Đề tài Tính toán thiết kế Cơ cấu nâng hạ cầu trục

thay thế, sửa chữa, độ tin cậy cao. Trong mạch điều khiển phải có mạch bảo vệ điện áp không, bảo vệ quá tải và ngắn mạch. Quá trình mở máy diễn ra theo một quy luật định sẵn. Sơ đồ điều khiển cho từng động cơ rieng biệt, độc lập. Có công tắc hành trình hạn chế hành trình tiến lùi cho xe cầu, xe con, hạn chế hành trình lên của cơ cấu nâng hạ. Đảm bảo hạ hang ở tốc độ thấp. Tự động cắt nguồn khi có người làm việc trên xe cầu. 1.3. Yêu cầu truyền động 1.3.1. Đặc tính phụ tải Khảo sát cơ cấu nâng hạ người ta nhận thấy rằng momen cản của cơ cấu luôn không đổi cả về độ lớn và chiều bất kể chiều quay của động cơ thay đổi thế nào. Nói cách khác, momen cản của cơ cấu nâng hạ thuộc loại momen cản thế năng, có đặc tính Mc = constant và không phụ thuộc vào chiều quay. Điều này có thể giải thích dễ dàng là momen của cơ cấu do trọng lực của tải gây ra. Khi nâng tải, momen có tác dụng cản trở chuyển động, tức là hướng ngược chiều quay. Khi hạ tải, momen thế năng lại là momen gây ra chuyển động, tức là nó hướng theo chiều quay của động cơ. Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ như sau: Hình 1.3. Đặc tính cơ của cơ cấu nâng – hạ. Từ đặc tính của cơ cấu nâng hạ ta có nhận xét: Khi hạ tải ứng với trạng thái phát của động cơ thì Mđ là momen hãm, Mc là momen gây chuyển động. Khi cần trục hạ tải dụng lực: cả hai momen đều gây chuyển động. Như vậy, trong mỗi giai đoạn nâng hay hạ thì động cơ phải được điều khiển để đảm bảo làm việc đúng với trạng thái làm việc của nó, phù hợp với đặc tính tải. phụ tải của cầu trục có thể biến đổi từ 0 tới những giá trị rất lớn. 1.3.2. Chế độ làm việc của động cơ truyền động Ở góc phần tư thứ nhất: Máy điện làm việc chế độ động cơ ( đường 1) M = Mc + Mđm Với: M - momen do động cơ sinh ra Mc - momen cản do tải trọng gây ra Mđms - momen cản do ma sát gây ra Đối với động cơ nâng hạ làm việc ở chế độ nâng hàng, còn đối với động cơ di chuyển làm việc ở chế độ chạy tiến. Ở góc phần tư thứ II: Máy điện làm việc ở chế độ máy phát. Đối với cơ cấu di chuyển, đường 1 thực hiện hãm tái sinh khi có ngoại lực tác dụng cùng chiều với chuyển động của cơ cấu. Còn đối với cơ cấu nâng hạ thực hiện hãm động năng ( đường 3 ). Ở góc phần tư thứ III: Máy điện làm việc ở chế độ động cơ. Đối với cơ cấu di chuyển tương ứng với chạy lùi. Còn đối với cơ cấu nâng hạ: Mc < Mm M = Mms - Mc Chế độ này được gọi là chế độ hạ động lực. Ở góc phần tư thứ IV: Máy điện làm việc ở chế độ máy phát. Đối với cơ cấu nâng hạ: Mc > Mms M = Mc – Mms Hàng sẽ được hạ do tải trọng của nó. Còn động cơ đóng điện ở nâng đề hãm tốc độ hạ hàng. Lúc này động cơ làm việc ở chế độ hãm ngược ( đường 2 ). Khi thực hiện hạ động lực, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh ( máy phát ) với tốc độ hạ lớn hơn tốc độ đồng bộ ( đường 4 ). Hình 1.4. Trạng thái làm việc của động cơ truyền động cầu trục. 1.3.3. Yêu cầu truyền động Chế độ làm việc: Động cơ truyền động của cơ cấu nâng hạ nói chung có chế độ làm việc là ngắn hạn lặp lại, có tần số đóng cắt lớn. Vấn đề đảo chiều: Động cơ cầu trục phải có khả năng đảo chiều quay, có momen thay đổi theo tải trọng rất rõ rệt. Theo khảo sát từ thực tế thì khi không có tải trọng, momen động cơ không vượt quá ( 15÷20% )Mđm. Đối với cơ cấu nâng hạ của cầu trục gầu ngoạm tới 50%Mđm. Yêu cầu về khởi động và hãm: Trong các hệ thống truyền động của cơ cấu nâng hạ nói chung và cầu trục nói riêng, yêu cầu về quá trình tăng tốc và giảm tốc phải êm. Bởi vậy, momen động trong quá trình quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu kĩ thuật an toàn. Ở các máy nâng tải trọng, gia tốc cho phép thường được quy định theo khả năng chiu đựng phụ tải của từng động cơ. Đối với cơ cấu nâng hạ cầu trục thì gia tốc phải nhỏ hơn 0,5m/s2 để không làm đứt cáp. Thời gian khởi động nhỏ nhất là 2s. Sử dụng phanh hãm khi chuẩn bị dừng và khi mất điện phanh hãm phải dừng hệ truyền động ở hiện trạng, tránh rơi tự do. Phải dừng chính xác tại nơi lấy tải và hạ tải hay dừng chính xác ở tốc độ thấp. Phạm vi điều chỉnh: Trong cơ cấu nâng hạ cầu trục thì phạm vi điều chỉnh không cao. Ở các cầu trục thông thường thì D 10. Độ chính xác điều chỉnh cũng yêu cầu không cao, khoảng 5%. Yêu cầu đối với truyền động trong trạng thái bất bình thường, như hãm khẩn cấp, đảo chiều quay tức thời hay hãm đột ngột. Các bộ phận chuyển động phải có phanh hãm điện từ để giữ chặt các trục, khi mất điện hay xảy ra sự cố đảm bảo an toàn cho người vận hành và thiết bị. Để đảm bảo điều này, trong sơ đồ điều khiển phải có các công tắc hành trình để hạn chế chuyển động của cơ cấu. Khi hãm khẩn cấp hay hãm đột ngột thì phải dừng chính xác. Yêu cầu về nguồn và trang bị điện: Điện áp cung cấp cho cơ cấu cầu trục không vượt quá 500V. Mạng điện xoay chiều hay dùng là 380/220V, mạng một chiều hay dùng là 220V, 44V. Điện áp chiếu sang không vượt quá 220V. Đa số làm việc trong môi trường nặng nề, đặc biệt trong các hải cảng, nhà máy, xí nghiệp luyện kim, phân xưởng sửa chữa …. nên các khí cụ trong hệ thống truyền động và trang bị điện cơ cấu yêu cầu phải làm việc tin cậy, đảm bảo an toàn, năng suất trong mọi điều kiện khắc nghiệt, đơn giản trong thao tác. Chương 2: TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ 2.1.Tính toán phụ tải chính Phụ tải tĩnh của cơ cấu nâng hạ chủ yếu do tải trọng quyết định. Để xác định phụ tải tĩnh phải dựa vào sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ. Hình 2.1. Sơ đồ động học của cơ cấu nâng – hạ. 2.1.1. Phụ tải tĩnh khi nâng tải Momen trục động cơ khi có tải: Mn = ( Nm ) [2 – 1] Trong đó: G - là trọng lượng của tải trọng. G0 - là trọng lượng của bộ lấy tải Rt - là bán kính tang nâng u - là bội số của hệ thống ròng rọc hc - là hiệu suất của cơ cấu i - là tỉ số truyền [2 – 2] Trong đó: vn - là tốc độ nâng tải n - là tốc độ quay của động cơ Trong các công thức trên, hiệu suất hc lấy bằng định mức khi tải bằng định mức. Ứng với các tải trọng khác định mức, hc xác định theo hệ số mang tải: K = = Công suất động cơ cần thiết để nâng vật: Pn = Khi nâng không tải: Mno = [2 – 3] Công suất động cơ phát ra khi nâng không tải: Pno = 2.1.2. Phụ tải tĩnh khi hạ tải. Có hai chế độ hạ tải: Hạ động lực Hạ hãm Hạ động lực thực hiện khi tải trọng nhỏ. Khi đó momen do tải trọng gây ra không đủ để thắng ma sát trong cơ cấu. Máy điện làm việc ở chế độ động cơ. Hạ hãm thực hiện khi hạ tải trọng lớn. Khi đó, momen do tải trọng gây ra rất lớn. Máy điện phải làm việc ở chế độ hãm để giữ cho tải trọng hạ với tốc độ ổn định ( hạ không có gia tốc ). Gọi momen trên trục động cơ do tải trọng gây ra không có tổn thất là Mt thì: Mt = (Nm) [2 – 4] Khi hạ tải trọng, năng lượng được truyền từ phía tải trọng sang cơ cấu truyền động nên: Mh =Mt +∆M = Mt.ηh [2 – 5] Trong đó: Mh : momen trên trục động cơ khi hạ tải. ∆M : tổn thất momen trong cơ cấu truyền động. ηh : hiệu suất cơ cấu khi hạ tải. Nếu Mt > ∆M : hạ hãm Mt < ∆M : hạ động lực Coi tổn thất trong cơ cấu nâng hạ khi nâng tải và hạ tải là như nhau thì: ∆M = - Mt = Mt.( - 1) [2 – 6] Do đó: Mh =Mt – Mt ( - 1) = Mt.( 1- ) = ( 2- ) [2 – 7] So sánh [2 – 5] và [2 – 7] ta có: hh = 2 - Đối với những tải trọng tương đối lớn (hc > 0,5 ), ta có ηh >0, Mh > 0. Điều này có nghĩa là momen động cơ ngược chiều với momen phụ tải. Động cơ làm việc ở chế độ hạ hãm. Khi tải trọng tương đối nhỏ ( ηc <0,5 ) thì ηh < 0, Mh <0, momen động cơ cùng chiều với momen phụ tải. Động cơ làm việc ở chế độ hạ động lực. Momen hạ không tải: Mho = à Công suất động cơ khi hạ có tải và không tải: Ph = Pho = 2.2. Chọn sơ bộ công suất động cơ. 2.2.1. Xây dựng biểu đồ phụ tải tĩnh. Khi nâng tải: vn = 2m/s Mn = = = 521 ( Nm ) Pn = = = 11,67 ( KW ) Khi hạ tải: vh = 0,3 m/s Mh = ( 2- ) = = 364,3 ( Nm ) Ph = ( 2- ) = = 12,14 ( KW ) Khi hạ không tải hoặc nâng không tải, công suất động cơ thay đổi. Hệ số mang tải: K = = = 0,01 Hình 2.2. Quan hệ phụ thuộc ηc theo tải trọng Dựa vào đường đặc tính quan hệ giữa hệ số mang tải và hiệu suất (hình 2.2), ta có: ηc = 0,21 Khi nâng không tải: Mno = = = 20,85 ( Nm ) Pno = = = 1,168 ( KW ) Khi hạ không tải: Mho = ( 2- ) = = -24,2 ( Nm ) Pho = ( 2 - ) = = -0,68 ( KW ) Mho < 0 chứng tỏ động cơ làm việc ở chế độ hạ động lực. Thời gian nâng hạ: - Thời gian nâng tải: tn = = = 50 s - Thời gian hạ tải: th = = = 33,33 s - Thời gian nâng và hạ không tải: tno = tho = = = 20 s Vậy thời gian làm việc: Tlv = 50 + 33,33 + 2.20 = 123,33 s Từ kết quả trên chọn Tck = 200 s Hệ số tiếp điện: TĐ% = = = 61,67 % Đồ thị phụ tải: Hình 2.3. Đồ thị phụ tải. Momen trung bình: Mtb = k. Trong đó: k =(1,2÷1,3) – hệ số phụ thuộc vào đồ thị phụ tải, tần số mở máy, hãm máy. Chọn k = 1,2 Thay số vào ta có: Mtb = k. = = 229,5 ( Nm ) Động cơ được chọn phải có Mđ > Mtb. Vậy ta chọn động cơ điện một chiều loại Π - 41, chế độ 60ph và TĐ 100%, có các thông số như sau: Pđm : 16 KW Tốc độ quay : 690 vòng/phút Iđm : 86 A Rư + Rcp : 0,17 Ω Rcks : 70 Ω Số thanh dẫn tác dụng N : 492 Số nhánh song song 2a : 2 Số vòng dây một cực của cuộn song song ( wcks ) : 1480 Từ thông hữu ích của một cực Φ (mWb ) : 17 Dòng kích từ định mức iđm (A ) : 2,20 2.2.2. Kiểm nghiệm động cơ + Kiểm nghiệm theo điều kiện phát nóng: Phương pháp kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện phát nóng gián tiếp là mômen được suy ra từ phương pháp dùng điện đẳng trị, khi mômen tỉ lệ với dòng điện: Momen đẳng trị: Mđt = = = 299,7 ( Nm ) Momen định mức của động cơ: Mđm = Pđc.ωđc. Trong đó: ωđc = = Vậy: Mđc = Pđc. = 16. ≈ 1156 (Nm) ≥ Mđt. Do Mđc > Mđt nên động cơ Π - 41đã chọn thỏa mãn điều kiện phát nóng. + Kiểm nghiệm quá tải về momen: Momen cản lớn nhất: Mc max = Mn = 521 (Nm ) Momen định mức của động cơ Mđc = 1156 (Nm) > Mc max Vậy, động cơ đã chọn thỏa mãn điều kiện quá tải về mommen. + Kiển nghiệm về momen khởi động của động cơ: Mc mở máy = 2Mc max = 2.521 = 1041 ( Nm ) Ta có: Mkd = 2.Mđc = 2.1156 ≈ 2312 (N.m) > Mc mở máy. Động cơ Π – 41 đã chọn thỏa mãn yêu cầu. Chương 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG 3.1. Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều 3.1.1. Khái quát về động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều là động cơ hoạt động với dòng điện một chiều. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu momen mở máy lớn và điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng. Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm 2 phần chính: stato và roto. Stato của động cơ thường là nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện. Roto có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn một chiều. Một bộ phận quan trọng của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu. Nó có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của roto là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm 1 cổ góp và 1 chổi than tiếp xúc với cổ góp. + Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều: Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp Uk nào đó, trong dây quấn kích từ sẽ xuất hiện dòng điện kích từ Ik. Dòng kích từ này sẽ sinh ra từ thông Φ chạy trong mạch từ của động cơ. Nếu ta đặt lên mạch phần ứng của động cơ một điện áp U thông qua hệ thống chổi than và cổ góp thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng I và từ thông kích từ Φ sẽ sinh ra một momen điện từ. Giá trị của momen điện từ được tính như sau: Với K là hệ số kết cấu của động cơ. Momen điện từ này kéo phần ứng của động cơ quay quanh trục. Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiến góp khác nhau trên cổ góp. Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu như không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của roto. + Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều: Hình 3.1. Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập Từ sơ đồ thay thế của động cơ ( Hình 3.1 ), ta có phương trình cân bằng điện áp: Uư = Eư + ( Rư + Rf )Iư [3 – 1] Trong đó: Uư - điện áp phần ứng Eư - suất điện động phần ứng Rư - điện trở phần ứng Rf - điện trở phụ mạch phần ứng Với Rư = rư + rcf + ri + rcl rư - điện trở cuộn dây phần ứng rcf - điện trở cuộn cực từ phụ ri - điện trở cuộn bù rcl - điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp Sức điện động Eư của động cơ được xác định theo biểu thức: Eư = KΦω [ 3 – 2] Trong đó: K = - hệ số cấu tạo của động cơ p – số đôi cực từ chính N – số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a – số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng Φ – từ thông kích thích dưới một cực từ Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n ( vòng/phút ) Eư = Ke. Φ. n [3 – 3] Với ω = Vì vậy Eư = Ke = : hệ số sức điện động của động cơ Từ ( 3 – 1 ) và ( 3 – 2 ta có phương trình đặc tính cơ điện: [3 – 4] Mặt khác momen điện từ của động cơ được xác định bởi: Mđt = KΦIư Suy ra : Iư = Thay giá trị Iư vào ( 3 – 4 ) ta được phương trình đặc tính cơ: [3 – 5] Từ các biểu thức trên, ta vẽ được dạng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều: Hình 3.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều. 3.1.2. Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm: a) Hãm tái sinh: Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay động cơ lớn hơn tốc độ không tải lí tưởng. Khi hãm tái sinh, Uư < Eư , động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới. Dòng hãm và momen hãm đã đổi chiều và có giá trị: Ih = < 0 Mh = KΦIh < 0 Trị số hãm lớn dần cho đến khi cân bằng với momen phụ tải của cơ cấu sản xuất thì hệ thống làm việc ổn định với ođ > 0. Đường đặc tính cơ ở chế độ hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ II và thứ IV của mặt phẳng tọa độ. Trong thực tế, với cơ cấu nâng hạ cầu trục, khi nâng tải, động cơ được đấu theo cực tính thuận và làm việc trong góc phần tư thứ I. Khi hạ tải trọng, ta phải đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Lúc này, nếu momen do tải trọng gây ra lớn hơn momen ma sát trong các cơ cấu của hệ thống, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh. Hình 3.3. Đặc tính hãm tái sinh. (a) Ứng với tải thế năng. (b) Trong trường hợp cơ cấu nâng – hạ. b) Hãm ngược: Trạng thái hãm ngược của động cơ xảy ta khi phần ứng dưới tác dụng của các bộ phận chuyển động hoặc do momen thế năng quay ngược chiều với momen của động cơ. Momen của động cơ khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất. Có 2 trường hợp hãm ngược: Đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng Giả sử động cơ đang làm việc nâng tải với tốc độ xác lập ứng với điểm a. Ta đưa một điện trở đủ lớn vào mạch phần ứng, động cơ sẽ chuyển sang làm việc tại điểm b trên đặc tính biến trở. Tại điểm b, momen do động cơ sinh ra nhỏ hơn momen cản nên động cơ giảm tốc nhưng tải vẫn theo chiều nâng lên. Đến điểm c, tốc độ bằng không nhưng vì momen động cơ nhỏ hơn momen tải nên dưới tác dụng của tải trọng, động cơ quay theo chiều ngược lại. tải trọng được hạ xuống với tốc độ tăng dần. Đến điểm d, momen động cơ bằng với momen cản nên hệ ổn định với tốc đôh hạ không đổi. Sức điện động lúc này đổi dấu. Như vậy, trong trạng thái hãm ngược, sức điện động cùng chiều với điện áp lưới. Động cơ làm việc như một máy phát điện nối tiếp với lưới, biến điện năng nhận được từ lưới và cơ năng trên trục thành nhiệt năng đốt nóng điện trở, vì vậy tổn thất năng lượng lớn. Đảo chiều điện áp phần ứng: Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm a trên đặc tính cơ tự nhiên, ta đảo chiều điện áp phần ứng và đưa vào một điện trở phụ đủ lớn. Động cơ chuyển sang làm việc tại điểm b trên đặc tính cơ biến trở. Tại b momen đã đổi chiều, chống lại chiều quay của động cơ nên tốc độ động cơ giảm theo đoạn bc. Tại c, tốc độ bằng 0. Nếu ta cắt điện áp đặt vào phần ứng động cơ, động cơ sẽ dừng lại, còn nếu vẫn giữ nguyên điện áp đặt vào động cơ, động cơ sẽ quay theo chiều ngược lại và làm việc ổn định tại điểm d. Đoạn bc chính là đặc tính hãm ngược. (a) (b) Hình 3.4. Đặc tính cơ khi hãm ngược Khi đưa Rf vào mạch phần ứng Đảo cực tính điện áp phần ứng. c) Hãm động năng: Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của động cơ tích lũy trong quá trình làm việc trước đó biến nhiệt năng tiêu tán dưới dạng nhiệt trong quá trình hãm. Hãm động năng kích từ độc lập: Khi động cơ đang quay, muốn thực hiện hãm động năng kích từ độc lập, ta cắt phần ứng động cơ khỏi lưới điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm, còn mạch kích từ vẫn được nối như cũ. Khi hãm động năng kích từ độc lập, năng lượng chủ yếu được tạo ra do động năng của động cơ tích lũy đc nên công suất tiêu tốn chỉ ở trên mạch kích từ. Đặc tính cơ của trạng thái hãm động năng kích từ độc lập: Hình 3.5. Đặc tính cơ hãm động năng kích từ độc lập Hãm động năng kích từ tự kích: Nhược điểm của hãm động năng kích từ độc lập là mất điện lưới thì không thực hiện hãm được do cuộn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn. Muốn khắc phục nhược điểm này, người ta sử dụng phương pháp hãm động năng kích từ tự kích. Hãm động năng kích từ tự kích xảy ra khi động cơ đang quay, ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích từ khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãm. Trong quá trình hãm, tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần, do đó dòng kích từ cũng giảm dần và là hàm số của tốc độ, vì vậy đặc tính cơ có dạng phi tuyến. Hình 3.6. Đặc tính cơ hãm động năng kích từ tự kích 3.1.3. Ảnh hưởng của các tham số tới đặc tính cơ. + Ảnh hưởng của điện trở phần ứng: Giả thiết Uư = Uđm , Φ = Φđm Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng, ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng. Trong trường hợp này, tốc độ không tải lí tưởng: = const Độ cứng đặc tính cơ: Khi tăng điện trở, độ cứng đặc tính cơ suy giảm., nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. Ứng với = 0, ta có đặc tính cơ tự nhiên. Hình 3.7. Các đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng. + Ảnh hưởng của điện áp phần ứng: Giả thiết Φ = Φđm , điện trở phụ Rf = 0, khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm , ta có: Khi Uư giảm, giảm theo. Độ cứng đặc tính cơ: = const Như vậy, khi thay đổi điện áp phần ứng, ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên. Hình 3.8. Các đặc tính cơ của động cơ khi giảm điện áp đặt vào phần ứng. + Ảnh hưởng của từ thông: Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm , điện trở phụ Rf = 0. Muốn thay đổi từ thông, tat hay đổi dòng kích từ Ikt động cơ trong đoạn tuyến tính của đặc tính từ hóa. Trong trường hợp này, tốc độ không tải: Độ cứng đặc tính cơ: Từ biểu thức trên, ta nhận thấy, khi giảm từ thông, đặc tính cơ mềm hơn. Hình 3.9. Các đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông. Ứng với những ảnh hưởng trên, người ta đưa ra 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ: Mắc thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng. Điều chỉnh điện áp phần ứng. Điều chỉnh từ thông. 3.2. Các hệ truyền động dùng cho động cơ điện một chiều. 3.2.1. Hệ truyền động máy phát-động cơ( F-Đ ). Hệ truyền động F-Đ là hệ truyền động là bộ biến đổi điện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập. Máy phát này thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha ĐK quay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi. Hình 3.10. Sơ đồ hệ truyền động F - Đ Theo sơ đồ trên, động cơ chấp hành trên có thể làm việc ở chế độ điều chỉnh cả hai phía: kích thích máy phát F và kích thích động cơ Đ, đảo chiều quay bằng cách đảo chiều dòng kích thích máy phát, hãm động năng khi dòng khích thích máy phát bằng 0, hãm tái sinh khi giảm tốc độ hoặc đảo chiều dòng kích từ, hãm ngược ở cuối giai đoạn hãm tái sinh khi đảo chiều hoặc khi làm việc ổn định với momen tải có tính chất thế năng…. Hệ F-Đ có đặc tính cơ điền đầy cả 4 góc phần tư của mặt phẳng ( ,M ). + Ở góc phần tư thứ I và thứ III, tốc độ quay và momen quay của động cơ luôn cùng chiều nhau, sức điện động máy phát và động cơ có chiều xung đối nhau công suất điện từ của máy phát và động cơ là: PF = Ef.I > 0 PĐ = E.I < 0 Pcơ = M. > 0 Suy ra năng lượng được vận chuyển từ nguồn tới máy phát tới động cơ và đến tải. + Vùng hãm tái sinh nằm ở góc phần tư thư II và IV, lúc này , dòng điện chảy ngược động cơ về máy phát làm cho momen quay ngược chiều với tốc độ quay. Công suất điện từ của máy phát, công suất điện từ và công suất cơ học của động cơ là: PF = Ef.I < 0 PĐ = E.I > 0 Pcơ = M. < 0 Năng lượng lúc này lại được chuyển theo chiều từ tải đến động cơ đến máy phát và đến nguồn. Máy phát và động cơ đổi chức năng cho nhau. Hãm tái sinh được dùng triệt để khi giảm tốc độ, hãm để đảo chiều quay và khi làm việc ổn định với tải có tính chất thế năng. + Vùng hãm ngược của động cơ được giới hạn bởi đặc tính hãm động năng và trục momen. Sức điện động của động cơ lúc này trùng với chiều sức điện động của máy phát. Biểu thức tính công suất sẽ là: PF = Ef.I > 0 PĐ = E.I > 0 Pcơ = M. < 0 Hai nguồn suất điện động E và Ef cùng chiều với nhau và cùng cung cấp cho mạch phần ứng tạo nên nhiệt năng tiêu tán trên nó. Hình 3.11. Đặc tính từ hóa và đặc tính tải hệ F-Đ + Nhận xét chung về hệ F-Đ: - Chuyển đổi trạng thái làm việc linh hoạt, khả năng quá tải lớn. - Dùng nhiều máy điện quay, trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất cũng phải gấp 3 lần công suất động cơ chấp hành. - Các máy phát điện một chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ. 3.2.2. Hệ truyền động chỉnh lưu thyristor-động cơ ( T-Đ ). Do yêu cầu công nghệ có đảo chiều quay của động cơ nên hệ truyền đông T-Đ được chọn cũng phải đáp ứng được yêu cầu trên. Có 2 nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ truyền động T-Đ có đảo chiều: Giữ nguyên dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ của động cơ. Giữ nguyên dòng kích từ và đảo chiều dòng điện phần ứng động cơ. Trong thực tế, các sơ đồ truyền động T-Đ đều được xây dựng theo nguyên tắc trên và được chia ra thành 5 loại sơ đồ: Truyền động dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay bằng đảo chiều dòng kích từ. Truyền động dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay bằng công tắc tơ chuyển mạch ở phần ứng ( từ thông giữ không đổi ). Truyền động dùng 2 bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riêng. Truyền động dùng 2 bộ biến đổi nối song song ngược, điều khiển chung. Truyền động dùng 2 bộ biến đổi nối theo sơ đồ chéo, điều khiển chung. Phương án đảo chiều dòng kích từ Hình 3.12. Truyền động dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay bằng đảo chiều dòng kích từ. Sơ đồ này đòi hỏi đảo chiều rất chặt chẽ. Ngoài ra, hằng số thời gian của cuộn kích từ Tk lớn, đặc tính từ hóa có tính phi tuyến mạnh,phạm vi điều chỉnh hẹp và bị ảnh hưởng mạnh bởi nhiễu phụ tải Mc, từ dư của động cơ có ảnh hưởng xấu tới chất lượng hệ truyền động. à Phương án này chỉ phù hợp với tải công suất lớn, ít đảo chiều. Phương án dùng bộ biến đổi chỉnh lưu, dùng công tắc tơ chuyển mạch. Hình 3.13. Truyền động dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay bằng công tắc tơ chuyển mạch ở phần ứng. Phương án này chỉ dùng cho tải công suất nhỏ, tần số đảo chiều thấp. Ngày nay, phương pháp này ít được sử dụng do giá thành công tắc tơ cao hơn rất nhiều so với các thiết bị bán dẫn. c) Phương án dùng 2 bộ biến đổi điều khiển riêng. Khi điều khiển riêng hai bộ biến đổi làm việc riêng rẽ nhau, tại một thời điểm chỉ phát xung cho một bộ biến đổi, còn bộ kia khóa do không có xung điều khiển. Như vậy sẽ không còn tồn tại điện áp cân bằng và điều này dẫn đến mạch lực sẽ không còn cuộn kháng cân bằng, làm cho kích thước mạch lực nhỏ gọn hơn, giá thành giảm đáng kể. Hình 3.14. Mạch lực hê T – Đ điều khiển riêng. Đối với chiều thuận, bộ biến đổi 1 (BBĐ1)làm việc ở chế độ chỉnh lưu ở góc phần tư thứ nhất, BBĐ2 khóa hoàn toàn. Ngược lại, đối với chiều ngược, BBĐ2 làm việc ở chế độ chỉnh lưu ở góc phần tư thứ ba, BBĐ2 khóa hoàn toàn. Khi truyền động đảo chiều hoặc giảm tốc độ sẽ thực hiện ở góc phần tư thứ II do BBĐ2 đảm nhận hoặc ở góc phần tư thứ IV do BBĐ1 đảm nhận. Tuy nhiên, việc chuyển chế làm việc từ BBĐ1 sang BBĐ2 và ngược lại, cần tuân theo điều kiện logic chặt chẽ. Ưu điểm của hệ truyền động này là làm việc an toàn, không có dòng điện chạy giữa các bộ biến đổi. Nhược điểm: logic đảo chiều phức tạp do phải đảm bảo tại 1 thời điểm chỉ có một bộ biến đổi được mở, nếu không sẽ gây ngắn mạch nguồn cấp, quá trình đảo chiều diễn ra chậm. Phương án này có thể dùng cho mọi dải công suất, có tần số đảo chiều lớn. Phương án dùng hai bộ biến đổi điều khiển chung. Hình 3.15. Mạch lực hệ T – Đ điều khiển chung. Về mạch lực, có 2 sơ đồ: sơ đồ đấu chéo và sơ đồ đấu song song ngược, có cuộn kháng cân bằng. Đối với sơ đồ đấu chéo cần có biến áp 3 cuộn dây, còn với sơ đồ song song ngược bắt buộc phải có cuộn kháng cân bằng. Tuy khác nhau về cấu trúc nhưng vốn đầu tư 2 mạch này tương đương nhau cả về lượng đồng, sắt và số lượng thyristor. Để có đặc tính điều chỉnh như hệ F - Đ, người ta dùng nguyên tắc điều khiển chung, tức là tại một thời điểm, cả hai bộ biến đổi đều nhận được xung điều khiển, nhưng lại bị rằng buộc bởi điều kiện: α 1 + α 2 =1800 Trên sơ đồ, một bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu, bộ còn lại làm việc ở chế độ nghịch lưu. Khi ta giảm tốc độ, truyền động làm việc ở chế độ hãm tái sinh. Khi đảo chiều từ chiều thuận sang chiều ngược và ngược sang thuận thì quá trình tương tự như ở hệ F-Đ. Chỉ khác vai trò máy phát được thay thế bằng bộ biến đổi. Ưu điểm của phương án này là đảo chiều khá đơn giản, ta chỉ phải tăng hoặc giảm góc mở để một bộ biến đổi chuyển từ trạng thái động cơ sang trạng thái hãm. Hệ có thể làm việc ở cả 4 góc phần tư. Nhược điểm: do điện áp tức thời tai một thời điểm ở 2 bộ biến đổi khác nhau nên luôn tồn tại dòng điện vòng chạy qua 2 bộ biến đổi. Để hạn chế điều này cần mắc them cuộn kháng cân bằng . Tuy nhiên, điều này làm cho quá trình đảo chiều diễn ra chậm, sau một thời gian sử dụng phải thay cuộn kháng cân bằng. 3.2.3. Hệ truyền động điều chỉnh xung-áp. Hình 3.16. Sơ đồ nguyên lí hệ điều chỉnh xung áp. Theo sơ đồ nguyên lí hình 3.16, dòng điện phần ứng có thể đảo chiều, nhưng suất điện động phần ứng chỉ có chiều dương. Khi khóa S1 và van D1 vận hành, dòng điện phần ứng luôn dương, máy điện làm việc ở chế độ động cơ. Để đảo chiều dòng điện, ta đưa khóa S2 và van D2 vào vận hành, còn khóa S1 thì bị ngắt. Nếu E > 0 thì sẽ có dòng điện chảy ngược lại chiều ban đầu do trong mạch chỉ có nguồn duy nhất là suất điện động E. Công suất động cơ lúc này được tính dựa vào điện cảm L. Khi S2 ngắt, trên điện cảm L xuất hiện suất điện động tự cảm ∆UL dương, cùng chiều với suất điện động E. Tổng của 2 suất điện động này lớn hơn điện áp nguồn làm van D2 dẫn dòng ngược về nguồn và trả lại nguồn phần năng lượng đã tích lũy trong điện cảm L trước đó. Một đặc điểm của bộ băm xung loại B là: dòng điện có phần âm nên có giá trị nhỏ bất kì, thậm chí bằng không và truyền động không có chế độ dòng gián đoạn. Đặc tính cơ của hệ thống là những đường thẳng liên tục, chạy song song từ góc phần tư thứ I sang góc phần tư thứ II của mặt phẳng ( Nhận xét: Do đặc điểm của cơ cấu nâng hạ là làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, thường xuyên phải dừng máy và không đòi hỏi đảo chiều ngay lập tức mà thường có trễ sau một thời gian nhất định nên ta chọn phương án dùng hệ truyền động T-Đ, dùng 2 bộ biến đổi điều khiển riêng. Chọn bộ biến đổi là sơ đồ cầu 3 pha đối xứng. 3.3. Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ Hình 3.17. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha. Sơ đồ cầu 3 pha gồm 6 thyristor, chia thành 2 nhóm: Nhóm catot chung: T1, T3, T5. Nhóm anot chung : T2, T4, T6. Tại bất kì thời điểm nào cũng có một diode nhóm trên dẫn với một diotde nhóm dưới. Điện áp ra tải lúc này chính là điện áp dây của nguồn xoay chiều Uab. Trong một chu kì của điện áp xoay chiều, điện áp ra Ud sẽ hình thành từ 6 đoạn điện áp dây của nguồn xoay chiều. Điện áp trung bình nhận được trên tải: Ud = . = = 2,34U2 Điện áp ngược lớn nhất trên van: Ungmax = Dòng trung bình chảy qua các van: It = Hình 3.18. Sơ đồ dòng và áp. + Ưu điểm của sơ đồ: Số xung áp chỉnh lưu trong một chu kì lớn, vì vậy độ đập mạch của điện áp chỉnh lưu thấp, chất lượng điện áp cao. Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua mỗi van trong một chu kì thấp, chỉ bằng 1/3 dòng chỉnh lưu. Do sơ đồ là đối xứng nên không làm lệch pha lưới điện. Sơ đồ có thể làm việc ở chế độ nghịch lưu. + Nhược điểm Nhược điểm chủ yếu của sơ đồ là sử dụng số van lớn, giá thành thiết bị cao. Cơ cấu mạch điều khiển phức tạp. Hình 3.19. Sơ đồ mạch lực. Chương 4: TÍNH TOÁN MẠCH LỰC 4.1. Tính toán máy biến áp nguồn. 4.1.1. Xác định điện áp không tải của chỉnh lưu và thông số máy biến áp. Bộ biến đổi chỉnh lưu thyristor cần có giá trị điện áp không tải đãm bảo cấp cho động cơ điện một chiều có các tham số: suất điện động định mức (Eưđm ), sụt áp tổng ở mạch khi dòng phản ứng cực đại (Iưmax ). Cụ thể: γ1 Ud0 cosαmin = γ2 Eưđm + ΣUv + Iưmax RưΣ + ∆Uγmax Trong đó: Ud0 - điện áp không tải chỉnh lưu γ1 - hệ số tính đến sự suy giảm điện áp lưới, γ1 = 0,95 γ2 - hệ số dự trữ máy biến áp , γ2 = 1,04 ÷ 1,06 αmin - góc điều khiển cực tiểu. Đối với sơ đồ đảo chiều, αmin = 120 ΣUv - tổng sụt áp trên van RưΣ - điện trở đẳng trị tổng quy đổi về mạch một chiều. Iưmax - dòng phần ứng cực đại, nằm trong khoảng ( 2÷ 2,5 ) Iưđm Sụt áp cực đại do trùng dẫn được tính: ∆Uγmax = ∆Uγđm. Trong đó: Idđm – dòng định mức bộ biến đổi ∆Uγđm – sụt áp trùng dẫn định mức, được xác định: ∆Uγđm = Ud0.UK Yγ UK: điện áp ngắn mạch ( % ) Yγ : đối với sơ đồ 6 xung và 12 xung, Yγ = 0,5 Nếu Iưđm = Idđm, ta có: λ = Thay số vào, ta có: Idđm = Iưđm = 86 ( A ) Iưmax = 2 Iưđm = 2.86 = 172 ( A ) Eưđm = Uđm – Rư Iưđm = 220 – 0,17. 86 = 205,38 (V ) λ = = 2 = = 296,8 ( V ) U2 = = = 126,85 ( V ) Biến áp đấu theo kiểu ∆/Y, điện áp lưới 380 V Hệ số biến áp: Kba = 5,2 Dòng thứ cấp máy biến áp: I2 = 0,816.Id = 70,176 ( A ) Dòng sơ cấp: I1 = = = 13,5 ( A ) Công suất định mức máy biến áp: Sba = 1,05 Pd = 1.05. Ud0 Id = 1,05.296,8.86 = 26,8 ( KVA ) + Tính điện cảm và điện trở của máy biến áp Chọn máy biến áp có hệ số tự cảm mạch từ Bm = 1,1 T Rba = Trong đó: Kr – hệ số phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu và đặc điểm tải. Với sơ đồ cầu pha, Kr = 2,5 S – số trụ của máy biến áp (S = 3 ) f – tần số biến áp nguồn Điện kháng của máy biến áp: Lba = KL.S. KL : hệ số phụ thuộc sơ đồ chỉnh lưu. Với sơ đồ cầu 3 pha, KL = 10-3 Thay số vào, ta có: Rba = = 0,03 ( Ω ) Lba = 10-3.3. = 0,152 ( mH ) + Tính toán sơ bộ mạch từ máy biến áp Tiết diện trụ được tính theo công thức kinh nghiệm: Trong đó: kQ – hệ số, phụ thuộc vào phương thức làm mát. kQ = 4÷5 với máy biến áp dầu kQ = 5÷6 với máy biến áp khô. S – số trụ của máy biến áp. S = 3 à ( cm2 ) Ta chọn trụ là hình chữ nhật, với chiều dài là a (cm), chiều rộng trụ là b (cm) Chọn lõi thép máy biến áp hình chữ E, được ghép từ tôn silic loại 310, có: Bề dày tôn : 0,35mm Tổn hao : 1,7 W/kg Tỉ trọng : d = 7,8 kg/m3 Tiết diện : Q = a.b = 66,83 cm Theo kinh nghiệm, tỉ lệ b/a = ( 0,5÷1,5) là tối ưu nhất. à Chọn a = 7,5 (cm) à ( cm ) Vậy, chọn b = 9 ( cm ) + Tính toán dây quấn: Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp: ( vòng ) à chọn W1 = 135 vòng Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp: ( vòng ) Với các cuộn dây bằng đồng, máy biến áp khô, chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp J = 2,75 (A/mm2) Tiết diện dây quấn sơ cấp máy biến áp: ( mm2 ) Đường kính dây dẫn: ( mm ) Tiết diện dây quấn thứ cấp máy biến áp: ( mm2 ) Đường kính dây dẫn: ( mm ) + Tiết diện cửa sổ máy biến áp: Diện tích cửa sổ máy biến áp: Qcs = Qcs1 + Qcs2 Qcs1 = klđ.W1.S1 Qcs2 = klđ.W2.S2 Trong đó: Qcs – tiết diện cửa sổ máy biến áp Qcs1, Qcs2 – là diện tích do cuộn sơ cấp và thứ cấp chiếm chỗ klđ – hệ số lấp đầy. klđ = 2÷3, lấy klđ = 2 W1, W2 – số vòng dây sơ cấp và thứ cấp máy biến áp Vậy: Qcs1 = 2.135.4,9 = 1323 ( mm2 ) Qcs2 = 2.30.25,5 = 1530 ( mm2 ) Qcs = 1323 + 1530 = 2853 ( mm2 ) Ta lại có: Qcs = h.c Trong đó: h – chiều cao cửa sổ c – chiều rộng cửa sổ Chọn h/a = 2, c/a = 0,5 à h/c = 4 Qcs = h.c = 4c2 = 2853 à ( mm ) Chọn c = 27 mm h = 4c = 4.27 = 108 ( mm ) + Kết cấu dây quấn máy biến áp: Dây quấn được bố trí theo dọc trục. Cuộn thứ cấp quấn sát trụ, cuộn sơ cấp quấn bên ngoài. Mỗi cuộn dây được quấn thành nhiều lớp dây, mỗi lớp dây được quấn liên tục, các vòng dây sát nhau. Các lớp dây được cách điện với nhau bằng bìa cách điện. Phía thứ cấp: Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp: Trong đó: h – là chiều cao cửa sổ hg – là khoảng cách cách điện với gông. Chọn hg = 2 (mm) kc – là hệ số ép chặt. kc = 0,95 b – là bề dày trụ máy biến áp, b = 8,9 (mm) ( vòng/lớp ) Số lớp dây quấn sẽ là: ( lớp ) à chọn n12 = 3 (lớp) Vậy, cuộn thứ cấp có 30 vòng, chia thành 3 lớp, mỗi lớp 10 vòng. Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp: ( mm ) Đường kính trong của cuộn thứ cấp: Dt2 = b + 2a02 = 9 + 2.1 = 11 ( cm ) (a02 là khoảng cách từ trụ tới cuộn thứ cấp, chọn a02 = 1 cm) Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây cuộn thứ cấp cd12 = 0,1 (mm) Bề dày cuộn thứ cấp: Bd2 = (d2 + cd12).n12 = (5,7 + 0,1).3 = 17,4 ( mm ) Đường kính ngoài cuộn thứ cấp: Dn2 = Dt2 + 2.Bd2 = 11 + 2.1,74 = 14,428 (cm ) Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp: ( cm ) Chiều dài dây quấn thứ cấp: l2 = π.W2.Dtb2 = 1200 ( cm ) Phía sơ cấp Số vòng dây trên một lớp: ( vòng/lớp ) Số lớp dây quấn sẽ là: ( vòng ) à chọn n11 = 4 lớp Vậy, cuộn sơ cấp có 135 vòng, chia làm 4 lớp. Chọn 3 lớp đầu 34 vòng, lớp thứ 4 có 33 vòng. Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp: ( cm ) Chọn khoảng cách từ cuộn thứ cấp tới cuộn sơ cấp là a21 = 1 (cm) Đường kính trong của cuộn sơ cấp: Dt1 = Dn2 + 2.a21 = 14,428 + 2 = 16,428 ( cm ) Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây cuộn sơ cấp: cd11 = 0,1 (mm) Bề dày cuộn sơ cấp: Bd1 = (d1 + cd11).n11 = (2,5 +0,1).4 = 10,4 ( mm ) Đường kính ngoài cuộn sơ cấp: Dn1 = Dt1 + 2Bd1 = 16,428 + 1,04 = 17,468 ( cm ) Đường kính trung bình cuộn sơ cấp: ( cm ) Vậy, chiều dài cuộn sơ cấp: l1 = π.W1.Dtb1 = π.135.16,948 = 7188 (cm) = 7,188 ( m ) 4.1.2. Xác định tham số mạch chỉnh lưu + Tính chọn van lực: Dòng trung bình qua thyristor: It = = = 28,67 ( A ) Dòng cực đại qua thyristor: Itmax = = = 57.3 ( A ) Điện áp ngược cực đại đặt lên thyristor: Ungmax = 2,45 U2 = 2,45.126,85 = 310 ( V ) Chọn hệ số dự trữ về điện áp và dòng điện: ki = 1,5 , ku = 1,5 Vậy thyristor cần chọn phải chịu được: Điện áp ngược cực đại: Ung = 1,5. 310 = 465 ( V ) Dòng cực đại: IT = 1,5. 57,3 = 89,95 ( A ) Chọn thyristor NO44RH05 có các thông số: It – 100 ( A ) Igt – 100 ( A ) Vgt – 3 ( V ) Vdrm – 500 ( V ) Tc – 85 ( o C ) dV/dt – 200 ( V/µs ) + Tính chọn cuộn kháng lọc một chiều: Điện cảm mạch phần ứng động cơ điện một chiều có thể tính gần đúng: Lư = KL. Trong đó: KL – hệ số, lấy giá trị từ 1,4 ÷ 1,9 Zp – số đôi cực ( Zp = 2 ) Cuộn kháng lọc một chiều được mắc vào mạch phần ứng của động cơ để giảm vùng dòng điện gián đoạn, đồng thời cải thiện điều kiện chuyển mạch ở vành góp động cơ điện. Điện áp đầu ra của bộ biến đổi chứa sóng điều hòa bậc cao với tần số góc: ωk = K m ω1 với K là số nguyên bậc của các thành phần điều hòa. Điện áp này gây ra trong mạch phần ứng dòng xoay chiều điều hòa với giá trị hiệu dụng: Với LΣ : điện cảm tổng của mạch một chiều. Ta gọi gϬ là hệ số đập mạch điện áp đầu ra bộ biến đổi: Ϭi là hệ số đập mạch dòng điện và được xác định: Hệ số đập mạch phụ thuộc vào góc điều khiển α, gϬ = f Do thành phần dòng xoay chiều nên giá trị dòng điện định mức động cơ bị giảm: Tỉ số đặc trưng cho sự ảnh hưởng của dòng điện điều hòa bậc cao làm tăng điện trở tổng mạch phần ứng, giá trị tỉ số này từ 2 ÷ 3. Dòng điện xoay chiều còn gây ảnh hưởng xấu tới quá trình chuyển mạch ở cổ góp máy điện. Cụ thể do ảnh hưởng của dòng xoay chiều điều hòa bậc m, từ trường của các cặp cực chuyển mạch bị chậm lại 900 so với dòng điện điều hòa bậc m. Điện áp chuyển mạch chậm trễ sẽ không bù được phản ứng phần ứng vì sụt áp xoay chiều ∆U2 không thể tăng nhảy cấp. Trong đó Nếu chỉ quan tâm tới việc hạn chế vùng dòng điện gián đoạn thì giá trị điện cảm cần thiết mạch một chiều sẽ là: Trong đó: Idmin – dòng qua tải nhỏ nhất khi vận hành g0 – hệ số dòng điện gián đoạn, có thể lấy giá trị g0 = ( 2 ÷ 2,2 )gϬ Thay số vào ta có: Lư = KL. = 1,4. = 2,6 (mH ) Thành phần sóng hài bậc 1: = = 103,1 ( V ) gϬ = = = 1,8.10-4 = = 3,7 ( mH ) Giá trị cuộn kháng lọc là: L = LΣ – Lư = 3,7 – 2,6 = 1,1 ( mH ) Do điện trở của cuộn kháng rất nhỏ nên ta có thể coi tổng trở của cuộn kháng bằng với điện cảm của cuộn kháng lọc: Zk = XKL = 2πf.L = 2π.50.1,1.10-3 = 0,35 ( Ω ) Điện áp rơi trên cuộn kháng: (với I1m là biên độ dòng xoay chiều bậc 1, I1m = 10%Id) Thay số vào ta có: ( V ) Công suất của cuộn kháng lọc: ( VA ) Tiết diện cực từ chính của cuộn kháng lọc: ( cm2 ) Chọn trụ hình chữ nhật, tiết diện 2 cm2, với chiều rộng trụ là a, chiều dày trụ là b sao cho: b/a = 1,3. Q = a.b = 1,3a2 à ( cm ) Vậy, chọn a = 1 (cm) àb = 2/1 = 2 (cm) Chọn loại thép dày 0,35 (mm), có chiều rộng 10 (mm) và chiều dài 20 (mm), mật độ tự cảm Bt = 0,8 (T) Khi có thành phần điện xoay chiều chạy qua cuộn kháng lọc thì trong cuộn kháng lọc sẽ xuất hiện một sức điện động: Ek = 4,44.wf’Bt.Q Có thể coi gần đúng Ek = ∆U = 2,13 ( V ) à ( vòng ) Vậy, chọn cuộn kháng có 34 vòng. Dòng điện chạy qua cuộn kháng: ik = Id + I1mcos(2θ + φ1) Dòng hiệu dụng chạy qua cuộn kháng: ( A ) Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng J = 2,75 ( A/mm2 ) Tiết diện cuộn kháng: ( mm2 ) Đường kính của cuộn kháng: ( mm ) Chọn hệ số lấp đầy: klđ = 0,7 Diện tích cửa sổ: ( cm2 ) Kích thước cửa sổ mạch từ: Q = h.c Chọn h/a = 3 à h = 3a = 3.1 = 3 ( cm ) Vậy, ( cm ) à chọn c = 5 ( cm ) Chiều cao mạch từ: H = h + a = 3 + 1 = 4 ( cm ) Chiều dài mạch từ: L = 2c + a = 2.5+1 = 11 (cm ) Chọn khoảng cách từ gông đến cuộn dây: hg = 2 (mm) Số vòng dây trên một lớp: ( vòng/lớp ) Số lớp dây quấn: ( lớp ) à chọn nk = 8 lớp Chọn khoảng cách điện giữa dây quấn với trụ a01 = 3 (mm) Cách điện giữa các lớp: cd = 0,1 (mm) Bề dày cuộn dây: Bd = (dk + cd )nk = ( 6,32 + 0,1 ).8 = 51,36 ( mm ) Tổng bề dày cuộn dây: BdΣ = Bd + a01 = 51,36 + 3 = 54,36 ( mm ) Đường kính trong của cuộn kháng: Dt = b + 2 a01 = 20 + 2.3 = 26 ( mm ) Đường kính ngoài của cuộn kháng: Dn = Dt + 2BdΣ = 26 +2.54,36 = 134,72 ( mm ) Đường kính trung bình của cuộn kháng: ( mm ) Chiều dài dây quấn: lk = π.w.Dtb = π.34.80,36 = 8538,5 ( mm ) Vậy, chọn l = 9 (m) 4.1.3. Tính toán thiết bị bảo vệ + Bảo vệ quá nhiệt: Van bán dẫn bị hỏng khi nhiệt độ mặt ghép vượt quá giá trị cho phép. Khi van làm việc, nhiệt độ mặt ghép tăng lên do những nguyên nhân sau: Dòng rò chạy qua van khi khóa. Điện áp thuận rơi trên van khi dẫn. Tổn hao do các xung kích để mở van Tổn hao do chuyển mạch, phụ thuộc vào hệ số chuyển mạch. Ở đây ta chỉ xét tổn hao do điện áp thuận rơi trên van, bỏ qua các tổn hao khác do không đáng kể. Công suất tổn hao: ∆P = ∆U Ihdv Trong đó: ∆P – tổn hao công suất trên van. ∆U – điện áp rơi trên van ( 2 V ) Idhv – dòng trung bình qua van ( 28,67 A ) Vậy: ∆P = ∆U Ihdv = 2.28,67 = 57,3 W Do tổn hao tương đối nhỏ nên ta chọn phương án làm mát cưỡng bức bằng cánh tản nhiệt, có quạt gió. + Bảo vệ quá tải: Để bảo vệ van không bị quá tải, ta mắc aptomat ở đầu vào của bộ biến đổi. Khi bộ biến đổi bị quá tải, aptomat sẽ tác động cắt bộ biến đổi ra khỏi lưới. Dòng định mức của aptomat thường chọn từ 1,1 ÷ 1,3 giá trị dòng định mức của bộ biến đổi. Vậy chọn aptomat có: IAđm = 1,3 Id = 1,3 . 86 = 112 ( A ) UAđm = 220V + Bảo vệ ngắn mạch: Dùng cầu chì dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch cho thyristor, ngắn mạch đầu ra cho bộ chỉnh lưu, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp. Nhóm cầu chì thứ nhất: bảo vệ ngắn mạch thứ cấp máy biến áp Nhóm cầu chì thứ hai : bảo vệ ngắn mạch cho bộ chỉnh lưu. Dòng định mức của các nhóm cầu chì: Nhóm 1: ICC1đm = 1,3. I2 = 1,3. 13,5 = 17,55 ( A ) Nhóm 2: ICC2đm = 1,3 . 86 = 112 ( A ) + Bảo vệ quá áp cho van: Bảo vệ quá áp cho thyristor được thực hiện bằng cách mắc mạch R – C song song với thyristor. Khi có sự chuyển mạch, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm, gây ra quá điện áp thyristor. Mắc thêm mạch R - C, khi có chuyển mạch, điện tích tích tụ giữa hai bản cực sẽ phóng ra trong một thời gian ngắn, khiến cho thyristor không bị quá áp. Theo kinh nghiệm, thường chọn: R = 5 ÷ 30 Ω C = 0,25 ÷ 4 µF Vậy, ta chọn: R = 10 Ω, C = 0,3 µF. + Lựa chọn thiết bị đo tốc độ: Để lấy tín hiệu phản hồi tốc độ, ta sử dụng máy phát tốc. Máy phát tốc là máy điện nhỏ, làm việc ở chế độ máy phát và thực hiện chức năng biến đổi chuyển động quay của trục động cơ thành tín hiệu áp. Phương trình đặc tính ra của máy phát tốc như sau: Trong đó: UF – điện áp ra của máy phát tốc K, K1 – các hệ số khuếch đại n – vận tốc quay của roto α – góc quay Theo cấu tạo và nguyên kí làm việc, máy phát tốc có thể chia thành: Máy phát tốc không đồng bộ Máy phát tốc đồng bộ Máy phát tốc một chiều Sơ đồ máy phát tốc được thể hiện trên hình 4.1. Trong hệ thống, máy phát tốc thực hiện chức năng như: Đo vận tốc quay Thực hiện mối liên hệ ngược về vận tốc quay trong các hệ thống theo dõi Thực hiện vi phân theo góc quay Thực hiện tích phân: Hình 4.1. Sơ đồ máy phát tốc. Biến trở có tác dụng như một cầu phân áp mà điện áp ra có thể thay đổi phù hợp với điện áp đặt tốc độ động cơ. Chọn loại máy 113/1Y4 có các thông số: Pđm – 115 W Uđm – 220 V Iđm – 0,5 A + Lựa chọn thiết bị đo dòng điện Có 2 phương pháp chính để tạo ra phản hồi dòng là sử dụng điện trở sum và sử dụng biến dòng. Ở đây dùng biến dòng với sơ đồ như sau: Hình 4.2. Sơ đồ phản hồi dòng điện. Trong sơ đồ trên, tín hiệu ra của các biến dòng là tín hiệu xoay chiều, sau khi qua hệ thống chỉnh lưu được biến đổi thành tín hiệu một chiều. Sau đó, tín hiệu này được đưa vào mạch vòng dòng điện. Chương 5: TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH 5.1. Mô hình toán học động cơ điện một chiều. Hình 5.1. Giản đồ thay thế động cơ điện một chiều Trong chế độ xác lập của động cơ điện một chiều, khi đặt lên dây quấn kích từ của động cơ điện áp uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện ik và do đó, mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ. Tiếp đó, đặt một giá trị U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua.Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo ra momen điện từ có giá trị: Trong đó: p’ – số đôi cực của động cơ N – số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ a – số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng k – hệ số kết cấu của máy Do momen điện từ kéo cho phần ứng quay nên các dây quấn quét trong từ thông và trong các dây quấn cảm ứng suất điện động: Với động cơ một chiều: +Mô hình chung: Nếu các thông số của động cơ là không đổ thì có thể viết được phương trình mô tả sơ đồ thay thế hình 5.1 như sau: UK(p) = RK. IK(p) + NK. p. ΦK(p) Trong đó: Nk – số vòng dây của cuộn kích từ Rk – điện trở dây quấn kích từ Mạch phần cứng: U(p) = Rư.I(p) + Lư.p.I(p) ± NN.p.Φ(p) + E(p) Hoặc dạng dòng điện: I(p) = Trong đó: Lư – điện cảm phần ứng NN – số vòng dây cuộn kích từ Tư = Lư/Rư – hằng số thời gian mạch phần ứng Phương trình chuyển động của hệ thống: M(p) – Mc(p) = J.p.ω Trong đó: J là momen quán tính của hệ quy đổi về trục động cơ. Từ các phương trình trên, ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc của động cơ như hình vẽ. Sơ đồ cấu trúc này phi tuyến mạnh nên trong tính toán ứng dụng, ta mô hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc. Chọn điểm làm việc ổn định tuyến tính hóa đặc tính từ hóa và đặc tính momen tải như sau: Φ0, Ik0 Mcb, ωB Hình 5.1. Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều Tại điểm làm việc xác lập, ta có điện áp phần ứng U0, dòng điện phần ứng I0, tốc độ quay , từ thông Φ0, momen tải MB, điện áp kích từ Uk0 và dòng điện kích từ Ik0. Các đại lượng biến thiên nhỏ xung quanh điển làm việc ∆U(p), ∆I(p), ∆(p), ∆Φ(p), ∆M(p), ∆Uk(p), ∆Ik(p). Mạch phần ứng: U0 + ∆U(p) = Rư .[I0 + ∆I(p)] + p.Lư.[I0 + ∆I(p)] + K.[Φ0+∆Φ(p)].[+∆(p)] Mạch kích từ: Uk0 + ΔUk(p) = Rk.[Ik0 + ΔIk(p)] + p.Lk.[Ik0 + ΔIk(p)] + Phương trình chuyển động cơ học: K.[Φ0 + ∆Φ(p)].[I0 + ∆I(p)] - [MB + ∆MC(p)] = J.p. [ωB + Δω (p)] Bỏ qua các vô cùng bé bậc cao trong phương trình trên, ta có: ∆U(p) - [K.Φ0.∆(p) + K.B.∆Φ(p)] = R.∆I(p). (1 + p.Tư) ∆Uk(p) = Rk.∆Ik(p).(1 + p.Tk) K.I0.∆Φ(p) + K.Φ0.∆I(p) - ∆Mc = J.p.∆(p) Sơ đồ tuyến tính hóa từ các phương trình thu được như sau: Hình 5.2. Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa Khi dòng điện kích từ động cơ không đổi, hoặc khi từ thông được kích thích bằng nam chân vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số: KΦ = const = Cu U( p ) = Rư Iư (p) (1 + pTư) + Cu. ω(p) Cu.I(p) – Mc(p) = J.p.ω(p) Hình 5.3. Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi Sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông kích từ không đổi được thể hiện trên hình 5.3. Bằng phương pháp đại số sơ đồ cấu trúc ta có sơ đồ thu gọn như hình 5.4, trong đó đặt: Kđ = 1/Cu - hệ số khuếch đại động cơ Tc = - hằng số thời gian cơ học Hình 5.4. Các sơ đồ cấu trúc thu gọn a) Theo tốc độ; b) Theo dòng điện 5.2. Tổng hợp mạch vòng dòng điện. Mạch vòng điều chỉnh dòng điện( hình 5.5 ) là mạch vòng cơ bản, có tính chất quyết định tới chất lượng điều chỉnh của hệ thống. Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động là trực tiếp hay gián tiếp xác định momen kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc… Hình 5.5 Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện Trong sơ đồ trên: Ri - là bộ điều chỉnh dòng điện Mω - là bộ điều chỉnh điện áp Trong trường hợp hằng số thời gian cơ học( Tc ) rất lớn so với hằng số thời gian mạch phần ứng (Tư), ta có thể coi sức điện động của động cơ không ảnh hưởng tới quá trình điều chỉnh mạch vòng dòng điện. Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh dòng điện như trên hình 5.6, trong đó F là mạch lọc tín hiệu, Ri là bộ biến đổi điều chỉnh dòng điện, BĐ là bộ biến đổi 1 chiều, Si là xenxơ dòng điện. Xenxơ dòng điện có thể thực hiện bằng các biến dòng ở mạch xoay chiều hoặc bằng các điện trở sum hoặc các mạch do cách li trong mạch một chiều. Hình 5.6. Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện Ti, Tđk, Tvo, Tư, Ti – các hằng số thời gian của mạch lọc, mạch điều khiển,mạch chỉnh lưu,sự chuyển mạch chỉnh lưu, phần ứng và xenxơ dòng điện Rư – điện trở mạch phần ứng - hệ số khuếch đại của chỉnh lưu Hàm truyền của mạch vòng dòng điện (hàm truyền của đối tượng điều chỉnh) là như sau: S0i (p) = Trong đó, các hằng số thời gian Tf, Tđk, Tvo, Ti , là các hằng số thời gian, rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ. Đặt Ts = Tf +Tđk+Tvo+Ti thì có thể viết lại công thức trên ở dạng gần đúng như sau: S0i (p) = Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modun, ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện có dạng khâu PI: Ri(p) = Trong đó đã chon a = 2 Từ các thông số của động cơ: Pđm = 16 KW Uđm = 220 V nđm = 690 vòng/phút Iđm = 86 A Ta có: ω = = = 72,3 ( rad/s ) KΦ = Cu = = = 2,84 Lư = 2,6 ( mH ) Hằng số thời gian mạch phần ứng: Tư = = = 0,015 ( s ) Momen quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ: M(p) – Mc(p) = Jp.ω(p) à Jp = Trong trường hợp Mc = 0 Jp = = = = 3,38 ( kgm2 ) Hằng số thời gian cơ học: Tc = = 0,07 ( s ) Hằng số thời gian của bộ biến đổi: Tvo = = = 0,00167 ( s ) Hằng số thời gian của mạch điều khiển chỉnh lưu chọn bằng: Tđk = 0,001 ( s ) Hệ số biến đổi của mạch chỉnh lưu: Kcl = = = 18,3 Hằng số thời gian của khâu phản hồi dòng điện chọn bằng: Tfi = 0,001 ( s ) Hệ số hàm truyền phản hồi dòng điện: Ki = = = 0,14 Vậy, hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện sẽ là: Ri(p) = = = Hàm truyền của mạch vòng dòng điện thu được sẽ là: = 5.3. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ Hệ thống điều chỉnh tốc độ là hệ thống mà đại lượng được điều chỉnh là tốc độ góc của động cơ điện. Các hệ này rất thường gặp trong thực tế kĩ thuật. Hệ thống điều chỉnh tốc độ được hình thành từ hệ thống điều chỉnh dòng điện. Các hệ này có thể là đảo chiều hoặc vô sai cấp hai. Nhiễu chính của hệ là momen tải Mc. Hình 5.7. Sơ đồ khối hệ T-Đ đảo chiều Tùy theo yêu cầu của công nghệ mà các bộ điều chỉnh tốc độ Rω có thể được tổng hợp theo tín hiệu điều khiển hoặc theo nhiễu tải Mc. Trong trường hợp chung, hệ thống phải có đặc tính điều chỉnh tốt từ cả hai phía: tín hiệu điều khiển và nhiễu phụ tải. Kết cấu cơ bản của hệ truyền động đảo chiều được thể hiện trên hình 5.7. Để đảo chiều quay, trong hệ thống dùng 2 bộ biến đổi: BBĐ1 và BBĐ2, mắc song song ngược nhau. Các máy phát xung FX1 và FX2 phát xung điều khiển 2 bộ biến đổi này. Các bộ điều chỉnh dòng điện Ri1 và xenxơ dòng Si1, Ri2 và xenxơ dòng Si2 tạo thành mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Phần tử phi tuyến HCD là phần tử hạn chế dòng trong quá trình quá độ. Xenxơ tốc độ Sω đóng vai trò khâu phản hồi tốc độ. Sơ đồ khối chức năng được trình bày trên hình 5.8. Hình 5.8. Sơ đồ khối hệ điều chỉnh tốc độ Để tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ, ta sử dụng biểu thức kết quả khi tổng hợp mạch vòng dòng điện, bỏ qua sức điện động của động cơ: Để thuận tiện cho những tính toán tiếp theo, ta có thể sử dụng công thức gần đúng: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều chỉnh tốc độ như trên hình 5.8, trong đó Sω là xenxơ tốc độ, có hàm truyền là khâu quán tính với hệ số truyền Kω và hằng số thời gian lọc Tω. Thường Tω có giá trị nhỏ, khi đó đặt 2T’s = 2Ts + Tω, đối tượng điều chỉnh có hàm truyền: S02(p) = Theo tiêu chuẩn modun tối ưu, có thể xác định được hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ là khâu tỉ lệ: Rω(p) = Thường lấy a2 = 2. Hình 5.9. Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh tốc độ Từ những bước tính trên, ta có: Ki = 0,14 Tc = 0,07 ( s ) Ts = 0,0037 ( s ) Kω = Khi ω = ωđm, Uω = 10 ( V ) Chọn hằng số thời gian lọc: Tω = 0,001 ( s ) ( s ) Hàm truyền của mạch vòng tốc độ là: Thay số vào ta có: