Đồ án : Thiết kế cầu trục nâng hạ

hi góc mở nhỏ nhất = thì điện áp trên tải là lớn nhất. Udmax = Ud0.cos= Udđm và tương ứng tốc độ động cơ sẽ lớn nhất nmax = nđm. Khi góc mở lớn nhất = thì điện áp trên tải là nhỏ nhất. Udmin = Ud0.cosvà tương ứng tốc độ động cơ sẽ nhỏ nhất nmin. Ta có: arcos = arcos Trong đó: Udmin được xác dịnh : D = Udmin = = = = 20,09 (V) = arcos= arcos * Lựa chọn các thành phần sóng hài: Để thuận tiện cho việc khai triển chuỗi Furier ta chuyển gốc toạ độ sang điểm , khi đó điện áp tức thời trên tải khi Thyristor T1 và T4 dẫn Ud = Uab = Với : Điện áp tức thời trên tải điện Ud không sin và tuần hoàn với chu kỳ Trong đó : P  : số xung đập mạch trong một chu kỳ điện áp lưới Khai triển chuỗi Furier của điện áp Ud : Ud = Trong đó: an = an = bn = bn = Ta có: Vậy ta có biên độ của điện áp: Uk.n = Uk.n = 2. Uk.n = Ud * Xác định điện cảm cuộn kháng lọc: Từ phân tích ở trên ta thấy rằng khi góc mở càng tăng thì biên độ thành phần sóng hài bậc cao càng lớn, có nghĩa là đập mạch của điện áp, dòng điện càng tăng lên. Sự đập mạch này làm xấu chế độ chuyển mạch của vành góp, đồng thời gây ra tổn hao phụ dưới dạng nhiệt trong động cơ. Để hạn chế sự đập mạch này ta phải mắc nối tiếp với động cơ một cuộn kháng lọc đủ lớn để: Im 0,1.Iưđm Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao, cuộn kháng còn có tác dụng hạn chế vùng dòng điện gián đoạn. Điện kháng lọc được tính khi góc mở = : Ta có: Ud + u~ = E + Ru.i~ + L Cân bằng hai vế: U = R.i~ +L. vì R.i~ << L nên U = L. Trong các thành phần xoay chiều bậc cao, thì thành phần sóng bậc cao k = 1 có mức độ lớn nhất gần đúng ta có: U~ = U1msin(6 + ) nên : I = Vậy Im = 0,1.Iưđm Suy ra : L ≥ Trong đó: = 6 là số xung đập mạch trong một chu kỳ điện áp. U1m = U1m = L = (H) = 12,5 (mH) Tải ta đang xét là động cơ điện một chiều, nên điện cảm phần ứng của động cơ được tính gần đúng theo công thức (8.42)(T.45 - TKTBĐTCS) Lư = Kd.(H) Trong đó: Kd = 0,5 0,6 đối với động cơ không có cuộn bù. Kd = 0,1 0,25 đối với động cơ có cuộn bù. ndm  : tốc độ quay định mức của động cơ.(vg/p) Udm : điện áp định mức của động cơ.(V) Idm  : dòng điện định mức của động cơ.(A) Điện cảm mạch phần ứng: Lưc = Lư + 2.LBA = 5,73 +2.0,162 = 6,054 (mH) Điện cảm cuộn kháng lọc: Lk = L - Lưc = 12,5 – 6,054 = 6,446 (mH) * Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc: Các thông số ban đầu: Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc: Lk = 6,446 (mH) Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng: Idm = 36,4 (A) Biên độ dòng điện xoay chiều bậc 1: I1m = 10%, I1dm = 3,64 (A) Đo dòng điện cuộn kháng lớn và điện trở bé do đó ta có thể coi tổng trở của cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng của cuộn kháng. Zk = Xk = 2..f.Lk = 2.3,14.50.6,446.10-3 = 2,024 () Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng: U = Zk.= 2,024.= 5,21 (V) Công suất của cuộn kháng lọc: S = Tiết diện cực từ chính (tiết diện lõi thép) của cuộn kháng lọc: Q = kQ. Trong đó: Q : tiết diện lõi thép (cm2) f ‘ = f.m kQ = 5 6 hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, khi làm mát bằng không khí tự nhiên. kQ = 5 Chuẩn hoá tiết diện trụ theo kích thước có sẵn : Chọn Q = 4,25 (cm2) Với tiết diện trụ Q = 4,25 (cm2) Chọn loại thép 330A, tấm thép dày 0,35 mm a = 20 (mm) b = 25 (mm) Chọn mật độ từ cảm trong trụ : BT = 0,8 T Khi có thành phần dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm thì trong cuộn cảm sẽ xuất hiện một sức điện động Ek : Ek = 4,44.kdq.w.f’.BT.Q Trong đó: kdq : hệ số dây quấn w : số vòng dây cuộn kháng lọc B : mật độ tự cảmm của lõi thép, với B = 01 08 Q : tiết diện lõi thép Với giả thiết bỏ qua sụt áp trên điện trở : Ek = U = 5,21 (V) Số vòng dây của cuộn kháng lọc : W = (vòng) Lấy W = 12 (vòng) Dòng điện chạy qua cuộn kháng i(t) = Id + imcos Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng: Ik = Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng: S1 = Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B Chọn Sk = 14,04 (mm2) Với kích thước dây: ak x bk = 1,8 x 9,785 (mm x mm) Tính lại mật độ dòng: J = Chọn tỷ số lấp đầy: klđ = 0,7 Diện tích cửa sổ: Qcs = Tính kích thước mạch từ: Qcs = c x h Chọn m = Chiều cao mạch từ: H = h + a = 60+20 = 80 (mm) Chiều dài mạch từ: L = 2.c + 2.a = 2.0,41 +2.60 = 120,82 (mm) Chọn khoảng cách từ gông tới cuộn dây: hg = 2 (mm) Tính số vòng trên một lớp: (vòng) = 6 (vòng) Tính số lớp dây quấn: (lớp) Chọn khoảng cách cách điện giữa dây quấn với trụ : a01 = 3 mm Cách điện giữa các lớp : cd1 = 0,1 mm Bề dày cuộn dây: Bd = (ak + cd1).n1 = (1,8 + 0,1).2 = 3,8 (mm) Tổng bề dày cuộn dây : Bd= Bd + a01 = 3,8 + 3 = 6,8 (mm) Chiều dài của vòng dây trong cùng: L1 = 2(a +b) + 2..a01 = 2(20 + 25) + 2.3,14.3 = 108,8 (mm) Chiều dài của vòng dây ngoài cùng: L2 = 2(a +b) + 2..( a01 + Bd) = 132,7 (mm) Chiều dài trung bình của một vòng dây: Ltb = (l1 + l2) : 2 = (108,8 +132,7) : 2 = 120,752 (mm) Điện trở của dây quấn ở 750C: R = .w = Thể tích sắt: VFe = 2.a.b.h + 2.a/ 2.b.1 = a.b(2h+1) = 0,125 (dm3) Khối lượng sắt: MFe = VFe.mFe = 0,125.7,85 = 0,944 (kg) Với mFe: khối lượng riêng của sắt, mFe = 7,85 (kg/dm3) Khối lượng đồng: MCu = VCu.mCu = Sk.ltb. w..mCu = 14,04.10-4.120,752.10-2.12.8,9 = 0,18 (kg) Với mCu : khối lượng riêng của đồng, mCu = 8,9 (kg) l. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực: * Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ * Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn: Khi làm việc với dòng điện chạy qua trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất , tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác van bán dẫn chỉ được pháp làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó, nếu quá nhiệt dộ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để cho van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lý. - Tính toán cánh tản nhiệt - Tổn thất công suất trên 1 Thyristor: Ilv : dòng điện làm việc của van. - Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: Trong đó: - Tổn hao công suất (W) - Độ chênh lệch so với môi trường Chọn nhiệt độ môi trường . Chọn nhiệt độ trên cánh tỏa nhiệt - Hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Chọn km = 8 (w/m2.0C) Chọn loại cánh tản nhiệt có 10 cánh Kích thước mỗi cánh a . b = 10 . 10 (cm2) Tổng diện tích toả nhiệt của cánh: S = 10.2.10.10 = 2000(cm2) = 0,2 (m2) * Bảo vệ quá dòng điện cho van: - Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động đóng mạch khi quá tải và ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu. - Chọn 1 aptomat có : Uđm = 220 V Có 3 tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng NCĐ - Chỉnh định dòng ngắn mạch Với I1d = 8,5(A) là dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp - Dòng quá tải: - Chọn cầu dao có dòng định mức: - Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sữa chữa HTTĐ - Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Thyristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu. - Nhóm 1cc: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 1cc: Với I2 = 29,72 (A) - Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của MBA - Nhóm 2cc: Dòng điện định mức nhóm 2cc: Với Ihd = 21,02 (A) - Dòng hiệu dụng làm việc của van - Nhóm 3cc: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 3cc: Với Iđm = 36,4 (A) - Dòng định mức Vậy chọn cầu chì: (Bảng 2.32 - T.644 - Cung cấp điện) Nhóm: 1cc có Idc = 120A loại-2-250 do Liên Xô chế tạo 2cc có Idc = 80A loại-2-100 do Liên Xô chế tạo 3cc có Idc = 150A loại-2-250 do Liên Xô chế tạo * Bảo vệ quá điện áp cho van: Bảo vệ quá điện áp: do quá trình đóng cắt Thyristor được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với Thyristor. Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anot và katot của Thyristor. Khi có mạch R-C mắc song song với Thyristor tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Thyristor không bị quá điện áp. Hình 2.3.2: Mạch R-C bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch Theo kinh nghiệm: R1 = (5 30) ; C1 = (0,25 4) F Chọn: R1 = 5,1 C1 = 0,3 F * Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện: ta mắc mạch R-C như hình vẽ. Nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Trị số RC được chọn : R2 = 12,5 () C1 = 4 F Hình 2.3.3: Mạch RC bảo vệ quá điện áp từ lưới CH ƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỞ VAN Để các van của bộ chỉnh lưu có thể mở tại thời điểm mong muốn thì ngoài điều kiện tại thời điểm đó trên các van có điện áp thuận thì trên cực điều khiển G và K của van phải có điện áp điều khiển (thường gọi là tín hiệu điều khiển). Để có hệ thống tín hiệu điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu mở van người ta sử dụng mạch điện tạo ra các tín hiệu đó gọi là mạch điều khiển. Điện áp điều khiển các Thyristor phải đáp ứng được các yêu cầu cần thiết về công suất, biên độ cũng như thời gian tồn tại. Do đặc điểm của Thyristor là khi van đã mở thì việc tồn tại tín hiệu điều khiển nữa hay không cũng không ảnh hưởng đến dòng qua van. Vì thế hạn chế công suất của mạch phát tín hiệu điều khiển và giảm tổn thất trên vùng cực điều khiển tạo ra các tín hiệu điều khiển trên vùng cực điều khiển tạo ra các tín hiệu điều khiển Thyristor có dạng xung. Trong hệ thống truyền động ta dùng các hệ thống phát xung điều khiển đồng bộ, khống chế theo nguyên tắc pha đứng với sơ đồ khối như sau: Hình 2.4.1: Sơ đồ khối khâu phát xung theo nguyên tắc pha đứng Khối 1: Khối đồng bộ hoá và phát xung răng cưa. Khối này có nhiệm vụ lấy tín hiệu động bộ hoá và phát ra sóng điện áp hình răng cưa đưa vào khối SS. Khối 2: Khối so sánh có nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu điện áp tựa hình răng cưa URC và điện áp điều khiển UĐK để phát ra xung điện áp đưa tới mạch tạo xung. Khối 3: Khối tạo xung có nhiệm vụ tạo ra các xung điều khiển đưa tới cực điều khiển của Thyristor. U1 : là điện áp lưới xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu. Urc : điện áp tựa thường có dạng răng cưa lấy từ đầu ra của khối ĐBH – FXRC. Uđk : diện áp điều khiển một chiều dùng để điều khiển giá trị góc mở Uđkt : điện áp điều khiển Thyristor là chuỗi các xung điều khiển lấy từ đầu ra hệ thống điều khiển (cũng là đầu ra của khối truyền xung) và được truyền đến cực điều khiển G và Catot K của các Thyristor. * Nguyên lý làm việc: Điện áp cấp cho mạch động lực BBĐ được đưa đến các mạch đồng bộ hoá của khối 1. Đầu ra của mạch đồng bộ hoá có điện áp hình sin cùng tần số với điệ áp nguồn cung cấp và được gọi là điện áp đồng bộ. Điện áp đồng bộ được đưa vào mạch phát xung 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 .Như vậy điện áp có tần số xuất hiện bằng tần số xung răng cưa bằng với 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 Thyristor để mở van. Thực tế xung đầu ra của mạch so sánh không đủ độ rộng và biên để mở van, vì vậy người ta sử dụng mạch khuếch đại và truyền xung. Nhờ đó mà các xung ra của mạch này đủ điều kiện mở chắc chắn các Thyristor. 1. Mạch đồng bộ hoá và phát xung răng cưa: S ơ đồ nguyên lý : Hình 2.4.2: Sơ đồ đồng bộ hoá và phát xung răng cưa đi xuống b. Nguyên lý làm việc : Khi điện áp đồng bộ ở nữa chu kỳ dương sẽ làm T1 mở . Dòng qua T1 phải chạy từ nguồn E đi qua R2 và R3 gây sụt áp trên R2 tạo điện áp thuận mở T2 cho nên T2 vẫn dẫn dòng . Dòng qua T2 sẻ nạp cho tụ C với hằng số thời gian nạp là R2C(nạp phi tuyến ), tụ C được nạp cho đến trị số của ổn áp Doa thì dừng lại đến đây hết giai đoạn chuẩn bị cho việc tạo điện áp răng cưa. Nữa chu kỳ sau khi điện áp đồng bộ chuyển sang chu kỳ âm . sẽ làm cho transitor T1 khóa nên dòng qua T1 củng chính là qua các điện trở R2,R3 bằng không. Do đó sụt áp trên R2 =0 dẫn đến T2 cũng khóa theo Hình 2.4.3: Đồ thị mô tả mạch tạo răng cưa Như vậy trạng thái cuả transitor T1,T2 luôn giống nhau . Từ lúc này tụ C phóng điện qua T3 . Bóng T3 đấu theo kiểu Emitê lọc điện thế trên Emite sẽ lặp lại điện thế Bazo nhưng thấp hơn 0,7V do sụt áp trên quá độ Bazo – Emite . Vì Bazo T3 nối với điểm 0V của mạch điều khiển nên điện thế Emite sẽ cố định = (-0,7V) từ đây ta thấy rằng điện áp trên R5 là (E=-0,7V) vì vậy dòng qua R5 cũng là dòng qua bong T3 và chính là dòng phóng của tụ C bằng: Giá trị dòng này là không đổi vì E va R5 cố định . Đưa vào biểu thức tính điện áp trên tụ . Biết rằng tụ bắt đầu phóng từ giá trị Uc = Uoa ta có : c. Tính chọn thiết bị : Ta chọn ổn áp điốt BZX79 loại 10V có phạm vi làm việc là (1 đến 20)mA Tính điện trở R5: Ta chọn tụ C=0.33F Ta có R5= Chọn điện trở 27k nối tiếp với 1 biến trở 20k (để chỉnh điện áp răng cưa ) ở vị trí R5 Điện trở R4: Dựa theo nguyên tắc và chọn thời gian nạp t=1mS ta có : Chọn R4=1k Kiểm tra dòng làm việc điôt ổn áp: khi điôt ổn áp thông điện áp rơi trên R4 là: Dòng điện qua R5 bằng: Vậy dòng làm việc của điôt ổn áp : ioa=iR4-iR5=2-0,33=1,67mA. Giá trị này nằm trong vùng làm việc điôt ổn áp Các phần tử khác : R3,R2 Dựa vào dòng qua T2 lớn nhất E/R4=12/1000=12mA chọn T2 lại AC125(p-n-p)có thông số Ucemax=45V , Icemax=40mA S chọn R3 = 47k. Lấy R2= 0,3.R3=0,3.47=14,1 chọn R2=12k các transitor T1,T3 đều chọn loại BC108 Kết quả mô phỏng: Khâu so sánh: ( Dùng so sánh kiểu 2 cửa) Sơ đồ nguyên lý : Hình dưới Nguyên lý làm việc : Hai điện áp cần được so sánh đưa tới 2 cực kháng nhau của OA . Điện áp sẽ tuân theo qui luật: K0 là hệ số khuếch đại của OA . Tùy thuộc vào điện áp răng cưa và điều kiện đưa vào cửa nào mà điện áp ra xuất hiện sườn xung âm hoặc dương ở thời điểm cân bằng giá trị giữa chúng : Hình 2.4.4: Mô tả khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán OA - Nếu điện áp đưa vào cửa (+) , điện áp răng cưa đưa vào cửa (-) có nghĩa là và thì điện áp ra là: Do đó Uđk>URc thì Ura=+Ubh; khi Uđk<URc thì ngược lại URa=-Ubh Khâu tạo xung đơn: Mạch tại xung đơn vi phân RC: Đây là mạch đơn giản chỉ gồm một tụ điện và 1 điện trở mắc như hình vẽ : Khi điện áp đưa từ khâu so sánh Uss ở mức thấp thì tụ C được nạp bằng nguồn âm theo đường 0 . Đến trị số bằng Ubh với dấu điện áp như sau: Khi Uss chuyển mức bão hòa cao +Ubh ở thời điểm ban đầu trên điện trở R xuất hiện 1 xung điện áp có giá trị = tổng điện áp có sẵn trên tụ (đang bằng Ubh) cộng với điệnn áp đầu ra Uss (cũng bằng Ubh) do chúng mắc nối tiếp với nhau nên sẽ là +2Ubh . Sau đó tụ C bắt đầu quá trình nạp đảo đẻ cuối cùng lại đến trị số Ubh nhưng ngược dấu ban đầu Quy luật biến thiên của tụ ; với . Điện áp nhận ở đầu ra mạch vi phân chính là điện áp trên điện trở R. Hình 2.4.5 : Mô tả mạch tạo xung đơn bằng mạch vi phân RC Như vậy điện áp ra suy giảm theo hàm mũ với hằng số thời gian . Do đó sau khoảng thời gian 3thì có thể coi điện áp ra về đến 0. Vậy độ rộng xung đơn là Chọn tx=100, Itx không dưới 1mA lấy tx=1,8 trong đó =Rtđ.C=(R/Rb)/C . Để đảm bảo đến cuối cùng xung dòng vào bóng T vẫn đạt giá trị yêu cầu 1mA ta có: từ đây suy ra: Ubh=E-1,5=12-1,5=10,5VRtđ = điện trở Rb nhỏ hơn rất nhiều so với R. Để dảm bảo dòng chủ yếu chạy vào Bazo bóng T, vì vậy nên chọn Rb gần với giá trị tương đương Rtđ ở đây chọn Rb=3,9k Chọn R=30K Xác định giá trị tụ điện C từ hằng số thời gian của mạch Trong ddos vì đã chọn ở trên quan hệ tx=1,8=100 nên C= Chọn C = 22nF Hình 2.4.6: Đồ thị mô tả mạch tạo xung đơn bằng mạch vi phân RC Khâu gép xung bằng điôt: Ta có sơ đồ: Hình 2.4.7: Mạch gép xung bằng Điôt Khi đầu vào của mạch khuếch đại xung là transitor , ta có thể gép đơn thành xung kép bằng điôt như hình vẽ : Thực chất nó cũng là mạch logic DTL (Diede-Transitor ) kiểu này thích hợp với nhiều loại TDX khác nhau kể cả mạch tạo xung kép vì vậy được dùng nhiều trong thực tế .Điện trở Rb tính chọn theo điều kiện bảo hòa transitor T ,còn Rk chỉ có tác dụng khóa chắc T khi không có xung từ TDX đưa đến nên thường chọn theo điều kiện Rk>>Rb Mạch khuếch đại xung: T4,T5 điều kiện chọn theo diều kiện chọn điện áp như nhau là chịu được trị số nguồn công suất . Về dòng điện bóng T1 chọn theo dòng điện qua cuộn sơ cấp I1 của biến áp xung Ic=I1=Ig/K Trong đó: Ig là dòng điều khiển mở van K tỷ số vòng dây giữa sơ cấp và thứ cấp biến áp xung thường nằm trong phạm vi 1 đến 3 Hình 2.4.8 : Sơ đồ mạch khuếch đại xung gép bằng BAX Sau khi chọn được T5 thì có hệ số khuếch đại sẻ chọn T4 vì dòng qua collecto T4 chính là dòng qua Bazo T5 . Như vậy bóng T4 luôn nhỏ hơn T5 do chịu dòng nhỏ hơn lần . Vì đọ rộng xung điều khiển nhỏ hơn nhiều chu kỳ phát xung nên công suất phát nhiệt transitor không đáng kể và củng không phải quan tâm đến vấn đè này khi tính toán . Điện trở R5 chọn từ điều khiển mở van bão hòa tốt cho T5, T4 đồng thời không gây cho quá tải cho tần trước của khâu khuếch đại xung 6. Thiết kế mạch tổng hợp và khuếch đại các tín hiệu điều khiển, mạch tạo điện áp chủ đạo: Nhằm giúp hệ thống truyền động làm việc với tốc độ ổn định và đồng thời có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ ta phải thiết kế mạch khuếch đại trung gian được biểu diễn như sau: a. Mạch khuếch đại trung gian. * Sơ đồ khâu khuếch đại trung gian: Hình 2.4.9 : Sơ đồ mạch khuếch đại trung gian * Thiết bị của khâu khuếch đại trung gian gồm: - IC là khuếch đại thuật toán có nhiệm vụ tổng hợp, khuếch đại tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi âm tốc độ. - WR5 là biến trở để hạn chế phạm vi điều chỉnh. - R11 là điện trở phản hồi của IC. * Nguyên lý làm việc: Giả sử khi khởi động tốc độ động cơ n = 0 Uv = Ucđ (+) qua IC có Ura (-) = Uramax(-). Tr5 mở bão hoà Uđk 0 đây là quá trình cưỡng bức khởi động. Tốc độ động cơ tăng dần lên, Uv giảm dần đến Tr5 mở kém đi, Uđk tăng theo chiều âm (Uđk01). ĐC chuyển sang quá trình làm việc xác lập ổn định tốc độ. Muốn tăng giảm tốc độ ta tăng hoặc giảm Ucđ bằng cách điều chỉnh WR6 b. Mạch tạo điện áp chủ đạo: Hình 2.4.10: Sơ đồ mạch tạo điện áp chủ đạo c. Mạch phản hồi âm dòng có ngắt: Vì một lý do nào đó dòng điện trong mạch phần ứng động cơ tăng cao thì dòng ra ở cuộn thứ cấp của máy biến dòng BI tăng dẫn đến WR2 tăng cao đưa đến WR, điện áp điều khiển này lớn hơn Urc góc mở lớn thời điểm xuất hiệnn xung muộn điện áp ra của bộ chỉnh lưu giảm động cơ giảm tốc độ và dừng lại để bảo vệ động cơ. Hình 2.4.11: Sơ đồ mạch phản hồi âm dòng có ngắt d. Khâu tổng hợp và phản hồi âm tốc độ. * Sơ đồ: Hình 2. 4.12: Sơ đồ mạch tổng hợp và phản hồi âm tốc độ Trong đó: - Tín hiệu phản hồi âm tốc độ lấy từ máy phát tốc. - Khâu OA6 là khâu tổng hợp và khuếch đại. - Khâu OA7 là khâu tạo ra điện áp điều khiển thuận. - Khâu OA8 là khâu tạo ra điện áp điều khiển ngược. 7. Thiết kế khâu phản hồi: Hình 2.4.13: Sơ đồ khâu phản hồi Đối với hệ truyền động ngoài yêu cầu về phạm vi điều chỉnh tốc độ thì ổn định tốc độ khi làm việc cũng rất quan trọng. Trong hệ thống truyền động này ta thiết kế mạch phản hồi âm tốc độ để nâng cao đặc tính cơ. Tốc độ động cơ được truyền đến máy phát tốc. Máy phát tốc là một máy điện 1 chiều có điện áp ra tỷ lệ với tốc độ động cơ. Tín hiệu phản hồi lấy trên WR4 và đưa vào khâu tổng hợp tín hiệu (KĐTG ) xử lý. 8. Thiết kế mạch nguồn nuôi một chiều: Hình 2.4.14: Sơ đồ mạch nguồn nuôi một chiều Ta cần tạo ra nguồn điện áp cấp cho biến áp xung nuôi IC , các bộ chỉnh lưu dòng điện tốc độ và điện áp, điện áp đặt vào tốc độ Ta chọn mạch chỉnh lưu cầu 3 pha dùng điôt . Điện áp máy thứ cấp máy biến áp nuôi chọn U2=9V . Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2vi mạch ổn áp 7812 và 7912 có các thông số chung như sau: Điện áp đầu vào Uvào= Điện áp ra Ura=12V với IC 7812 Ura=-12V với IC 7912 Dòng điện đầu ra Ira= Tụ điện C4,C5 dùng để lọc thành phần song hài bậc cao . Chọn C4=C5=C6=C7=470, U=35V Tính chọn máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha Thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi Chọn kiểu máy biến áp 3 pha 3 trụ, trên mỗi trụ có 3 cuộn dây . 1 cuộn dây sơ cấp và 2 cuôn dây thứ cấp. Điện áp lays ra ở thứ cấp máy biến áp đồng pha lấy ra rguws cấp làm nguồn nuôi U2=U2đp=UN=9V Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha : I2đp=1mA Công suất nguồn nuôi cấp cho biến áp xung : Công suất tiêu thụ của 6 IC TL084 sử dụng khuếch đại thuật toán ta chọn 2IC TL084 để tạo 6 cổng AND Công suất máy biến áp cấp cho cực điều khiển tiristor Px=6.Uđk.Iđk=6.3.0,1=1,8W Công suất sử dụng cho tạo nguồn nuôi PN=Pđp+P8IC+Px=0,56 + 5,12 +1,8 =6,976W Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất công suất trong máy S = 1,05.(Pđp + PN ) = 1,05.(0,54 + 6,976) = 7,38VA - Dòng điện thứ cấp máy biến áp : Dòng điện sơ cấp máy biến áp tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo công thức kinh nghiệm : Trong đó KQ = 6 là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát , m =3 là số trụ của máy biến áp , f = 50 là tần số điện áp lưới Chuẩn hóa tiết diện trụ ta có : QT = 1,63 cm Kích thước mạch từ lá thép dày Số lượng lá thép là 68 lá , a = 12mm, b = 16mm, h = 30mm. Hệ số ép chặt là Ke = 0,85 Chọn mật độ từ cảm B = 1T ở trong trụ ta có số vòng dây sơ cấp W1 = Chọn mật độ dòng điện J1 = J2 = 2,75 A/mm Tiết diện dây quấn sơ cấp : Đường kính dây quấn sơ cấp : Chọn d1 = 0,1mm để đảm bảo độ bền cơ đường kính có cách điện d1cđ = 0,12mm Số vòng dây quấn thứ cấp Tiết diện dây thứ cấp : Đường kính dây quấn thứ cấp : Chuẩn hóa đường kính d2 = 0,26mm Đường kính có kể đến cách điện d2cđ = 0,31mm Chọn hệ số lấp đầy Klđ = 0,7 Với Klđ = Vậy chiều rộng của cửa sổ là C = = Chọn C = 12mm - Chiều dài mạch từ : L = 2C + 3a = 2.12 + 3.12 =60mm -Chiều cao mạch từ: H=h + 2a =30 + 2.12 = 54mm Tính chọn Điôt cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi : Điện áp ngược lớn nhất mà đi ôt phải chịu : UNmax = Đi ôt có dòng định mức : Chọn đi ôt có điện áp ngược lớn nhất : UN = KU.UNmax = 2.22 =44 V Chọn Đi ôt loại k208A có thông số sau: - Dòng điện định mức : Iđm = 1,5A Điện áp ngược cực đại của Đi ôt UN = 100V CHƯƠNG 5: XÉT TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG I. Xét tính ổn định và hiệu chỉnh hệ thống: 1. Mục đích và ý nghĩa. 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 tiến hành hiệu chỉnh hệ thống để hệ thống làm việc an toàn, tin cậy đạt được các yêu cầu mong muốn. Dựa vào đặc tính tĩnh của hệ thống ta thấy rằng các phản hồi âm dòng và âm tốc độ luôn có xu hướng làm ổn định hệ thống. Chỉ có phần đặc tính làm việc có đặc tính cơ cứng nhất là dễ mất ổn định hơn cả. Do đó ta chỉ xét ổn định ở vùng này, trong vùng này chỉ có phản hồi âm tốc độ tác dụng. Sơ đồ khối của hệ thống lúc này được biểu diễn trên hình vẽ sau: 2. Xét ổn định của hệ thống: a. Mô tả toán học các phần tử hệ truyền động T-Đ * Mô tả toán học chỉnh lưu điều khiển: Ta có sơ đồ thay thế mạch chỉnh lưu khi van dẫn dòng như sau : Hình 2.5.1: Sơ đồ thay thế mạch chỉnh lưu điều khiển. Hệ số chính lưu : Do tính chất dẫn xung và tính chất bán điều khiển của chỉnh lưu nên thời điểm thay đổi tín hiệu điều khiển không trùng với thời điểm thay đổi góc a. Độ dài thời gian trễ này có đặc tính ngâu nhiên. Do có khoảng thời gian trễ t nên: KCL . e-P.t.Uđk = Ud Hàm truyền của khâu chỉnh lưu: Khi tần số điện áp xoay chiều đủ lớn có thể dùng biến đổi gần đúng từ khai triển Mc.Lauin. Và khi này có thế thay thế hàm trễ bằng một khâu quán tính. Nên : - Sơ đồ cấu trúc của khâu chỉnh lưu như sau: Hình 2.5.2: Sơ đồ cấu trúc khâu chỉnh lưu. * Mô tả toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Ta có sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau: Hình 2.5.3: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều. Xét ở chế độ quá độ, động cơ điện một chiều ta sẽ có các phương trình mô tả sơ đồ thay thế như sau: Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng: Biến đổi Laplace ta được : Với : Phương trình chuyển động của hệ: Hay: Trong đó: Đặt Chuyển sang toán tử Laplace ta có: Mặt khác ta có : Từ các phương trình mô tả toán học trên ta có sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều như sau: Hình 2.5.4: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều * Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ hở hệ thống T-Đ: Căn cứ vào sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu và sơ đồ cấu trúc động cơ ta có sơ đồ cấu trúc động hệ thống khi chưa có khâu điều chỉ như sau: Hình 2.5.5: Sơ đồ cấu trúc hệ hở. Trong thực tế người ta thường bỏ qua khâu phản hồi sđđ trong tính toán các quá trình quá độ do quán tính càng lớn của w nên có sự biến thiên chậm so với đại lương điện. b. Xét tính ổn định hàm truyền hệ hở: Vì vậy ta có hàm truyền hệ hở (giả thiết IC(p) = 0) như sau: Trong đó: Đối với sơ đồ cầu 3 pha , thời gian trễ Giải phương trình đặc trưng: Ta có nghiệm: p1 = -71,43 p2 = -156,98 p3 = 0 Vậy hệ hở chưa ổn định, do đó em tiến hành thiết kế hai mạch phản hồi để bù sai lệch tĩnh, tăng cường độ chính xác và độ ổn định, cũng như tác động nhanh và tự động chống nhiễu phụ tải. 3. Thiết kế mạch điều chỉnh với hai vòng phản hồi tốc độ và dòng điện. a. Đặt vấn đề. Trong các hệ điều chỉnh tự động nói chung luôn tồn tại các phần tử có chứa các hằng số thời gian lớn như hằng số thời gian điện cơ, hằng số thời gian điện từ, hằng số thời gian dây quấn kích từ… Và một phần chứa các hằng số thời gian nhỏ như hằng số thời gian nhỏ như hằng số thời gian của xenxơ, hằng số thời gian của mạch điều khiển Thyristor ... Nếu ta có 1 đối tượng có hàm truyền: WTĐ(P) = K1 ….. Kn : Hệ số khuyếch đại của các khâu trong hệ thống. m : Số khâu quán tính của hệ thống. Ti : Hằng số thời gian quán tính của các khâu quán tính. Nếu mạch có nhiều khâu quán tính có hằng số thời gian lớn thì độ tác động nhanh của hệ thống sẽ kém, sự ổn định của hệ kém, đồng thời sai số tĩnh sẽ lớn. Nên việc tổng hợp các bộ điều chỉnh được thực hiện theo từng mạch vòng để sao cho bù được các khâu có hằng số thời gian lớn để qua đó giảm được cấp cho mạch hở nhằm giảm sai lệch điều chỉnh và cải thiện chất lượng điều chỉnh của hệ thống là một việc rất quan trọng. Hình 2.5.6: Mô tả đặc tính quá độ của dòng điện Do đó ta phân tích đối tượng ra làm hai khâu: Mẫu số đối tượng : Trong đó: n : là số khâu có hằng thời gian lớn cần khử. m : là số khâu có hằng số thời gian nhỏ không cần khử. Theo lý thuyết điều khiên tự động, muốn khử một khâu nào đó, ta chỉ cần đưa thêm vào hệ thống một khâu có hàm truyền bằng nghịch đảo của khâu cần khử. Trong hệ thống truyền động điều chỉnh thường sử dụng các phương pháp hàm chuẩn tối ưu. b. Các phương pháp dùng hàm chuẩn tối ưu. * Phương pháp dùng tiêu chuẩn môdul tối ưu. Hàm chuẩn theo tiêu chuẩn môdul tối ưu.(tr.20_ĐCTĐ_Bùi Quốc Khánh) (1) Xét đối tượng là hàm hưu sai có hàm truyền; (2) , với T1 < T2 Khi đó hàm truyền của khâu điều chỉnh R(p) được xác định theo biểu thức: (3) Chọn td= min{T1;T2}= T1 và thay S0(p) ở biểu thức (2) ta có: (4) Với hàm truyền R(p) thì sẽ bù được khoảng thời gian lớn T2. Nhân cả tử và mẫu của (4) với T2 ta có: Với: ; TR =T2. Đây chính là khâu PI, do đó dùng mạch sau để thực hiện hàm truyền R(p). Với: KR = R2/R1 là hệ số khuyếch đại. TR = R2.C2 là hằng số thời gian. Hình 2.5.7 Cấu trúc mạch tích phân tỷ lệ. Tuy nhiên bộ điều chỉnh PI có cấu trúc như trên vẫn có nhược điểm trong việc điều chỉnh độc lập hai tham số KR và TR. Để khắc phục nhược điểm trên ta dùng bộ PI có cấu trúc như sau: Hình 2.5.8. Cấu trúc mạch tích phân tỷ lệ với hai thông số độc lập Trong đó: U1w : Tín hiệu đặt U1 : Tín hiệu phản hồi. U2 : Tín hiệu điều khiển. Kết quả ta được: Như vậy ta có thể điều chỉnh hằng số thời gian TR, bằng cách thay đổi R2. Sau đó chỉnh định hệ số khuyếch đại bằng việc chỉnh định a ta có thể thay đổi KR rất rộng. Như vậy hàm truyền hệ hở là: Hàm truyền hệ kín. Do hằng số T1 nhỏ nên có thể coi * Phương pháp tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. Hàm chuẩn tối ưu đối xứng có dạng: (T.23_ĐCTĐTDĐ - Bùi Quốc Khánh) (5) Xét hệ thống S0(p) có dạng : (6) Trong đó: TS : là tổng của các hằng số thời gian nhỏ. T1 : là hằng số thời gian lớn. Dùng hàm chuẩn tối ưu đối xứng để tổng hợp hệ thống nhằm bù được hằng số thời gian lớn T1 để đáp ứng yêu cầu về điều khiển hệ thống. Hàm truyền của khâu điều khiển R(p) được xác định theo biểu thức : (7) Thay FĐX(p) từ biểu thức (5) ta được : Chọn td = min{T1;TS}=TS và thay S0(p) ở biểu thức (6) ta có: (8) Từ biểu thức (8) ta có R(p) là khâu tích phân tỷ lệ PI: Với : Vậy : Hàm truyền hệ hở: Hàm truyền hệ kín: c. Tổng hợp mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ. * Sơ đồ cấu trúc của hệ. Khi xét hàm truyền của hệ theo tín hiệu U thì ta bỏ qua khâu nhiễu loại phụ tải. Khi đó ta có sơ đồ cấu trúc như sau: Hình 2.5.9: Sơ đồ cấu trúc của hệ Trong đó: Ww : là bộ điều chỉnh tốc độ. WI là bộ điều chỉnh dòng điện. Wp là bộ chỉnh lưu. b là hệ số phản hồi âm dòng. g là hệ số phản hồi âm tốc độ. * Xác định một số thông số cơ bản: Hệ số khuyếch đại của động cơ: Hằng số thời gian điện từ của động cơ : Hệ số khuyếch đại của bộ chỉnh lưu được xác định : Ta có : Xét quan hệ Ud = f(a). Từ phương trình điện áp chỉnh lưu cầu 3 pha ta có: Xét quan hệ Udk = f(a). Vì góc a phụ thuộc vào điện áp điều khiển với các giá trị Uđk khác nhau thì thời điểm mở khác nhau nên ta có: Chọn Urc max = 12(V) là điện áp răng cưa cực đại phụ thuộc vào dung lượng của tụ C (trong mạch phát xung răng cưa). Cho a biến thiên từ (0¸900) ở các biểu thức trên ta có: a 0 p/6 p/3 p/2 Udk 0 2 4 6 Ud 241,02 208,729 120,51 0 Để đơn giản trong tính toán và trong giới hạn cho phép ta có thể tuyến tính hoá đường cong khi coi hệ khuyếch đại của bộ chỉnh lưu Kp = const. Phản hồi dòng được lấy từ Shuntn dòng loại loại 70A/750mV mắc nối tiếp với động cơ. Hệ số phản hồi dòng Hệ số phản hồi tốc độ: Do điện áp ra của máy phát tốc được đưa vào bộ khuyếch đại trung gian nên chỉ lấy một phần qua triết áp với Chọn loại máy phát tốc có: n= 1500(v/p) Uđm=220(V) * Tổng hợp mạch vòng dòng điện. Bỏ qua phản hồi sđđ E của động cơ ta có sơ đồ mạch vòng dòng điện như sau: Hình 2.5.10: Sơ đồ cấu trúc tổng hợp mạch vòng dòng điện Ta có: Trong sơ đồ mạch vòng dòng điện vì không có nhiễu tham gia nên ta hiệu chỉnh thành hệ thống điển hình loại 1. Theo phương pháp modul tối ưu: Với: Vậy : * Tổng hợp mạch vòng tốc độ. Ta có sơ đồ cấu trúc như sau: Hình 2.5.11: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ Hệ truyền động cơ: * Dùng phương pháp tối ưu modul và phương pháp tổng hằng số thời gian nhỏ: Ta có: Mà: Nên: Chọn bộ chỉnh lưu là bộ PI : Sau khi tổng hợp các mạch vòng dòng diện và tốc độ ta có sơ đồ nguyên ly như sau: Hình 2.5.12: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống CHƯƠNG 6: X ÂY DỰNG SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ THUYẾT MINH SƠ ĐỒ I. Giới thiệu sơ đồ: * Hệ thống trang bị điện điều khiển động cơ truyền động của cơ cấu nâng hạ đã thiết kế thỏa mãn các yêu cầu sau: - Khởi động động cơ cả hai chiều. - Dừng động cơ. - Tự động ổn định tốc độ và tự động hạn chế dòng phụ tải . - Điều chỉnh được tốc độ với phạm vi rộng * Hệ thống gồm 2 mạch chính: - Mạch động lực: Động cơ điện một chiều kích từ song song. Mạch chỉnh lưu cung cấp nguồn một chiều cho động cơ là mạch chỉnh lưu cầu có điều khiển bao gôm hai bộ điều khiển mắc song song ngược. Cuộn kháng cân bằng dung để lọc dòng phần ứng của động cơ. Máy biến áp dòng để láy tín hiệu tốc độ cho khâu phản hồi mạch sẽ tạo góc dịch pha so với điệ áp lưới. Để tác dụng khâu khuếch đại trung gian tạo ra điện áp để đưa tới - Mạch điều khiển gồm: Hai bộ phát xung và điều khiển , một bộ phát xung cho bộ thuận, một bộ phát xung cho bộ ngược. Mỗi bộ gồm 6 kênh phát xung, các kênh này đều sử dụng , BA xung khuếch đại thuật toán, để tổng hợp và khuếch đại xung. Tín hiệu điều khiển được tổng hợp từ điện áp chủ đạo dương, tín hiệu phản hồi âm tốc độ, tín hiệu phản hồi âm dòng có ngắt qua khâu khuếch đại trung gian được cấu tạo từ các khuếch đại trung gian. MBA đồng bộ để tạo ra tín hiệu đồng bộ cho các kênh phá xung. Bộ nguồn nuôi để tạo ra nguồn nuôi cho các , BA xung. II.Nguyên lý làm việc của hệ thống: Đóng áptômát cung cấp điện cho hệ thống truyền động điện (mạch động lực, nguồn nuôi mạch điều khiển). Điện áp cung cấp cho phần ứng động cơ lấy từ bộ biến đổi Thyristor qua 2 công tắc tơ đảo chiều nâng N (hoặc hạ H). Cuộn kháng CK lắp trong mạch phần ứng để lọc dòng phần ứng. Trong mạch có các mạch bảo vệ: bảo vệ quá tải bằng rơle cực đại, mạch bảo vệ Thyristor bằng các phần tử n1 n6; c1 c6. Điều khiển bộ biến đổi là bộ phát xung, so sánh, tạo xung trong mạch điều khiển có hai vòng, mạch vòng dòng điện BI, tín hiệu phản hồi tốc độ lấy từ máy phát tốc. 1.Nguyên lý điều chỉnh tốc độ: Khi động cơ đang làm việc thay đổi giá trị đầu vào của OA2 là Ucđ thay đổi để Uđk thay đổi. Khi Uđk thay đổi thì góc mở thay đổi nên thay đổi, điện áp phần ứng động cơ thay đổi nên tốc độ động cơ thay đổi. 2. Nguyên lý ổn định tốc độ: Sở dĩ tốc độ của động cơ được giữ ổn định ở một tốc độ nào đó là vì tín hiệu đầu vào OA2 được lấy bằng tín hiệu (). Vì một lý do nào đó tốc độ của động cơ giảm dần đến () tăng lên nên Uđk, góc mở giảm dần xuống, các van Thyristor mở sớm hơn, điện áp chỉnh lưu tăng lên, động cơ được tăng tốc. Còn khi( ) giảm thì Uđk giảm, góc mở tăng, Ud giảm kéo theo tốc độ động cơ giảm xuống. cơ tăng hoặc giảm quá tốc độ đặt thì nhờ khâu phản hồi âm tốc độ nên tốc Như vậy khi tốc độ động độ động cơ vẫn giữ được ở mức ổn định. Khi Ucđ < 0 tại thời điểm Ucđ chuyển qua âm do quán tính nên tốc độ của động cơ vẫn dương,nên điện áp đặt vào 0A2 là () có giá trị âm và có giá trị lớn nên OA3, OA4 làm việc ở chế độ bão hoà âm. Ud rất âm nên mất dòng qua bộ biến đổi thuận. Vì cả sức điện động động cơ và điện áp chỉnh lưu trung bình của bộ biến đổi thuận đều có tác động nên có dòng ngược qua van thuận nên bộ biến đổi thuận khoá lại, có dòng qua các van của bộ biến đổi ngược, dòng điện phần ứng của động cơ đảo chiều, tăng nhanh, động cơ tăng tốc đến tốc độ . Khi thì khâu phản hồi âm dòng tác động gây nên sụt áp lớn hơn động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh, tốc độ động cơ giảm xuống đạt giá trị nào đó thì . Sau đó tốc độ động cơ tiếp tục giảm thì . Bộ biến đổi nghịch chuyển qua khoá khi tốc độ bằng 0 thì động cơ sẽ khởi động lại theo chiều ngược để lặp lại chu trình mới. CHƯƠNG VII ỨNG DỤNG MATLAB ĐỂ KHẢO SÁT TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG 7.1 Giới thiệu phần mềm Matlab/Simulink MATLAB – phần mềm nổi tiếng của công ty MathWorks, là một ngôn ngữ hiệu năng cao cho tính toán kỹ thuật như được viết trong logo của phần mềm này. Nó tích hợp tính toán, hiện thị và lập trình trong một môi trường dễ sử dụng. Các ứng dụng tiêu biểu của MATLAB bao gồm: Khả năng tính toán mạnh. Phát triển thuật toán. Chứa Simulink là môi trường mạnh để mô phỏng các hệ thống động học tuyến tính và phi tuyến. Đồ họa khoa học và kỹ thuật Phát triển ứng dụng với các giao diện đồ họa. Có kiến trúc mở, ủng hộ việc xây dựng thêm các module tính toán kỹ thuật theo chuẩn công nghiệp. Tên của phần mềm MATLAB bắt nguồn từ thuật ngữ “Matrix Laboratory”. Đầu tiên nó được viết bằng FORTRAN để cung cấp truy nhập dễ dàng tới phần mềm ma trận được phát triển bởi các dự án LINPACK và EISPACK. Sau đó nó được viết bằng ngôn ngữ C trên cơ sở các thư viện nêu trên và phát triển thêm nhiều lĩnh vực của tính toán khoa học và các ứng dụng kỹ thuật. Ngoài MATLAB cơ bản với các khả năng rất phong phú sẽ được đề cập sau, phần mềm MATLAB còn được trang bị thêm các ToolBox – các gói chương trình (thư viện) cho các lĩnh vực ứng dụng rất đa dạng như xử lý tín hiệu, nhận dạng hệ thống, xử lý ảnh, mạng nơ ron, logic mờ, tối ưu hóa, phương trình đạo hàm riêng, sinh tin học,... Đây là các tập hợp mã nguồn viết bằng chính MATLAB dựa theo các thuật toán mới, hữu hiệu mà người dùng có thể chỉnh sửa hoặc bổ sung thêm các hàm mới. Simulink là phần mềm mô phỏng các hệ thống động học trong môi trường Matlab. Đặc điểm của Simulink là lập trình ở dạng sơ đồ cấu trúc của hệ thống. Nghĩa là, để mô phỏng một hệ thống đang được mô tả ở dạng phương trình vi phân, phương trình trạng thái, hàm truyền đạt hay sơ đồ cấu trúc thì chúng ta cần chuyển sang chương trình Simulink dưới dạng các khối cơ bản khác nhau theo cấu trúc cần khảo sát. Với cách lập trình như vậy người nghiên cứu hệ thống sẽ thấy trực quan và dễ hiểu. Trong môi trường Simulink có thể tận dụng được các khả năng tính toán, phân tích dữ liệu, đồ hoạ của Matlab và sử dụng các khả năng của toolbox khác như toolbox xử lý tín hiệu số, logic mờ và điều khiển mờ, nhận dạng, điều khiển thích nghi, điều khiển tối ưu …v v.Việc Simulink kết hợp được với các toolbox đã tạo ra công cụ rất mạnh để khảo sát động học các hệ tuyến tính và phi tuyến trong một môi trường thống nhất. 7.2 Thư viện khối chuẩn của Simulink: Môi trường lập trình Simulink được tạo nên từ các khối chuẩn trong các thư viên của Simulink. Các thư viện Simulink bao gồm các khối sau: Hình 7.1:Thư viện khối chuẩn của Simulink Sau đây chúng ta sẽ đi tìm hiệu cụ thể tác dụng và cách làm việc của các khối hay dùng trong các thư viện . 7.2.1 Thư viện các khối Sources (Khối phát tín hiệu): Thư viện này gồm các khối tạo nguồn tín hiệu khác nhau. Trong thư viện Sources có các khối như trong bảng dưới đây: Tên khối Chức năng Band-LimitedWhite Noise Đưa nhiễu trắng vào hệ Chirp- Signal Tạo sóng sin tần số bất kỳ Clock Cấp thời gian thực Constant Tạo đại lượng không đổi, tín hiệu đầu vào không đổi Digital Clock Cấp thời gian, với thời gian lấy mẫu Discrete Pulse Generator Khối phát tín hiệu dao động rời rạc From Workspace Đọc dữ liệu trong vùng nhớ đệm From file Đọc dữ liệu từ một file Pule Generator Tạo các xung với các chu kỳ khác nhau Ramp Phát tín hiệu đường y= ax +b Random Number Tạo các số ngẫu nhiên phân bố chuẩn Repeating Sequence Tạo tín hiệu tuỳ ý lặp lại theo chu kỳ Signal Generator Tạo các dạng tín hiệu khác nhau Sine Wave Tạo tín hiệu hình sin Step Tạo tín hiệu dạng hàm bậc thang đơn vị (hàm bước nhảy) Uniform Random Number Tạo các số ngẫu nhiên phân bố đều + Constant: Khối tạo nên hắng số. Hằng số đó có thể là véctơ hay matrận, hay tín hiệu đơn tùy ta khai báo ở constant. Muốn vậy nháy đúp vào khối ta sẽ mở ra cửa sổ Block Parameters và có thể nhập các tham số sau đó ấn OK. Ở ô interpret vecto parameters nếu chọn ta có thể khai báo tham số là véctơ hàng hay véctơ cột, nếu không chọn véctơ hàng hay cột mà ta khai báo chỉ có thể dùng như véctơ với chiều dài n. + Step và Ram: Dùng để tạo tín hiệu bậc thang hay tín hiệu dốc dốc tuyến tính. Chúng ta có thể khai báo giá trị đầu/ giá trị cuối và cả thời điểm bắt đầu của bước nhẩy. Trong hộp parameter ta nhập Step time: nhập thời gian bắt đầu của bước nhẩy. Initial value: Nhập giá trị ban đầu trước khi có bước nhẩy. Final value: giá trị cuối của bước nhẩy. Sample time: 0 khi mô phỏng cho hệ liên tục; 1 khi mô phỏng cho hệ gián đoạn. + Signal Generator và Pulse Generator: Signal Generator tạo các tín hiệu kích thích khác nhau ví dụ như sin, răng cưa còn Pulse Generator tạo xung chữ nhật với biên độ và tần số độ rộng xung có thể thay đổi. + SINE WAVE: Tạo tín hiệu hình sin cho cả hai loại liên tục( sample time = 0) và cho gián đoạn với ( sample time = 1). cơ sở quan hệ y=Amplitude.sin(Fequency.time+phase) + Repeating Sequency: tạo tín hiệu tuần hoàn tuỳ ý. 7.2.2 Thư viện các khối Sinks Ở đây gồm các khối dùng để hiển thị hoặc ghi lại kết quả mô phỏng ở đầu ra một khối trong hệ thống được khảo sát. Trong thư viện Sinks có các khối sau: Tên khối Chức năng Display Hiển thị tín hiệu dưới dạng chữ số Scope Khối quan sát Stop simulation Ngừng quá trình mô phỏng khi lượng vào khác không To File Ghi dữ liệu vào File To Workspace Ghi dữ liệu vào vùng làm việc XY graph Hiển thị đồ thị XY của tín hiệu trên cử sổ đồ thị MATLAB Thư viện Sink(bao gồm các khối truy suất chuẩn của Simulink) + Scope Nhờ scope ta có thể hiển thị các tín hiệu của quá trình mô phỏng. Khi có đồ thị hiện ra chúng ta có thể zoom để xem tín hiệu theo ý muốn, ngoài ra khi vào hộp thoại scope chúng ta thấy Number of axes: tại đây ta nhập số trục toạ độ tương ứng với sô tín hiệu đầu vào. Time range: nếu điền một thời gian cụ thể đồ thị sẽ biểu diễn cho tới thời điểm giá trị của số xác định, nếu không đặt là auto Tick lables: nhãn cho trục sẽ hiện các giá trị tại các trục hay không. XYGaph: biểu diễn hai tín hiệu vào scalar trên toạ độ XY dưới dạng đồ thị của matlab ta có thể đặt giới hạn cho trục. Đầu vào thứ nhất tương ứng với trục x đầu vào thứ hai tương ứng với trục y. 7.2.3 Thư viện các khối Continuous. Trong thư viện này có các khối của hệ thống liên tục tuyến tính, các khối biểu diễn các hàm tuyến tính chuẩn. Thư viện Linear gồm các khối sau: Tên khối Chức năng Derivative Tính vi phân theo thời gian của lượng vào ( d/dt) Integrator Tích phân tín hiệu Memory Bộ nhớ ghi lại dữ liệu State- Space Biểu diễn hệ thống trong không gian trạng thái tuyến tính Transfer Fcn Hàm truyền đạt tuyến tính của các khâu hoặc hệ thống Transport Delay Giữ chậm lượng vào theo giá trị thời gian cho trước. Variable Transport Delay Giữ chậm lượng vào với khoảng thời gian biến đổi Zero- pole Hàm truyền theo Pole(điểm cực) và Zero(điểm không) + Derivative: Phép tính đạo hàm tín hiệu đầu vào được thực hiện nhờ khối derivative. Tín hiệu ở đầu ra có dạng Du/Dt. Trong đó D là biến thiên của đại lượng cần tính kể từ bước tính liền trước đó. + Integrator: Khối Integrator lấy tích phân tín hiệu đầu vào của khối. Giá trị ban đầu khai báo tại hộp thoại cảu khối tại ônInitial condition. NếuInitial condition được chọn là exterrnal thì trên biểu tượng của khối xuất hiện một đầu vào thứ hai giành cho giá trị ban đầu lấy nguồn ngoài của khối. Đầu ra của khối Integrator tại ô external reset có thể chọn một trong các giá trị rising, falling, erithr hay leve, khối này sẽ tự động giành thêm một đầu giành cho giá trị reset. + State- Space: Là mô hình trạng thái của hệ tuyến tính.. (xem control systerm toolbox). + Transfer Fcn: Là mô hình hoá hàm truyền đại tương đương với lệnh tf(num,den) của control systerm toolbox. 7.2.4 Thư viện các khối Dicrete (tín hiệu rời rạc hay tín hiệu số Z) Thư viện này có các khối cơ bản của hệ thống rời rạc, các khối tính toán trong miền thời gian rời rạc. Cụ thể bao gồm các khối như trong bảng sau: Tên khối Chức năng DiscreteTransferEcn Biểu diễn hàm truyền trong hệ rời rạc Discrete Zero- pole Biểu diễn hàm truyền trong hệ rời rạc thông qua Pole và Zero Discrete -Filter Biểu diễn các bộ lọc HR và FIR DiscreteState- Space Biểu diễn hệ thống trong không gian trạng thái rời rạc Discrete-Time Integrator Biểu diễn tích phân tín hiệu rời rạc theo thời gian Fist Order Hold Khâu tạo dạng bậc nhất Unit Display Hiển thị tín hiệu trong một chu kỳ rời rạc Zero order Hold Khâu tạo dạng bậc thang không 7.2.5 Thư viện các khối Nonlinear (các khâu phi tuyến). Thư viện Nonlinear có các khối biểu diễn các hàm phi tuyến điển hình các khối trong hệ thống phi tuyến. Cụ thể bao gồm các khối sau: Dead Zone Mô tả vùng không nhạy (vùng chết). Quantizer Lượng tử hoá tìn hiệu vào trong các khoảng xác định. Rate Limiter Hạn chế phạm vi thay đổi của tín hiệu Relay Khâu rơle. Saturation Khâu bão hoà tín hiệu (khâu hạn chế). Switch Chuyển mạch giữa hai lượng vào. 7.2.6 Thư viên khối Signal & System: Thư viện Signal & System có các khối biểu diễn tín hiệu và hệ thống. Cụ thể bao gồm các khối chính như sau: Tên khối Chức năng Sub&Systems Xây dựng hệ thống con bên trong hệ thống lớn In1 Tạo cổng vào cho một hệ thống Demux (phân kênh) Tách tín hiệu véctơ thành các tín hiệu vô hướng Mux (Dồn kênh) Gộp các tín hiệu thành một véctơ Out1 Tạo cổng ra cho một hệ thống 7.2.7 Thư viện chứa các khối toán học Math: Thư viện Math có các khối biểu diễn hàm toán học. Cụ thể bao gồm các khối chính như sau: Tên khối Chức năng Abs Biểu diễn giá trị tuyệt đối của lượng vào Combuanatoril logic Biểu diễn bảng chân lý. Dot product Nhân giữ hai véctở Product Thực hiện nhân các lượng vào Gain Bộ (khâu) khuyếch đại Matrix gain BKĐ có hệ số khuyếch đại là một Ma trận Math function Các hàm toán học MinMax Tìn giá trị min, max Relational Toán tử quan hệ Sum Tính tổng của các lượng vào Trigonometric Function Hàm lượng giác Các khối trong thư viện này có chức năng ghép toán học các tín hiệu khác nhau. Sau đây sẽ mô tả một số khối hay dùng. + Sum: Đầu ra của khối sum là tổng các tín hiệu vào. Với khối sum ta có thể cộng hoặc trừ nhiều tín hiệu bằng cách khai báo vào Lits of signs: + Khối Product và Dot Product: Khối dot product cho ta tích vô hướng của các véc tơ đầu vào. Khối product thực hiện phép nhân từng phần tử hay từng ma trận , cũng như phép chia tín hiệu đầu vào Tại Number of inputs: ta nhập số đầu vào. Tại Multiplication: Chọn element-wise khi cần nhân hoặc chia của từng phần tử hoặc tín hiệu, chọn Matrix nếu muốn nhân hoặc chia tín hiệu dạng matrận. + Khối Gain, Matrix Gain, Slider Gain: Khối gain có tác dụng khuyếch đại tín hiệu đầu vào Bằng biểu thức khai báo ở ô Gain khi ta nháy đúp vào khối này. Khối Slider Gain Cho phép người sử dụng thay đổi giá trị khuyếch đại trong quá trình mô phỏng. Khi nhấy kép chuột trái vào khối, cửa sổ khối ta nhập vào giá trị bế nhất, và lớn nhất, ta có thể thay đổi giá trị khuyếch đại trong khoảng này bằng thanh trượt. Matrix Gian cũng giống như gian nhưng khác ở chỗ chúng ta phẩi khai báo tham số thích hợp để thực hiện phép nhân giữa ma trận Gain với đầu vào. 7.2.8 Thư viện chứa các khối Function & Tables: Tên khối Chức năng Fcn Ứng dụng biểu thức toán nhất định cho lượng vào. Matlab Fcn Ứng dụng hàm Matlab cho lượng vào. look- Up Table 2-D Biểu diễn tuyến tính từng đoạn của hai lượng vào S -Function Đưa một S-Function vào trong một khối 7.2.9 Thư viện các khối mở rộng của Simulink: Additional Discrete: Khối mở rộng khối tín hiệu rời rạc. Additional linear: Khối mở rộng khối tín hiệu tuyến tính Additional Sinks: Khối mở rộng khối quan sát. Filp Flops: Khối mở rộng chứa khối Trigơ. Linearization: Khối mở rộng tuyến tính hoá. Transformations: Khối mở rộng các khối biến đổi toán học. 7.3 Ứng dụng Matlab khảo sát tính ổn định của hệ thống 7.3.1 Sơ đồ hệ thống: 7.3.2. Sơ đồ của mạch vòng dòng điện: 7.3.3. Sơ đồ của mạch vòng ổn định tốc độ: 7.3.4 Mô phỏng các đặc tính làm việc của hệ thốngtruyền động: Mô phỏng đặc tính điều chỉnh khi thay đổi tốc độ : Giá trị mô phỏng Mô phỏng tốc độ Mô phỏng dòng điện K Khi tốc độ Khi tốc độ e. các đặc tính ổn định tốc độ : Khi tải là định mức tốc độ quay =80rad/s Khi tải thay đổi Mđm=0,5Mc và tốc độ quay = tốc độ quay định mức f. Các đặc tính dòng điện: Dòng điện của tải được giới hạn bởi bộ điều chỉnh dòng điện khi dòng khởi động và lam việc Kết luận: Sau khi thiết kế hệ truyền động, xét tính ổn định của hệ thông và được mô phỏng ta thấy được rằng; + Hệ thống có khả năng ổn định được tốc độ trong quá trình làm việc + Hạn chế được dòng điện khi khởi động cung như khi làm việc + Được bảo vệ trong quá trình hoạt động Kết luận: Sau hơn hai tháng nghiên cứu tài liệu và được sự giúp đỡ, chỉ bảo của thầy giáo Trần Duy Trinh em đã hoàn thiện bản đồ án của mình. Trong quá trình làm đồ án với kiến thức đã học tại trường đặc biệt là các môn chuyên nghành và hơn nữa là em đã nghiên cứu tìm hiểu tài liệu trong thư viện nhà trường, trên mạng internet cũng như tài liệu, giáo trình của thầy Trần Duy Trinh tìm giúp. Và với sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy, cô trong bộ môn em đã thu được một số thành quả nhất định: + Biết được cách trình bày kết cấu cơ bản của một bản đồ án. + Biết tìm tòi, chắt lọc những tài liệu phù hợp cho nội dung của đồ án. + Qua đồ án của mình em đã hiểu được quy trình công nghệ của thiết kế cho bộ biến đổi điện tử công suất cho các cơ cấu truyền động và đặc biệt là cơ cấu truyền động nâng hạ Mặc dù do thời gian làm đồ án còn ngắn và trình độ kiến thức của bản thân còn hạn chế nên bản đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô cùng các bạn để đồ án của em hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Nguyễn Đức Phương TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2006. [2] TS. Trần Thọ, PGS.TS. Võ Quang Lạp, Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội. [3] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội. [4] Nguyễn Mạnh Tiến, Vũ Quang Hồi, Trang bị điện – điện tử máy gia công kim loại, Nhà xuất bản giáo dục. [5] Vũ Quang Hồi, Nguyễn Văn Chất, Nguyễn Thị Liên Anh, Trang bị điện – điện tử máy công nghiệp dùng chung, Nhà xuất bản giáo dục. [6] Bộ môn TĐ-TL, Khoa Điện, Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ, [7] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2004. [8] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2006. [9] Hướng Dẫn thiết kế điện tử công suất, Tác giả: Phạm Quốc Hải [10] Máy nâng – tác giả Phạm Quốc Hải [11] Trang bị điên- Điện tử tự động hoá cầu trục & cần trục – Tác giả Bùi Quốc Khánh và Hoàng Xuân Bình [12] Thiết kế máy điện – Tác giả Trần Khánh Hà .