính số vòng dây của cuộn sơ cấp trên mỗi lớp : (vòng/lớp) Số lớp cần quấn ở cuộn dây sơ cấp : (lớp) Bề dày cuộn dây sơ cấp : Tính số vòng dây của cuộn thứ cấp trên mỗi lớp : (vòng/lớp) Số lớp cần quấn ở cuộn dây thứ cấp : (lớp) Bề dày cuộn dây thứ cấp : Tổng bề dày các cuộn dây : B = Bs + BT +…+ cdt + cdn + cd12 Trong đó : cdt, cdn – bề dày ccsh điện trong cùng và ngoài cùng. cd12 – khoảng cách cách điện giữa các cuộn dây. B = 9,5 +8,9 +1 +1 +1 = 21,4 mm < c =23mm. Vậy kết cấu của lõi hép máy biến áp ta chọn là phù hợp với điện áp ra là: . 2. Tính chọn Tiristor Điện áp ngược lớn nhất đặt lên Tiristor : Điện áp ngược Tiristor cần chọn : Unv = kdtUUn = 1,6 . 345 = 552 (v) Dòng điện qua Tiristor : Với khd - hệ số xác định dòng điện hiệu dụng (CL cầu 1 pha ĐKĐX chọn khd =) Cần chọn Tiristor có : IđmT = ki IT = 1,2.2,84 = 3,408 (A) Ta chọn hệ số dự trữ điện áp và dòng điện kdtU = 1,6 ; ki = 1,2 Từ các thông số Unv, IđmT ta chọn loại Tiristor TLS106-6 với các thông số : Ký hiệu Tiristor Un (v) Iđm (A) Ipik (A) Ig (µA) Ug (v) Ih (A) Ir (A) ∆U (v) dU/dt v/s tcm (µs) Tmax (°C) TLS106-6 600 4 35 200 1 5m 300 1,9 10 40 110 Trong đó : Un – Điện áp ngược cực đại; Ir – Dòng điện rò. Iđm – Dòng điện làm việc cực đại; ∆U- Sụt áp trên Tiristor ở trạng thái dẫn. Ipik – Dòng điện đỉnh cực đại; dU/dt – Đạo hàm điện áp. Ig - Dòng điện xung điều khiển; tcm - Thời gian chuyển mạch. Ug – Điện áp xung điều khiển; Tmax – Nhiệt độ làm việc cực đại. Ih - Dòng điện tự giữ. 3. Tính chọn các thiết bị bảo vệ Các tiristor là các linh kiện bán dẫn công suất lớn nên cần được bảo vệ tốt khi chúng làm việc trong mạch điện, chống các sự cố bất ngờ. Đối với các hệ thống dùng tiristor có 2 loại bảo vệ: - Bảo vệ các tiristor khỏi bị hỏng. Đó là các bảo vệ khỏi quá tải, ngắn mạch khỏi quá áp và độ tăng trưởng dòng quá mức. - Bảo vệ hệ tiristor không bị ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài cũng như không gây nhiễu cho các hệ thống khác. Đó là các bảo vệ khỏi độ tăng trưởng điện áp quá mức và chống nhiễu cho radio. Bảo vệ quá điện áp : Do quá trình đóng cắt các Tiristor được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với Tiristor. Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược, gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anot và catot của Tiristor. Mạch R – C thường được dùng để bảo vệ quá điện áp nhờ quá trình nạp tụ C. Mạch R – C mắc song song với tiristor để chống quá áp khi dịch chuyển.(Theo tài liệu trang bị điện điện tử công ngiệp trang 189 Vũ Quang Hồi). Hình 14. Sơ đồ bảo vệ quá điện áp Ta có thể chọn gần đúng giá trị : R = (5 - 30)W; C = (0,25- 4)mF Chọn :R1 = 5 (W); C1 = 0,25mF Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện ta mắc R-C như hình 15, nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung nằm hoàn toàn trên điện trở đường dây. Hình 15. Mạch R-C bảo vệ điện áp từ lưới Tính chọn Diot đệm : (Thoả mãn điều kiện) Ta chọn Diot B – 10 Liên Xô cũ chế tạo. 4. Tính chọn cuộn kháng lọc Chọn góc mở cực tiểu amin = 100. Với góc amin là dự trữ để có thể bù được sự giảm điện áp lưới. Khi góc mở nhỏ nhất a = amin thì điện áp trên tải lớn nhất : Udmax = Ud0.cosamin và tương ứng tốc độ động cơ sẽ lớn nhất nmax = nđm. Khi góc mở lớn nhất a = amax thì điện áp trên tải là nhỏ nhất : Ud min = Ud0.cosamax và tương ứng tốc độ động cơ sẽ nhỏ nhất nmin. Ta có : Trong đó Udmin được tính như sau: RưS = Rư + RBA = 4,11 + 1,62 =5,73 (W) Điện trở của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 750C : Với : r75 = 0,02133 (W.mm2/m). Điện trở cuộn thứ cấp máy biến áp ở 750C : Điện trở của máy biến áp qui đổi về thứ cấp : Do đó : Theo ĐTCS (Võ Minh Chính) Tr 118 ta có: Đảm bảo thoả mãn hệ số đập mạch ra chọn Theo giả thiết : Với : 5. Tính chọn mạch khuếch đại trung gian Mạch khuếch đại trung gian gồm các khâu tạo ra điện áp chủ đạo, khâu tổng hợp tín hiệu, phản hồi âm dòng, âm tốc độ, các khâu này đều sử dụng vi mạch thuật toán kết hợp với các linh kiện điện tử có liên quan nên tín hiệu ra tuyến tính với tín hiệu vào thông qua các bộ khuếch đại thuật toán. Mạch tạo điện áp chủ đạo: Hình 16. Sơ đồ mạch điều khiển tạo ra điện áp chủ đạo a/ Tính chọn mạch phản hồi âm tốc độ dùng máy phát tốc : Căn cứ vào tốc độ định mức của động cơ và sai lệch tĩnh của hệ thống ta chọn được loại máy phát tốc như sau : Kiểu Pđm(W) Uđm(V) Iđm(A) n đm(v/p) Rå(W) 32/1YU 115 230 0,5 1000 7,34 b/ Tính chọn máy biến dòng BD cấp cho bộ chỉnh lưu đến khâu ngắt Mã sản phẩm BD35 dòng 50/5 A (tra bảng PL 2.27 trang 350 hệ thống cung cấp điện của Nguyễn Công Hiền) Chương IV : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỞ VAN I. Nguyên lý chung của mạch điều khiển 1. Nhiệm vụ của mạch điều khiển: Tạo ra các xung vào ở những thời điểm mong muốn để mở các van động lực của bộ chỉnh lưu. Tiristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dương đặt trên Anốt và có xung áp dương đặt vào cực điều khiển không còn tác dụng. Chức năng của mạch điều khiển : - Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên anot – catot của tiristor. - Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở tiristor độ rộng xung tx < 10(ms). Biểu thức độ rộng xung: Trong đó: Iđt là dòng duy trì của tiristor. di/dt : tốc độ tăng trưởng của dòng tải. Đối tượng cần điều khiển được đặc trưng bởi đại lượng điều khiển là góc a. 2. Phương pháp điều khiển theo nguyên tắc điều khiển chung. Nguyên lý hoạt động của van là dẫn theo cặp T1T2 và T3 T4, vì vậy ở thời điểm khi T3 T4 đang dẫn ta cho mở cặp T1T2 thì đồng thời có 2 nhóm van chuyển mạch T3 chuyển cho T1, T4 chuyển cho T2. Hình 17. Giản đồ mở van 3. Nguyên tắc điều khiển Tiristor Mạch điều khiển tiristor có thể phân loại theo nhiều cách. Song các mạch điều khiển đều dựa theo nguyên lý thay đổi góc pha và theo đó ta có hai nguyên lý khống chế “ngang” và khống chế “đứng”. Khống chế “ngang “: là phương pháp tạo góc a thay đổi bằng cách dịch chuyển điện áp ra hình sin theo phương ngang so với điện áp tựa. Ưu điểm: Mạch phát xung đơn giản. Nhược điểm: Góc a phụ thuộc vào dạng điện áp và tần số lưới, do đó độ chính xác của góc điều khiển thấp. Khống chế “đứng” : là phuơng pháp tạo góc a thay đổi bằng cách dịch chuyển điện áp chủ đạo theo phuơng thẳng đứng so với điện áp tựa răng cưa. Ưu điểm: - Tổng hợp tín hiệu dễ dàng. - Phương pháp khống chế “đứng” có độ chính xác cao và khoảng điều khiển rộng ( từ 0o -180o ). - Độ dốc sườn trước của xung đảm bảo hệ số khuyếch đại phù hợp. - Làm việc tin cậy,có độ chính xác cao, với độ nhạy theo yêu cầu. Nhược điểm: Mạch phát xung phức tạp. 4. Cấu trúc mạch điều khiển. Hình 18. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển Khối 1: là khối đồng bộ hoá và phát xung răng cưa, khối này có nhiệm vụ lấy tín hiệu đồng bộ và phát ra điện áp hình răng cưa. Khối 2: là khối so sánh, có nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu điện áp Urc và Uđk để phát ra xung điện áp đưa tới mạch phát xung. Khối 3 : là khối tạo xung có nhiệm vụ tạo ra xung điều khiển đưa tới các cực điều khiển tiristor. U : là điện áp lưới xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu. Urc : Điện áp tựa thường có dạng hình răng cưa lấy từ đầu ra khối ĐBH&PXRC. Uđk: Điện áp điều khiển, đây là điện áp một chiều được đưa từ ngoài vào dùng để điều khiển giá trị góc a. UđkT : Điện áp điều khiển tiristor là chuỗi xung điều khiển lấy từ đầu ra hệ thống điều khiển (cũng là đầu ra của khâu truyền xung) và được truyền đến điện cực điều khiển G và K của tiristor. 5. Nguyên lý làm việc. Điện áp cấp cho mạch động lực BBĐ được đưa đến mạch đồng bộ hoá và phát xung răng cưa của khối 1. Đầu ra của mạch đồng bộ hoá có điện áp hình sin cùng tần số với điện áp nguồn cung cấp và được gọi là điện áp đồng bộ. Điện áp đồng bộ được đưa vào mạch phát xung răng cưa để tạo ra điện áp răng cưa cùng tần số với điện áp cung cấp. Điện áp răng cưa và điện áp điều khiển ( thay đổi được trị số ) đưa vào mạch so sánh sao cho cực tính của chúng ngược nhau. Tại thời điểm trị số hai điện áp này bằng nhau thì đầu ra của mạch so sánh thay đổi trạng thái, xuất hiện xung điện áp. Nhu vậy xung điện áp có tần số xuất hiện bằng với tần số xung răng cưa, bằng tần số nguồn cung cấp. Thay đổi trị số nguồn điều khiển sẽ làm thay đổi thời điểm xuất hiện xung ra của mạch so sánh, xung này được đưa đến cực điều khiển Tristor để mở van. Do xung đầu ra của mạch so sánh không đủ độ rộng và biên độ mở van, vì vậy phải sử dụng thêm mạch khuyếch đại và truyền xung. Nhờ đó mà các xung ra của mạch này đủ điều khiển mở chắc chắn các Tristor. II. Thiết kế mạch phát xung điều khiển 1. Mạch đồng bộ hoá và phát xung răng cưa. Nhiệm vụ: Tạo ra 1 hệ thống các xung có dạng răng cưa tuyến tính xuất hiện lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ nguồn xoay chiều cấp cho sơ đồ chỉnh lưu. Khâu đồng bộ hoá: Để tạo ra điện áp đồng bộ với điện áp xoay chiều cấp cho mạch chỉnh lưu. Ta có thể sử dụng các mạch phân áp bằng điện trở hay kết hợp giữa điện trở và điện dung, điện cảm. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là không cách ly được điện áp cao giữa mạch điều khiển và mạch động lực, do vậy ít được sử dụng. Phương pháp phổ biến hiện nay là sử dụng biến áp đồng bộ trong đó cuộn sơ cấp được nối vào lưới còn thứ cấp là điện áp đồng bộ. Khâu phát xung 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 phát ra điện áp dạng răng cưa. Đó là mạch đồng bộ hoá và phát xung răng cưa. Mạch đồng bộ hoá: Để tạo ra điện áp đồng bộ theo yêu cầu đặt ra, thường sử dụng 2 kiểu mạch đơn giản là mạch phân áp và mạch dùng biến áp đồng bộ. Mạch phân áp dùng điện trở hoặc kết hợp điện trở, điện dung, điện cảm nhằm tạo ra điện áp xoay chiều hình sin cùng tần số, trùng hoặc lệch pha với điện áp cung cấp cho mạch chỉnh lưu. Mạch dùng biến áp đồng bộ là mạch dùng một biến áp công suất nhỏ để tạo ra điện áp đồng bộ. Thứ cấp của biến áp có thể có một hoặc nhiều cuộn thứ cấp, một pha, 3 pha hoặc 6 pha... tuỳ thuộc vào sơ đồ của chỉnh lưu. Đây là loại mạch đồng bộ thường được dùng nhiều nhất. Mạch phát xung răng cưa: Có thể dùng các loại mạch phát xung răng cưa như sau: Mạch dùng điôt - điện trở - tụ điện (D-R-C) Mạch dùng D-R-C và Transistor. Trong phạm vi đồ án này, ta sử dụng sơ đồ như hình 19. Sơ đồ này có ưu điểm vừa đơn giản, vừa tin cậy. Ở nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn, Tranristor bị khoá do van D mở, tụ C được nạp cực tính như hình vẽ. a) b) Hình 19. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị điện áp khâu ĐBH & PXRC Nửa chu kỳ tiếp theo, D khoá Tr mở, tụ C phóng điện qua Tranristor, thời gian phóng phụ thuộc và điện trở R3. 2. Mạch so sánh: Việc so sánh điện áp răng cưa và điện áp điều khiển có thể thực hiện bằng Transistor hoặc vi mạch điện tử. Việc ghép nối tín hiệu có thể 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 độ chính xác cao nhưng khi tín hiệu răng cưa có dạng xoay chiều thì việc so sánh gặp nhiều khó khăn. Việc so sánh bằng Transistor đơn giản nhưng không chính xác vì Transistor không mở khi: Hình 20. Sơ đồ nguyên lý khâu so sánh dùng KĐTT KĐTT có hệ số khuếch đại vô cùng lớn, do đó có thể phát xung điều khiển chính xác tại Uđk= Urc. Nguyên lý hoạt động: Gồm hai điện trở hạn chế dòng và khuếch đại OA. OA làm việc như một triger trạng thái ra thay đổi khi Urc = Uđk. Khi Urc > Uđk thì Uss = + Ubh Khi Urc < Uđk thì Uss = - Ubh Khi Urc = Uđk thì Uss = 0 Góc điều khiển tăng trong khoảng từ 0 ¸ 180o điện áp trên tải tương ứng sẽ thay đổi từ Uđm về 0 và ngược lại. Các xung ở đầu ra của bộ so để tạo ra xung chùm đưa vào khuếch đại xung các xung điều khiển được khuếch đại đạt công suất và biên độ thoả mãn điều kiện mở van. 3. Khâu sửa xung Để đảm bảo các yêu cầu về độ chính xác của thời điểm xuất hiện xung, sự đối xứng của các xung ở các kênh khác nhau, người ta thường thiết kế các khâu so sánh làm việc với công suất nhỏ, do đó xung ra chưa đủ các thông số yêu cầu. Để khắc phục vấn đề này mạch điều khiển cần sử dụng khâu tạo xung. Khâu tạo xung bao gồm các mạch sau: Mạch sửa xung Mạch khuyếch đại xung Mạch truyền xung đến Tiristor. Hình 21. Sơ đồ nguyên lý mạch sửa xung Mạch sửa xung: Xuất phát từ nguyên lý hoạt động của khâu so sánh ta thấy: Khi thay 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. 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 21. Trong sơ đồ: Uv là điện áp vào của mạch, đó chính là điện áp ra của khâu so sánh có mức bão hoà dương và âm. Các phần tử R8 và C2 sẽ quyết định độ dài của xung ra. Nguyên lý làm việc: Khi điện áp vào Uv ở mức bão hoà dương cùngvới điện trở định thiên R9, Tr6 mở bão hoà, tụ C2 được nạp với cực tính như phía trên (qua C2 –R8-Tr6). Tr6 mở bão hoà làm điểm F có mức lôgíc “0”. Mức lôgíc này tồn tại trong suốt quá trình Uv bão hoà dương. Khi điện áp Uv ở mức bão hoà âm, tụ C2 phóng điện (qua D1...) đặt thế âm lên mạch phát – gốc của Tr6 làm Tr6 khoá dẫn đến điểm F có mức lôgíc “1”, nghĩa là đầu ra nhận được xung ra. Do điện trở ngược của Tr6 rất lớn nên Ura » Ucc. Khi C2 phóng hết điện tích, nó sẽ được nạp theo chiều ngược lại. Nhờ có R9 mà thế (+) lại đặt lên mạch phát – gốc của Tr6 làm đầu ra lại có mức lôgíc “0”. Mặc dù còn xung âm ở đầu vào nhưng nhờ có R9 mà Tr6 mở bão hoà. Thời gian tồn tại xung được xác định theo biểu thức: Hình 22. Giản đồ điện áp khâu sửa xung Độ dài của xung chỉ phụ thuộc vào giá trị của R8 và C2 do đó các xung ra luôn có giá trị không đổi. Mạch khuếch đại và truyền xung: Để khuyếch đại công suất của xung điều khiển, hiện nay phổ biến nhất là các sơ đồ khuyếch đại bằng Tiristor và Transistor. Hình trên là sơ đồ mạch khuyếch xung dùng Transistor khá phổ biến hiện nay. Tín hiệu đầu vào Uv của mạch khuyếch đại xung sử dụng 2 Transistor ghép nối tiếp (còn gọi là ghép kiểu Darlinhtơn). Tr7 và Tr8 mắc nối tiếp tương đương một Transistor có hệ số khuyếch đại dòng điện: b = b1.b2. Chức năng của các phần tử trong sơ đồ: D2 là điôt có tác dụng giảm dòng điện qua cuộn dây sơ cấp của BAX khi các Transistor khoá, đồng thời hạn chế quá điện áp trên Transistor. D3 để bảo vệ cuộn dây thứ cấp của BAX như đối với D2 của mạch sơ cấp. D4 để ngăn xung âm có thể tới cực điều khiển của Tiristor như các Transistor khác. Các điện trở để hạn chế xung áp đầu vào và dòng điện cực góp của Transistor. Nguyên lý làm việc: 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. + Xét trường hợp tbh > ttv : Trong khoảng thời gian t = 0 – t1, chưa có xung vào, không có dòng qua BAX nên thứ cấp của máy không có tín hiệu. Khi t = t1, xuất hiện xung vào, Tr7,Tr8 mở bão hoà nên cuộn W1 có dòng điện chạy qua, làm cảm ứng sang phía thứ cấp xung điện áp, tạo dòng điện qua D4 đến mạch G-K của Tiristor. Khi t = t2 (lúc này mạch từ chưa bão hoà) mất xung vào. 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 Tiristor. Xung dòng âm khép mạch qua R17 và D3 tiêu tán trên điện trở. Nhờ có D2 và D3 mà không xuất hiện điện áp tự cảm rất lớn trên dây quấn sơ thứ của BAX. Hình 24. Giản đồ điện áp đầu ra biến áp xung + Xét trường hợp tbh < ttv : Khi t < t1 chưa có xung đầu vào, Tr7, Tr 8 khoá, không có xung điều khiển. Khi t = t1: Xuất hiện xung vào làm Tr7, Tr8 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. Sơ đồ nguyên lý mạch phát xung điều khiển mở van Khâu ĐBH&PXRC Khâu SS Khâu sửa xung KĐ&TX III. Tính toán các thông số của mạch điều khiển Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng 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. Dòng điện điều khiển tiristor: Iđk = 0,2(A). Điện áp điều khiển tiristor: Uđk = 1 (V) Thời gian mở tiristor: tcm = 40 () Độ rộng xung điều khiển: tx = 2.tcm= 80 () 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 , 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: Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp MBA xung: Dòng điện thứ cấp MBA xung: Dòng điện sơ cấp MBA xung: 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. 3. Tính chọn nguồn nuôi Chọn máy biến một pha 4 cuộn dây, một cuộn sơ cấp , 3 cuộn thứ cấp. Sử dụng chỉnh lưu cầu một pha kết hợp với IC 7815 ; IC 7915; IC 7805 để tạo nguồn nuôi cho mạch điều khiển. Chọn điện áp vào IC 7815 và IC 7915 là 18 (V) Chọn đầu vào IC 7805 là 8(V) Mặt khác với tải nguồn nuôi gồm: Tải 2 bộ IC7815 và IC7915 có 12 Transitor loại 2SC9111 P = 1,7(w); 2IC loại TL084 ; 2 máy biến áp xung Và tải của nguồn IC7805 là: Vậy: Chương V: XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH TĨNH CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG Xây dựng đặc tính tĩnh của hệ thống là xây dựng đặc tính n = f(I) hoặc n = f(M) qua đó kiểm tra được độ sụt tốc, tức là đánh giá được sai lệc tĩnh của hệ thống xem có đảm bảo yêu cầu đặt ra của hệ thống truyền động quay chi tiết hay không; đồng thời cũng kiểm tra các giá trị dòng ngắt, 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 qua 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 tức là có thể suy ra đặc tính n = f(M) từ đặc tính n = f(I) do đó ta chỉ xây dựng quan hệ n = f(I). Khi xây dựng đặc tính ta đưa ra các giả thiết sau: - Động cơ làm việc ở chế độ dài hạn; - Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi là hằng số; - Tiristor là phần tử bán dẫn tác động nhanh không có quán tính; - Điện trở của 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 liên tục. Đặc tính tĩnh trong vùng làm việc Thông số của động cơ đã cho: U = 220V; Rư = 4,11; nđm = 2500 (V/ph); Iđm = 4,01(A) Lư = 0,12 (H); ; D = 30/1; St = 5% Khi chưa xét đến phản hồi âm dòng có ngắt và âm tốc độ tác động: +) Vẽ đường đặc tính cơ tự nhiên : nđm = 2500 (V/ph) Từ phương trình đặc tính: k= Tại tốc độ không tải lý tưởng thì M = 0 Nên : +) Vẽ đường đặc tính cơ thấp nhất: Dải điều chỉnh D được tính theo công thức: Vậy: nmin= nmax: 30 = 2500 : 30 =83,333 (V/ph) Ta có: Hay: Nên : Ta vẽ được đường đặc tính cơ khi chưa có phản hồi âm dòng có ngắt và âm tốc độ (hình vẽ trên). Sai lệch tĩnh lớn nhất (ứng với đường đặc tính cơ thấp nhất). Sai lệch tĩnh St = 71% > 5%. Như vậy không thỏa mãn yêu cầu. Nhận xét: Để thoả mãn giải điều chỉnh D = 30/1 thì hệ số sai lệch tĩnh của hệ thống lại trở nên quá lớn so với yêu cầu, không thoả mãn các chỉ tiêu chất lượng quan trọng là sai lệch tĩnh St. Tất nhiên, có thể suy ra điều ngược lại. Tóm lại: Khi hệ thống hở thì chất lượng tĩnh của hệ rất kém .Vì vậy, chúng ta cần thực hiện điều khiển hệ thống bằng hệ kín có phản hồi âm tốc độ và phản hồi âm dòng có ngắt nhằm thoả mãn hai yêu cầu: Chất lượng tĩnh của hệ và bảo vệ dòng điện. ChươngVI: XÉT ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG I. Tính ổn định của hệ thống Trong quá trình làm việc của hệ thống truyền động điện tự động, do nhiễu loạn hoặc do nhiều nguyên nhân khác mà hệ thống có thể bị mất ổn định. Tính ổn định của hệ thống là tính hệ thống có thể trở lại trạng thái ban đầu khi nhiễu loạn mất đi sau một khoảng thời gian nào đó hoặc khả năng xác lập trạng thái ổn định mới khi sai lệch đầu vào thay đổi. Xét ổn định cho hệ thống là xem hệ thống có ổn định hay không dựa vào các tiêu chuẩn ổn định. Từ đó ta hiệu chỉnh hệ thống để hệ thống làm việc an toàn, tin cậy đạt được các yêu cầu mong muốn. 1. Tính các hệ số khuếch đại của hệ kín a/ Chọn máy phát tốc có số liệu như sau: Hệ kín gồm phản hồi âm tốc độ và phản hồi âm dòng có ngắt. Mã hiệu Pđm(w) Uđm(v) Iđm(A) N(v/ph) 32/1YU 115 230 0,5 1000 7,34 Hệ số truyền của máy phát tốc: Tỷ số truyền của bộ truyền : Điện áp ra của máy phát FT được đưa vào bộ KĐ trung gian nên chỉ lấy một phần qua triết áp Hệ số khuếch đại: b/ Tính hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại trung gian: Để tính được hệ số khuếch đại trung gian ta phải xác định được hệ số của chúng. Sơ đồ khối của hệ thống với các khâu phản hồi tốc độ, phản hồi âm dòng có ngắt . Để xác định được hệ số khuếch đại của khâu trung gian ta chỉ xét khi động cơ làm việc ổn định (tức là có khâu âm tốc độ tác động ) khi đó sơ đồ khối của hệ thống như hình vẽ 3-5. Trong đó : : là hệ số khuyếch đại tốc độ. : là hệ số khuyếch đại dòng điện . : là hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi . : là hệ số khuyếch đại động cơ. : là hệ số phản hồi âm tốc độ Phương trình đặc tính cơ điện : Đặt Độ sụt tốc độ ứng với đặc tính cơ thấp nhất : Mặt khác ta có: Suy ra: Ta lại có độ sụt tốc của động cơ Từ suy ra : Với: KĐ là hệ số động cơ: hệ số khuyếch đại của bộ bién đổi được xác định bằng tỷ số giữa và : Muốn xây dựng đặc tính phụ tải ta phải xây dựng các quan hệ: Xét quan hệ từ phương trình điện áp chỉnh lưu cầu một pha . Xét quan hệ . Vì góc mở phụ thuộc vào điện áp điều khiển với các giá trị khác nhau tại thời điểm mở khác nhau ta có: Chọn (v) là điện áp răng cưa cực đại phụ thuộc vào dung lượng tụ C (Trong mạch phát xung răng cưa). Cho biễn thiên từ ở các biểu thức trên ta vẽ quan hệ Ud và Uđk. 0 0 2 4 6 8 10 12 220 190,53 110 0 - 110 -190,53 - 220 Ta có thể tuyến tính hóa đường cong khi coi hệ số khuếch đại của bộ biến đổi . Từ biểu thức trên thay số ta được: Hệ số khuếch đại trung gian: 2. Kiểm tra chất lượng tĩnh a/ Tốc độ định mức và tốc độ không tải lý tưởng ở đường đặc tính cơ cao nhất Tốc độ định mức Để đảm bảo tính an toàn cho hệ thống thì tốc độ lớn nhất của động cơ ứng với tốc độ định mức và điện áp chủ đạo đầu vào của bộ khuếch đại là lớn nhất Ucđ = Ucđmax Tốc độ không tải lý tưởng: b/ Tốc độ định mức và tốc độ không tải lý tưởng ở đường đặc tính cơ thấp nhất: - Tốc độ định mức Phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ thống là nên ta có: Mặt khác: - Tốc độ không tải lý tưởng c/ Kiểm tra chất lượng tĩnh Thực chất là kiểm tra độ sụt tốc độ có đạt yêu cầu không. Người ta chứng minh được rằng độ sụt tốc độ tương đối lớn nhất nằm ở đặc tính cơ thấp nhất. Do đó ta có Vậy ở chế độ tĩnh động cơ làm việc ổn định. II. Hiệu chỉnh hệ thống Đối với hệ thống truyền động ăn dao máy mài yêu cầu chất lượng động cao, yêu cầu khởi động phanh hãm nhanh, sai lệch tốc độ ở chế độ động nhỏ. Vì vậy khi điều chỉnh tốc độ động cơ quay chi tiết ta phải sử dụng hai mạch vòng phản hồi âm tốc độ và dòng điện. Ta tổng hợp mạch vòng dòng điện và tốc độ thỏa mãn yêu cầu sau: + Tín hiệu dòng: + Tín hiệu tốc độ: tqd < 2s, theo x(t) = 1(t) 1. Kiểm tra chất lượng động của hệ thống + Xét lượng quá điều chỉnh Đặc tính quá độ dòng điện như sau: Lượng quá điều chỉnh : Mặt khác với đặc tính dòng điện thì: Giá trị dòng điện mà tại đó khâu ngắt tại tác động : Chọn giá trị tại thời điểm thì tín hiệu điện áp láy trên điện trở vũng có giá trị = 1 (V) khi đó trong đó là hệ số phụ thuộc vào biến dòng ta có: Xét lượng thời gian quá độ và sai lệch tĩnh Ta có đặc tính quá độ như sau: Để thời gian quá độ và sai lệch tĩnh theo x(t) =1(t) thì ta phải tìm hệ số khuếch đại bộ điều chỉnh tốc độ phù hợp 870 Mặt khác thay giá trị vào phương trình đặc tính cơ điện khi chỉ có âm dòng có ngắt tác động: Với hệ thống này ta chọn tốc độ tại thời điểm khâu ngắt bắt đầu tác động cũng là tốc độ mà tại đó khâu phản hồi âm tốc độ đạt giá trị bão hòa: Và Chọn ta có: 2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện và tốc độ Sơ đồ cấu trúc hệ thống: Khi xét hàm truyền hệ thống theo tín hiệu U thì ta bỏ qua khâu nhiễu loạn phụ tải. Từ sơ đồ nguyên lý của hệ thống ta thành lập sơ đồ cấu trúc: Trong đó: bộ điều chỉnh tốc độ bộ điều chỉnh dòng điện hệ số phản hồi âm dòng có ngắt hệ số phản hồi âm tốc độ 3. Xác định hàm truyền từng hệ thống - Hệ số khuếch đại của động cơ: - Hằng số thời gian điện từ của động cơ: - Hằng số thời gian điện cơ: - Hệ số khuếch đại bộ khuếch đại của bộ biến đổi: - Hằng số thời gian của bộ biến đổi: - Hệ số phản hồi âm dòng có ngắt : - Xác định hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện: Bỏ qua khâu nhiễu loạn phụ tải và sức điện động cơ ta có sơ đồ mạch vòng dòng điện: Lựa chọn cấu trúc và xác định tham số bộ điều chỉnh: Xác định theo phương pháp tối ưu môdul: Đối tượng điều chỉnh là: Wđt = Wđt Trong mạch vòng dòng điện, yêu cầu phải có tính năng bám tốt, vì vậy ta phải hiệu chỉnh WRI(s) thành hệ thống điển hình loại I. Ta chọn thiết bị điều chỉnh là khâu PI có dạng: Phối hợp tham số: Hàm truyền hệ hở sau hiệu chỉnh: Wh sau hiệu chỉnh = Với: ; Từ quan hệ giữa chỉ tiêu chất lượng bám trạng thái động và các tham số của hệ thống điển hình loại I, để lượng quá diều chỉnh nhỏ hơn 5% chọn KT = 0,5. Do đó: Vậy: Lựa chọn cấu trúc và xác định tham số bộ điều chỉnh tốc độ quay: Mạch vòng kín dòng điện: Hàm truyền hệ kín: W = .= Mà K = 1/2, nên ms = Sơ đồ cấu trúc tương đương: Đơn giản mạch vòng tốc độ bỏ qua nhiễu phụ tải: = = 2.0,005 = 0,01 Lựa chọn và xác định tham số bộ điều chỉnh: Mạch vòng tốc độ yêu cầu khả năng chống nhiễu tốt vì có cả nhiễu nguồn và nhiễu tải. Ta thấy sau nhiễu có khâu tích phân nên trước nhiễu cũng phải có khâu tích phân để cân bằng hệ thống. Mạch vòng tốc độ yêu cầu lượng quá điều chỉnh nhỏ. Vì vậy ta hiệu chỉnh thành hệ thống điển hình loại II, sử dụng bộ điều chỉnh PI. Đối tượng điều khiển: Chọn bộ điều chỉnh: Phối hợp tham số: ; (chọn h = 5) Hàm truyền hệ hở sau hiệu chỉnh: Wh = Trong đó : Chọn h = 5, Vậy: Wn(s) = Chương VII: THUYẾT MINH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ TRUYỀN ĐỘNG Thuyết minh sơ đồ nguyên lý có ý nghĩa rất quan trọng, nó giúp cho ta dễ vận hành, sử dụng, sửa chữa, sơ đồ nguyên lý như hình vẽ I.Giới thiệu sơ đồ: Hệ truyền động van động cơ đã thỏa mãn yêu cầu sau: + Điều chỉnh tốc độ về cấp. + Tự động ổn định tốc độ, và tụ động hạn chế phụ tải có cưỡng bức. Hệ gồm hai mạch chính: Mạch động lực: Bao gồm: a). Aptomat AP dùng để đống cắt nguồn điện, bảo vệ ngắn mạch cho mạch động lực. b). Máy biến áp động lực BA. Làm nhiệm vụ cung cấp điện áp phù hợpcho chỉnh lưu đồng thời đảm bảo cách ly giưa mạch động lực và lưới điện để an toàn cho vận hành và sửa chữa. c). Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha gồm 4 thyrito, và bộ chỉnh lưu biến đổi điện áp soay chiều thành một chiều cung cấp cho động cơ. d). Các R-C bảo vệ quá áp cho thyristo. e). Máy phát tốc: để láy tín hiệu phản hồi tốc độ cho mạch khuếch đậi trung gian phục vụ quá trình duy trì và ổn định tốc độ động cơ. f). Động cơ một chiều Đ. Động cơ một chiều kích từ độc lập dùng để kéo máy sản xuất g). Mạch hãm (Rh) dùng để hãm động năng. 2. Mạch điều khiển: Bao gồm: a). Mạch khuếch đại trung gian: Làm nhiệm tổng hợp và khuếch đại mạch điều khiển làm tăng độ nhạy, độ ổn định, độ rộng phạm vi điều chỉnhcủa hệ thống ( thay đổi Uđk và thay đổi Udc => thay đổi góc mởα ). Đầu vào tổng hợp tín hiệu là tín hiệu chủ đạo và tín hiệu phản hồi âm tốc độ láy từ máy phát tốc, mạch tổng hợp tín hiệu và khuếch đại trung gian sử dụng IC khuếch đại thuật toán và thyristo. b). Mạch tạo sóng răng cưa: Là mạch so sánh tín hiệu điện áp răng cưa và tín hiệu điện áp điều khiển mạch bao gồm các thyristo, tụ và các điện trở. c). Mạch so sánh: tín hiệu răng cưa và tín hiệu điều khiển được đưa vào mạch so sánh nhằm tạo ra thời điểm phát xung, mạch sử dụng IC khuếch đậi thuật toán. d). Mạch sửa xung và khếch đại xung: Tạo ra xung điều khiển thyristo. Máy biến áp đồng bộ tạo ra tín hiệu đồng bộ cung cấp cho các khuếch đại điều khiển, Mạch sử dụng IC khuếch đại thuật toán, tụ tranzito và các điện trở. e). Mạch nguồn: Sử dụng các IC ổn áp một chiều (+15V & -15V) cung cấp cho mạch điều khiển các tụ lọc tín hiệu xoay chiều và sóng hài. II. Nguyên lý làm việc của hệ thống: Nguyên lý khởi động: Muốn khởi động ta dặt Ucd và đóng hệ thống vào lưới điện thông qua Aptomat AP và công tắc tơ K Khi đó đầu vào bộ khuếch đại Uv = Ucd , có giá trị lớn nhất làm cho hệ thống khuếch đại bão hòa vì vạy Ura = Udk, có trị số lớn nhất làm cho sức điện động bộ biến đổi Ebbđ, điện áp Uư có giá trị lớn vì vạy dòng Id = có giá trị lớn nhất ( Iư = Id) Khi đó dòng Id >>Ic nên > 0tốc độ động cơ bắt đầu tăng. Khi tốc độ động cơ tăng Uv = Ucd - ‏ﻷn nhung vẫn lớn hơn Uưph = 0,4V. Vì vậy phản hồi âm ýôc độ vẫn không tham gia được nên hệ thống khởi động theo đặc tính hệ hở và khi tốc độ tăng thì dong giảm Iư = Ebbd – Eđ Rbbd + Rư Quá trình cứ tiếp diễn tốc độ tăng thì dòng lại giảm nên đặc tình hở đến khi tốc độ đạt giá trị nào đó (mà Uv = Ucd – r.n động cơ có tốc độ không đổi làm việc ổn định quá trình khởi động kết thúc. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ. Tăng tốc: Muốn tăng tốc ta tăng Ucd khi đó tốc độ chưa tăng kịp, vì vậy Uv = Ucd - ‏ﻻn sẽ tăng. Nếu v tăng ( Uvph thì phản hồi âm tốc độ vẫn tham gia và khi Uv tăng làm cho Uđk tăng và Ebbđ tăng. Vì vậy Iư sẽ tăng do đó Iư – Ic >0 => => động cơ chuyển sang làm việc có điểm Iư lớn hơn mà tốc độ chưa kịp tăng và bắt đầu n tăng từ điểm ấy, khi n tăng dòng lại giảm đến khi Iư = Ic, gia tốc hệ làm việc ổn định với tốc độ mới cao hơn. Nếu tăng nhiều Ucd thì Uv > Uvph => hệ chuyển sang tốc độ trên đặc tính hệ hở và khi Uv tăng thì Iư tăng, gia tốc dương , khi tốc độ tăng => Uv giảm đến khi tốc độ đặt đến giá trị Uv Uvph thì phản hồi âm tốc độ bắt đầu tham gia, hệ bắt đầu chuyển sang trạng thái khởi động trên đặc tính hệ kín, n tăng dòng giảm đến khi Iư = Ic hệ làm việc ổn định với tốc độ mới cao hơn trước nhiều. Giảm tốc độ : muốn giảm tốc đọ giảm Ucd, nên giảm nhỏ Ucd thì Uv = Ucd - ‏ﻻn gi ảm, khi đó U đk giảm, góc tăng vì vậy Ebbđ giảm nên Iư = Ebbđ – Eđ giảm Trong trường hợp này ta xét với việc giảm Ucd sao cho dòng Iư không đảo dấu, khi đó Iư sẽ giảm làm cho Iư – Ic <0 nên gia tốc sẽ âm chuyển sang làm việc trên đặc tính thấp hơn nhưng đồng thời không đảo chiều và tốc độ giảm từ điểm tốc độ cố định theo đường đặc tính, khi tốc độ giảm thì dòng tăng đến khi Iư = Ic hệ làm việc ổn định ở tốc độ thấp. Khi giảm nhiều Ucd khi đó góc có giá trị lớnlàm cho Ebbđ giảm đến mức khi đó dòng Iư có xu hướng đảo chiều, nhưng bộ biến đổi chỉ cho phép dẫn dòng một chiều, cứ như vậy bộ biến đổi khóa, Iư = 0, vì vậy Mkg = Km(Iư – Ic) = Km ( 0- Ic ) . Vì vậy tốc độ sẽ giảm, quá trình này xảy ra do hãm tự dodọc theo trục tung, khi tốc độ giảm đến giá trị mà Ebbđ > Ken giảm từ dòng Tư bắt đầu tăng không theo chiều ctrên đường đặc tính ứng với Ucđ đã giảm và tốc độ làm giảm thì dòng lại tăng đến khi Iư tăng đến giá trị Iư = Ic => hệ lại làm việc ổn định với tốc độ thấp hơn rất nhiều. Nguyên lý ổn định tốc độ. Giả sử đặt Ucđ ứng với một giá trị nào đó ta sẽ được tốc độ trên động cơ giảm bởi hai nguyên nhân: + Phụ tải tăng thì mômem tăng nên dòng Iư tăng. Vì vậy sụt áp trong bộ biến đổi tăng nên Uư giảm + Theo phương trình tốc độ động cơ một chiều có n = . Vì vậy khi Iư tăng thì tốc độ giảm MỤC LỤC