Đồ án Thiết kế hệ thống truyền động van - Động cơ một chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay - Cầu 1 pha có Do - động cơ pi72

át sao của thầy giáo hướng dẫn hết sức nỗ lực cố gắng.Xong vì kiến thức còn hạn chế,điều kiện tiếp xúc thực tế chưa nhiều.Nên bản thiết kế không tránh khỏi những thiếu sót nhất định.Em mong tiếp tục được sự chỉ bảo của các quý thầy cô, sự góp ý chân thành của các bạn. Em xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên NGUYỄN VĂN TƯỞNG PHẦN I PHÂN TÍCH LỰACHỌN PHƯƠNG ÁN TĐĐ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG *)Đặt vấn đề - Khi thiết kế một hệ thống truyền động điện thì người thiết kế phải đưa ra nhiều phương án để giải quyết . Nhiệm vụ của người thiết kế là phải tìm ra được phương án tối ưu nhất phù hợp với yêu cầu đặt ra .Trước hết là yêu cầu về kỷ thuật sau đó là yêu cầu về kinh tế. - Việc lựa chọn phương án truyền động có ý nghĩa hết sức quan trọng trong thiết kế nó ảnh hưởng trực tiếp đến dây chuyền sản xuất chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế . - Ở phần này ta lựa chọn các phương án truyền động điện sau: Động cơ điện 1 chiều Lựa chọn BBĐ chỉnh lưu Bộ khuếch đại trung gian Các tín hiệu phản hồi Xây dựng sơ đồ cấu trúc của hệ thống …….. I) PHÂN TÍCH CHỌN ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU Để thiết kế hệ truyền động phù hợp với yêu cầu người ta đưa ra nhiều phương án khác nhau, rồi sau đó sánh các phương án trên phương diện kinh tế và kỹ thuật để chọn ra phương án tối ưu nhất. Đây là động cơ sử dụng năng lượng điện 1 chiều.Gồm động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập,kích từ nối tiếp,kích từ hỗn hợp. Với động cơ 1 chiều kích từ hỗn hợp là lọai đông cơ có kết cấu phức tạp,giá thành cao nên ta loại bỏ vì không phù hợp chỉ tiêu kinh tế. M w N. Tạo TN Đặc tính cơ Động cơ 1 chiều kích từ nối ti _ + CKT Sơ đồ nguyên lý 0 Ta thấy loại này có cuộn kích từ nối tiếp với phần ứng động cơ nên dòng kích từ chính là dòng phần ứng động cơ . Do vậy khi Iư biến đổi thì từ thông F cũng biến đổi sẽ gây ra hiện tượng từ dư (tổn thất phụ) lớn. Fdư = (2 ¸ 10).Fđm Mà động cơ một chiều kích từ nối tiếp có đặc tính cơ ở dạng phi tuyến (hypecbol ), nên đặc tính cơ mềm và độ cứng lại thay đổi theo phụ tải. Mặt khác, từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng phần ứng nên khả năng chịu tải của động cơ bị ảnh hưởng rất lớn của điện áp lưới. Điều này gây khó khăn trong quá trình điều chỉnh và ổn định tốc độ, quá trình này chỉ có hiệu quả ở tốc độ rất thấp và hiệu quả không cao, ở tốc độ cao đạt được điều này là rất khó khăn. Do vậy, động cơ này không phù hợp với yêu cầu. 1.2 Động cơ 1 chiều kích từ độc lập Do mạch kích từ nằm độc lập với mạch phần ứng nên từ thông kích từ F = const khi tải thay đổi. Phương trình đặc tính cơ: Vì F = const nên quan hệ w(M) là quan hệ đường thẳng. Độ cứng đặc tính cơ: . Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Nhận xét: Loại động cơ này cho phép quá tải lớn, dải điều chỉnh rộng và dễ điều chỉnh. Từ phương trình đặc tính cơ cho thấy loại động cơ này có thể điều chỉnh tốc độ tới 3 cách là điêù chỉnh Uư, Rf, và ik. 1.3. Nhận xét chung: Từ những phân tích trên cho thấy rằng để đáp ứng các chỉ tiêu: S, j, D, Mc, Dn% mà yêu cầu của hệ thống đã đặt ra, ta chọn loại động cơ một chiều kích từ độc lập làm động cơ truyền động cho hệ thống. II CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ Trong thực tế đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập thường có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ như sau . Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng Điều chỉnh từ thông kích từ 2.1 Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng Sơ đồ nguyên lý Giả thiết : U = Uđm = const ; FF = Fđm = const ; R = Var Phương trình đặc tính cơ Dạng đặc tính cơ Khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng ta có dạng đặc tính cơ như hình (H3) Nhận xét Từ phương trình đặc tính cơ và dạng đặc tính cơ ta thấy khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng (tăng Rf) làm cho Đặc tính cơ mềm đi Độ sụt tốc độ Dw = tăng lên Độ cứng đặc tính cơ b = giảm Mức độ phù hợp tải P = U.I = const M = K.Iư = const 2.2 Thay đổi điện áp cấp cho mạch phần ứng Sơ đồ nguyên lý tổng quát Trong đó : BBĐ : là bộ biến đổi dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của thành điện áp một chiều và điều chỉnh sức điện động Eb của nó theo yêu cầu Rb : là điện trở mạch phần ứng Rư : là điện trở trong của bộ biến đổi phụ thuộc vào loại thiết bị Giả thiết : U = Var R = const Phương trình đặc tính cơ Với =Rư+Rb Dạng đặc tính cơ Khi thay đổi điện áp mạch phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với nhau như hình vẽ (H6). Nhận xét Khi thay đổi điện áp mạch phần ứng ta sẽ có các tốc độ không tải lý tưỡng khác nhau Độ cứng b = const Mức độ phù hợp tải P = U.I = var [Mc] = Kđm.Iđm= Mđm = const Dải điều chỉnh rộng ,điều chỉnh trơn và vô cấp Sai số tốc độ nhỏ ,dể tự động hoá Khả năng quá tải lớn và tổn thất năng lượng nhỏ Phương pháp điều chỉnh điện áp mạch phần ứng là phương pháp triệt để kể cả khi không tải lý tưỡng và điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào . 2.3 Thay đổi từ thông kích từ Sơ đồ nguyên lý (H.7) Khi thay đổi từ thông kích từ động cơ một chiều kích từ độc lập chính là điều chỉnh mô men điện từ của động cơ M =K.Iư và điều chỉnh sức điện động quay E =K.w của động cơ .Do kết cấu của máy điện nên ta thường giảm từ thông . Giả thiết : U = Uđm = const R = const = Var Phương trình đặc tính cơ Tốc độ không tải lý tưỡng : Độ cứng đặc tính cơ : b = Ở đặc tính cơ điện : Inm = = const Dạng đặc tính cơ Đặc tính cơ H 8 Đặc tính cơ điện H 9 d). Nhận xét: Ta thấy rằng mạch kích từ của động cơ một chiều kích từ độc lập là mạch phi tuyến cho nên hệ điều chỉnh từ thông củng là phi tuyến .Khi giảm từ thông ở một mức độ nào đó thì tốc độ động cơ tăng lênvà đồng thờiphải đảm bảo điều kiện chuyển mạch cổ góp. Nhưng nếu giảm từ thông f quá nhiều vì khi giảm f do quán tính tốc độ w sẽ thay đổi chậm hơn so với từ thông f nên E = Kf.w giảm ® Iư tăng lên ® M = Kf.Iư tăng lên. Mặt khác khi f giảm quá nhiều thì Iư tăng quá lớn gây nên sụt áp trong mạch phần ứng tăng lên ® công suất động cơ giảm ® tốc độ giảm Như vậy khi điều chỉnh giảm từ thông f thì độ cứng đặc tính cơ giảm b = ¯¯ Sai lệch tĩnh tăng lên Hệ thống có giải điều chỉnh hẹp Phương pháp thay đổi từ thông phù hợp với tải Pc = U.I = const Mc = var * Tuy nhiên phương pháp này lại có chỉ tiêu kinh tế cao ,tổn thất năng lượng nhỏ . 2.4 Nhận xét chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ Qua những phân tích cụ thể 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ trên ta thấy mỗi phương pháp điều chỉnh đều có những ưu nhược điểm riêng phù hợp với từng yêu cầu công nghệ .Căn cứ công nghệ của đề tài ta thấy phương pháp thay đổi tốc độ bằng cách điều chỉnh điện áp mạch phần ứng động cơ có nhiều ưu điểm như Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng Điều chỉnh trơn và điều chỉnh vô cấp Sai lệch tĩnh nhỏ , b=const trong toàn dải điều chỉnh Dể thực hiện tự động hoá Mức độ phù hợp tải Mc = const Pc = var Do đó ta chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp mạch phần ứng động cơ . III. PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG PHÁP HÃM DỪNG ĐỘNG CƠ Hãm là tạng thái động cơ sinh ra mô men quay ngược chiều với tốc độ quay của rô to .Trong tất cả các trạng thái hãm động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát .Như ở phần trước ta đã chọn cơ một chiều kích từ độc lập đối với lọai động cơ này có 3 trạng thái hãm là : - Hãm tái sinh - Hãm ngược - Hãm động năng Sau đây ta lần lượt phân tích từng trạng thái hãm. 3.1.Hãm tái sinh Hãm tái sinh là trạng thái máy phát mà động cơ biến cơ năng đã tích luỹ được thành điện năng trã về lưới điện . Hãm tái sinh xẩy ra khi tốc độ của rôto lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng (w > wo).Khi hãm tái sinh Eư > Uư động cơ làm việc như một máy phát nối song song với lưới.So với chế độ động cơ ở chế độ hãm tái sinh dòng điện và mô men đổi chiều được xác định theo biểu thức sau. Mh=kfIh < 0 Phương trình đặc tính cơ ở đoạn hãm tái sinh là: Ở trạng thái hãm tái sinh Ih < 0 đổi chiều và công suất được trả về lưới là P = (U-E).I ,đây là phương pháp hãm hữu ích về kinh tế vì động cơ sinh ra điện năng hửu ích Tuy nhiên hệ thống truyền động van động cơ (T-Đ) chỉ dẩn dòng theo một chiều nhất định nên khi động cơ sinh ra năng lượng trả về lưới thì các van không cho phép dẩn ngược .Nên phương pháp hãm này không phù hợp với yêu cầu công nghệ . 3.2. Hãm ngược Hãm ngược là trạng thái máy phát của động cơ khi rôto quay ngược chiều với chiều quay tương ứng của từ trường do điện áp nguồn gây ra. Mặt khác phụ tải mang tính chất phản kháng nên ta chỉ xét trường hợp đảo chiều điện áp phần ứng khi động cơ đang quay. Giả sử động cơ đang làm việc xác lập tại điểm a trên đặc tính tự nhiên với phụ tải Mc1 .Ta đổi chiều điện áp phần ứng và đưa thêm điên trở phụ Rf vào mạch phần ứng động cơ sẽ chuyển sang làm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở chiều quay ngược.Tại b do quán tính nên rôto vẩn quay theo chiều củ còn mô men đã đổi chiều chống lại chiều quay nên tốc độ giảm nhanh theo đoạn bc .Tại c tốc độ bằng không nếu cắt phần ứng khỏi lưới động cơ sẽ dừng lại.Còn nếu vẩn tiếp tục đóng phần ứng vào lưới và nếu tại c mô men của động cơ lớn hơn mô men cản Mc2 thì động cơ sẽ quay ngược cuối cùng làm việc tại điểm d .Trên đoạn hãm ngược bc vì điện áp đổi cực tính nên dấu ‘ – ‘ biểu thị dòng điện ngược chiều với trạng thái củ Mh = kf.Ih < 0 Ta thấy hãm ngược thường đưa thêm điện trở phụ Rf vào để hạn chế dòng điện hãm .Do đó trạng thái hãm này thường gây tổn thất lớn làm giảm đáng kể tuổi thọ động cơ và không khắc phục được sự cố như mất điện . 3.3. Hãm động năng Ta xét trường hợp hãm động năng kích từ độc lập Sơ đồ nguyên lý (H.21) Nguyên lý làm việc. Hãm động năng kích từ độc lập xẩy ra khi động cơ đang quay ta cắt phần ứngđộng cơ ra khỏi lưới điện một chiều rồi đóng kín qua một điện trở hãm Rh còn mạch kích từ vẩn giử nguyên f =const . Tại thời điểm cắt phần ứng khỏi lưới điện do động năng tích luỷ được ở quá trình làm việc trước đó nên rôto vẩn quay theo chiều củ với tốc độ ban đầu Ebđ = k.f.wbđ Vì phần ứng được khép mạch qua điện trở hãm Rh nên sức điện động ban đầu sinh ra dòng điện hãm ban đầu được xác định . Mhbđ =k.f.wbđ < 0 .Mô men ngược chiều với tốc độ .Mặt khác điện áp lúc đầu đặt vào phần ứng động cơ lúc hãm bằng không nên ta có phương trình đặc tính cơ khi hãm là . Với Ih ,Mh< 0 .Đây là phương trình đường thẳng đi qua gốc toạ độ dạng của chúng được biểu diển như trên hình (H.22). Ta có : Độ cứng phụ thuộc vào Rh khi Rh càng nhỏ thì đặc tính cơ càng cứng ,mô men hãm càng lớn hãm càng nhanh.Tuy nhiên phải chọn Rh sao cho Ihbđ £ (2¸2.5)Iđm. Khi hãm động năng kích từ độc lập tiêu thụ ít năng lượng từ lưới .Năng lượng chủ yếu được tạo ra do động năng của động cơ tích được trong quá trình làm việc .Trong quá trình hãm động cơ chỉ tiêu thụ công suất kích từ rất nhỏ Pkt=(1¸5)%Pđm . 3.4. Đánh giá chọn phương pháp hãm dừng động cơ Từ những phân tích cụ thể của từng phương pháp hãm ta thấy Phương pháp hãm ngược hãm nhanh có hiệu quả tuy nhiên tổn thất năng lượng lớn làm phát nóng động cơ ảnh hương đến tuổi thọ thiết bị .Còn phương pháp hãm động năng có hiệu quả kém hơn phương pháp hãm ngược khi có cùng tốc độ ban đầu và mô men cản Mc .Tuy nhiên hãm động năng lại ưu việt hơn về mặt năng lượng tiêu thụ rất ít năng lượng từ lưới và mạch điều khiển củng đơn giản hơn .Do đó ta chọn phương pháp hãm động năng để hãm dừng động cơ. IV. PHÂN TÍCH CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU Từ những phân tích ta đã chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp mạch phần ứng .Phương pháp này là phải dùng bộ biến đổi (BBĐ) .BBĐ là một khâu quan trọng của hệ thống truyền động điện là một trong những yếu tố quyết định đến chất lượng của hệ thống . Theo yêu cầu của đề tài ở đây ta lựa chọn BBĐ chỉnh lưu là hệ thống van đông cơ (T-Đ) 4.1 Hệ thống van động cơ (T-Đ) Sơ đồ khối a)Nguyên lý làm việc Bộ biến đổi biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều .Khi thay đổi giá trị điện áp Uđk ta thay đổi được góc điều khiển a nhờ đó thay đổi được sức điện động của bộ biến đổi Eb = Ebm.cosa ® thay đổi được điện áp đặt vào mạch phần ứng động cơ Ud = f(a) ® thay đổi được tốc độ động cơ. b)Phương trình đặc tính cơ Khi bỏ qua sụt áp thuận trên 1 van ®DUV = 0 Trong đó : : Sức điện động của bộ biến đổi Rb, Rư , Rck : Điện trở của bộ biến đổi ,phần ứng động cơ ,cuộn kháng c)Dạng đặc tính cơ Khi thay đổi giá trị góc điều khiển a=0¸1800 thì Eb =-Ebm¸ Ebm khi đó ta nhận được một họ đường thẳng song song với nhau bố trí trên nửa mặt phẳng bên phải của hệ trục (M ,w) như hình vẽ bên (H .12). d)Nhận xét ưu nhược điểm của BBĐ van-động cơ Ưu điểm : Điều chỉnh trơn và điều chỉnh vô cấp Dể dàng điều chỉnh ,tác động nhanh Phạm vi điều chỉnh rộng BBĐ gọn nhẹ ,chắc chắn không cần nền móng Dể tự động hoá và van có hệ số công suất cao Nhược điểm : Kém linh hoạt chuyển đổi Điều khiển kém độ nhạy khi tín hiệu điều khiển lớn Đảo chiều gặp khó khăn Đặc tính mềm hơn hệ F-Đ V. MẠCH PHẢN HỒI Trong thực tế nhiều máy sản xuất ngoài yêu cầu điều chỉnh tốc độ vô cấp,còn có yêu cầu cao với sai lệch tĩnh.Điều này đối với hệ thống hở không thể thực hiện được,nó chỉ thực hiện điều chỉnh trong 1 phạm vi nhất định.Vậy để giải quyết vấn đề này ta sử dụng hệ thống điều khiển mạch vòng kín có phản hồi Với những yêu cầu mà đề tài đã đưa ra,ở đây ta sử dụng mạch phản hồi âm tốc độ và phản hồi âm dòng điện 5.1 Phản hồi âm tốc độ - Trong sơ đồ dùng phản hồi âm tốc độ bằng máy phát tốc, ưu điểm điểm của nó là lượng vào và lượng ra có quan hệ tuyến tính, không gây nhiễu loạn, làm việc êm, kích thước và trọng lượng nhỏ. Dùng phản hồi này có tác dụng làm tăng hệ thống khuếch đại của hệ thồng,làm tăng độ cứng của đặc tính cơ, tức là làm tăng độ ổn định của tốc độ động cơ. Sơ đồ nguyên lý khâu phản hồi âm tốc độ dùng máy phát tốc như hình vẽ R1 -¡n Ft 5.2 Phản hồi âm dòng điện Trong quá trình quá độ phải luôn giữ được dòng điện (hoặc momen điện từ) ở giá trị tối đa cho phép,làm cho hệ thống truyền động điện đạt được gia tốc tối đa cho phép khi khởi động,sau khi tốc độ đạt đạt tới trạng thái ổn định,lại làm cho dòng điện lập tức giảm xuống để momen cân bằng với phụ tải.Muốn đạt được như vậy ở đây ta dung phản hồi âm dòng điện là có thể nhận được quá trình dòng điện gần như không đổi. VI. MÁY PHÁT TỐC -Nguyên lý làm việc Máy phát tốc làm nhiệm vụ đo tốc độ của động cơ để lấy tín hiệu áp đầu ra để khống chế tín hiệu vào giữ cho động cơ luôn quay với tốc độ ổn định.nguyên lý làm việc đơn giản như máy phát điện một chiều .Trục của động cơ nối cứng với máy trục của máy fát tốc khi động cơ quay kéo trục của máy fát tốc fát ra ở đầu ra sức điện động .phải chọn máy fát tốc sao cho khi động cơ quay với tốc độ ổn định thì Sđđ ở đầu ra =0. VII. BỘ KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU TRUNG GIAN Để đáp ứng yêu cầu về độ cứng tính cơ, phạm vi điều chỉnh tốc độ, độ nhạy, độ tác động nhanh của hệ thống và tăng hiệu quả hệ thống,ta dùng khâu khuếch đại trung gian Bộ khuếch đại có ưu điểm là: - Nâng cao khả năng khuếch đại của hệ thống để đạt được hệ số khuếch đại yêu cầu. - Có khả năng khống chế các rơ le, các công tắc tơ và khống chế các mạch đầu vào của bộ khuếch đại . Kết quả là để năng cao được độ bền của các thiết bị khống chế rơ le, công tắc tơ. VIII. XÂY DỰNG HỆ THỐNG 1. Sơ đồ hệ thống điều tốc 2 mạch vòng tốc độ quay và dòng điện 2. Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định của hệ thống điều chỉnh tốc độ 2 mạch vòng âm tốc độ và âm dòng điện PHẦN II THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ Giới thiệu chung Sơ đồ ngyên lý hệ thống truyền động điện bao gồm 2 phần Mạch động lực Mạch điều khiển Mạch động lực : là khâu trực tiếp thực hiện các quá trình biến đổi năng lượng theo yêu cầu công nghệ. Mạch điều khiển : là khâu có chức năng điều khiển khống chế mạch động lực thực hiện các quá trình biến đổi đó . I : THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH ĐÔNG LỰC 1. PHÂN TÍCH SƠ ĐỒ BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU Theo yêu cầu đề tài ta sử dụng bộ biến đổi chỉnh lưu hình cầu một pha(4Tiristor+1diot) Sơ đồ nguyên lý iT3 Ud D0 iT2 iT4 iT1 i1 i2 BA Uxc T4 T1 T3 T2 U2(~) CKĐ cầu một pha 4tiristor+1diot D0 + BA : Là biến áp cung cấp điện áp xoay phù hợp cho bộ biến đổi (Có thể không dùng nếu điện áp lưới phù hợp với bộ biến đổi ) + Van T1 ¸ T4 dùng để chỉnh lưu biến điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều cung cấp cho động cơ Đ. + Đ là động cơ chấp hành của hệ thống. + U1 , U2 là điện áp lưới và điện áp qua biến áp. + i1, i2 là dòng lưới và dòng vào bộ biến đổi. + iT1 ¸ iT4 là dòng qua các val T1 ¸ T4. * Nguyên lý hoạt động : Do phụ tải là động cơ nên ta có thể giả thiết phụ tải có Ld = ¥ và trước thời điểm xét là sơ đồ đã làm việc ở chế độ xác lập. Giả thiết trước thời điểm g1= a thì D0 đang dẫn dòng iD0 = id = Id , UD0 = 0 U2 bắt đầu chuyển sang dương nên T1 và T2 được đặt điện áp thuận nhưng chưa xuất hiện xung điều khiển nên T1 và T2 chưa mở, đồng thời T3 và T4 được đặt điện áp ngược nên T3 và T4 khoá. Nên : iT1 = iT2 = 0 ; iT3 = iT4 = 0 UT1 = UT2 = U2 ; UT3 = UT4 = -U2 Tại g1= a có UĐK1 đưa tới nên T1 và T2 đủ điều khiển mở => T1 và T2 mở => UT1= UT2 = 0 khi đó D0 bị đặt điện áp ngược nên khoá UD0 = -U2 ; iD0 = 0 , iT1 = iT2 = Id , Ud = U2 , it3 = iT4 = 0. p a 2p Ud wt wt a a p 2p g1 g2 g3 0 0 0 0 0 0 0 Uđk12 Uđk34 iT1=iT2 iT3=iT4 iD0 i1 UD0 g1 g1 g1 g1 g1 p p p g2 g2 g2 g2 g2 2p 2p 2p g3 g3 g3 g3 wt wt wt wt wt wt 0 Tại wt = p thì U2 = 0 và bắt đầu chuyển sang âm thì T1, T2 bị đặt điện áp ngược (ngược chiều dẫn dòng ) T3 và T4 đặt điện áp thuận nhưng chưa mở (năng lượng mở D0 từ Đ). T1 và T2 khoá , Ud = 0 , UDo = 0. Đến g1= p + a thì xuất hiện UĐK34 mở T3 và T4 iT1 = iT2 = 0 ; iT3 = iT4 = Id UT1 = UT2 = 0 ; UT3 = UT4 = -U2 Ud = -U2 ; UDo = -U2 ; UD0 khoá. Đến 2 p thì quá trình bắt đầu lặp lại. 2p ¸ g3 tương tự 0 ¸ g1 quá trình lặp lại như vậy theo chu kỳ. Ta thấy rằng nguyên lý của sơ đồ cầu 1 pha có D0 cũng hoàn toàn như những sơ đồ khác khi có D0 .Dạng điện áp chỉnh lưu tức thời cho ra của bộ biến đổi này thì có dạng như hình tia 2 pha có D0, dòng qua Tiristo và D0 cũng hoàn toàn tương tự. Song so với tia 2 pha thì sơ đồ đơn giảm hơn, giá thành hạ hơn. Do vậy, chọn bộ biến đổi này làm mạch động lực cho hệ thốn. Một số biểu thức tính toán Điện áp chỉnh lưu trung bình trên tải (U2 là điện áp hiệu dụng trên thứ cấp của BA) - Điện áp thuận và ngược lớn nhất mà Thyristor phải chịu: - Dòng điện trung bình và dòng điện trung bình cực đại qua một Thyristor: ITtb = Id ITtbmax = Id; -Dòng điện và dòng điện trung bình trên diot D0 ID0 = Id ItbD0 = Id() - Dòng điện hiệu dụng cuộn dây sơ cấp và thứ cấp máy biến áp khi tổ dây nối Y/Y ; ; Xác định công suất tính toán máy biến áp : CHƯƠNG II THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN I. Giới thiệu chung Để cho các van của hai bộ biến đổi mở tại những thời điểm mong muốn thì ngoài điều kiện tại thời điểm đó trên van phải có điện áp thuận thì trên cực điều khiển phải có một điện áp điều khiển (còn gọi là tín hiệu điều khiển hay xung điều khiển) .Để có hệ thống các xung điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu mở van thì ta cần phải có một mạch điện để tạo ra xung điều khiển đó .Mạch điện tạo ra hệ thống xung điều khiển đó gọi là mạch điều khiển . Hệ thống tạo xung điều khiển có nhiệm vụ tạo ra 3 kênh điều khiển Góc điều khiển thay đổi rộng Thông số xung các kênh phải như nhau Xung điều khiển phải thoả mản các yêu cầu cơ bản như công suất ,biên độ cũng như thời gian tồn tại xung để mở chắc chắn các van đối với mọi loại phụ tải .Thông thường độ dài xung nằm trong khoảng (200¸600)ms là đảm bảo mở chắc chắn các van . Hiện nay thường sử dụng 3 hệ thống tạo xung cơ bản sau Hệ thống điều khiển pha đứng Hệ thống điều khiển pha ngang Hệ thống điều khiển dùng điôt 2 cực gốc Hệ thống điều khiển pha đứng Sơ đồ khối hệ thống điều khiển theo pha đứng (Hình 2.1) 1 5 4 3 2 UGT u1 ĐBH Điện áp tựa (Sóng răng cưa) So sánh Tạo xung Phân chia xung Uđk Hình 2.1. Sơ đồ khối điều khiển theo pha đứng - Khối 1 là khối đồng bộ hoá (ĐBH): Tín hiệu điện áp đưa vào khối này cũng chính là tín hiệu cấp cho mạch động lực của bộ chỉnh lưu (u1). Khối này ta thường sử dụng biến áp đồng bộ hoá để điện áp ra sau khối này có dạng sin với tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và trùng pha hoặc lệch pha 1 góc xác định so với điện áp nguồn - Khối 2 là khối tạo sóng răng cưa (điện áp tựa): Sau khối 1, điện áp đồng bộ (uđb) được đưa vào khối 2 để tạo ra điện áp dạng xung răng cưa (urc). Điện áp răng cưa urc là điện áp chuẩn để so sánh với Uđk của khối 3. - Khối 3 là khối so sánh: Qua khối này urc và Uđk được so sánh với nhau. Uđk là điện áp 1 chiều. Gia điểm của điện áp này với urc quyết định góc điều khiển α. - Khối 4 là khối tạo xung: Tín hiệu ra sau khối so sánh có dạng số (có tín hiệu “1” và không có tín hiệu “0”). Tuy nhiên xung này hầu như chưa đáp ứng được yêu cầu về biên độ xung, độ rộng xung, độ dốc xung,... Vì vậy cần phải có khối tạo xung để điều chỉnh các thông số này cho phù hợp. - Khối 5 là khối phân chia xung: Khối này để dẫn xung và phân chia xung cho Thyristor. Ta thường dùng biến áp xung (BAX) để thực hiện việc này. Trên thực tế lắp ráp mạch điều khiển theo pha đứng này người ta thường ghép khối 1 với khối 2 và khối 4 với khối 5. Vậy sơ đồ lắp ráp thực tế như (hình 2.2). khối3 khối 2 khối 1 UGT u1 ĐBH & PSRC So sánh Tạo xung & phân chia xung Uđk Hình 2.2. Sơ đồ khối điều khiển theo pha đứng thực tế ul : điện áp lưới (nguồn) xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu uđk : điện áp điều khiển đây là điện áp một chiều lấy từ đầu ra của khối(TH-KĐTG) dùng để điều khiển giá trị góc a . uđkT : điện áp điều khiển Tiristo ,là chuổi các xung điều khiển lấy từ đầu ra hệ thống điều khiển và được truyền đến cực điều khiển (G) và Katôt (K) của Tiristo . Nguyên lý cơ bản của hệ thống điều khiển theo nguyên tắc pha đứng Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực chỉnh lưu được đưa đến mạch đồng bộ hoá của khối 1 và trên đầu ra của mạch đồng bộ hoá ta có các điện áp thường có dạng hình sin với tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và trùng pha hoặc lệnh pha một gócpha xác định nào đó so với điện áp nguồn .Điện áp này gọi là điện áp đồng bộ và ký hiệu là uđb .Các diện áp đồng bộ được đưa vào mạc phát điện áp răng cưa để khống chế sự làm việc của mạch điện này, kết quả là trên đầu ra của mạch phát điện áp răng cưa có một hệ thống các điện áp dạng hình răng cưa đồng bộ về tần số và góc pha với các điện áp đồng bộ .Các điện áp này gọi là điện áp răng cưa urc .Các điện áp răng cưa được đưa vào khối so sánh (SS) và ở đó còn có một tín hiệu khác nữa gọi là điện áp điều khiển uđk .Hai tín hiệu này được mắc với cực tính sao cho tác động của chúng lên mạch SS là ngược chiều nhau .Khối SS làm nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu này và tại những thời điểm 2 tín hiệu này có giá trị tuyệt đối bằng nhau thì đầu ra khối SS sẽ thay đổi trạng thái .Như vậy khối SS là một mạch điện hoạt động theo nguyên tắc biến đổi tương tự-số(Analog-Digital) .Do tín hiệu ra của mạch SS là dạng tín hiệu số nên chỉ có hai giá trị có ‘1’ hoặc không ‘0’.Tín hiệu ra cua khối SS là các xung xuất hiện với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa ,nếu thời điểm bắt đầu xuất hiện của một xung nằm trong vùng sườn xung nào của urc tài sườn xung ấy của urc được gọi là sườn sử dụng .Điều này có nghĩa là :Tại thời điểm êurc ê=êuđkêở phần sườn sử dụng trong một chu kỳ của điện áp răng cưa thìo trên đầu ra của khối SS sẽ bắt đầu xuất hiện một xung điện áp .Từ đó ta thấy có thể thay đổi được thời điểm xuất hiện xung đầu ra của khối so sánh bằng cách thay đổi giá trị của uđk khi giữ nguyên dạng của urc .Trong một số trường hợp thì xung ra của khối SS được đưa đến cực điều khiển của Tiristo nhưng đa số các trường hợp thì xung ra của khối SS chưa đủ các yêu cầu cần thiết đối với tín hiệu điều khiển Tiristo .Để có tín hiệu đủ yêu cầu thì người ta phải thực hiện việc sửa xung ,khuyếch đại xung ..vv .Các nhiệm vụ này được thực hiện ở mạch tạo xung (TX) cuối cùng trên đầu ra khỗiT là một chuổi xung điều khiển uđkT có đủ thông số yêu cầu về công suất ,biên độ ,độ dài xung vv…mà thời điểm bắt đầu xuất hiện của các xung thì hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối SS .Vậy thời diểm xuất hiện của tín hiệu điều khiển trên điện cực điều khiển và Katôt của Tiristo chính củng là thời điểm xuất hiện xung đầu ra khối SS , tức là khối SS đóng vai trò xác định giá trị góc điều khiển a .Như đã nêu ở trên ,ta có thể thay đổi thời điểm xuât hiện xung ra khối so sánh bằng cách thay đổi giá trị uđk .Vậy điều khiển giá tri điện áp điều khiển uđk ta điều khiển được giá trị góc mở a . Hệ thống điều khiển pha đứng tuy có mạch phát xung khá phức tạp nhưng các xung được tạo ra đáp ứng được yêu cầu như Phạm vi điều chỉnh góc mở a rộng a = (0 ¸ 1800) Tổng hợp tín hiệu dể dàng Công suất ,biên độ ,độ rộng xung đảm bảo yêu cầu mở Tiristo Dể tự động hoá và tự động hoá ở trình độ cao Hệ thống điều khiển pha ngang Ở phương pháp này người ta tạo ra điện áp điều khiển hình sin có tần số bằng tần số của điện áp nguồn và góc pha điều khiển được.Thời điểm xuât hiện xung trùng với góc pha đầu của điện áp điều khiển.Phương pháp này có mạch điều khiển khá đơn giản nhưng lại có một số nhược điểm sau Phạm vi điều chỉnh góc mở a hẹp a <1800 Khó tổng hợp tín hiệu Rất nhạy với sự thay đổi của điện áp nguồn Hệ thống điều khiển dùng điốt 2 cực gốc Phương pháp nàycủng tạo ra các xung nhờ việc so sánh giữa điện áp răng cưa xuất hiện theo chu kỳ điện áp nguồn xoay chiều với điện áp mở của UJT.Phương pháp này khá đơn giản tuy nhiên no có một số nhược điểm sau. Phạm vi điều chỉnh góc mở a hẹp a <1800 Trong một chu kỳ điện áp nguồn hệ thống thường tạo ra nhiều xung điều khiển gây tổn thất phụ trong mạch điều khiển Đảo chiều khó khăn chỉ phù hợp hệ thống có công suất nhỏ Đánh giá chọn hệ thống điều khiển Từ những phân tích cụ thể đối với từng hệ thống điều khiển .Ta thấy hệ thống điều khiển pha đứng có nhiều ưu điểm phù hợp với công nghệ của đề tài .Do đó ta chọn hệ thống điều khiển pha đứng để thiết kế cho hệ thống . II.THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 1. Khối đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa (ĐBH-FSRC) Mạch đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa Nguyên lý làm việc Trong sơ đồ này ta sử dụng khuếch đại thuật toán KĐTT ghép với tụ C thành một mạch tích phân. nguyên lý hoạt động của khâu này như sau: Giả thuyết Tr khóa thì tụ C được nạp bởi dòng đầu ra của KĐTT, dòng nạp tụ được xác định ic = -i1 + iv-. nếu KĐTT là lý tưởng thì điện trở vào của nó bằng vô cùng, dẫn đến dòng vào iv- và iv+ bằng 0, do vậy ic = -i1, mặt khác i1 = -Ucc/(WR + R) = -I = const. điều này có nghĩa rằng khi Tr khóa thì tụ C được nạp bởi dòng không đổi có giá trị I, vậy ta có: Từ t = 0 thì uđb = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương, dẫn đến D mở nên mạch phát gốc Tr bị đặt điện áp ngược, Tr khóa, tụ C được nạp điện bởi dòng không đổi.Điện áp trên tụ tăng dần theo quy luật tuyến tính. Đến t = và bắt đầu chuyển sang âm D khóa, Tr mở nên tụ C phóng điện nhanh qua Tr đến điện áp bằng không và giữ nguyên giá trị bằng không cho đến t = 2, điện áp đồng bộ bằng không. và bắt đầu chuyển sang dương, D lại mở, Tr lại khóa,tụ C lại được nạp điện như t = 0. vơi giả thuyết KDTT là lý tưởng thì hệ số khuếch đạilà vô cùng lớn,vậyKĐTT đang ở chế độ khuếch đại tuyến tính thì điện áp giữa hai đầu vào được xem là bằng không(uv=0).từ sơ đồ ta có: urc=uc+uv=uc.tức là điện áp răng cưa như sau: 0 p 2p wt U Urcmax g1 b)đồ thị điện áp răng cưa Điện áprăng cưa là điện áp ra của KDTT nên có nội trở rất nhỏ,vì vậy dạng điện áp ra hầu như không phụ thuộc vào tải mắc ở đầu ra của mạch phát sóng răng cưa.Với sơ đồ này dung lượng tụ C chỉ cần rất nhỏ(thường chọn khoảng 220nF),vì vậy chọn tụ C dễ dàng,mặt khác tụ phóng rất nhanh nên rât an toàn cho Tr va điện ap ra rất gần với dạng răng cưa lý tưởng. 2-Mạch so sánh ( dùng IC ) R R Ur R UĐK Urc -Ucc Ucc UV Uss wt wt g3 g2 g1 2p p Urc Ur 0 0 UĐK Nguyên lý hoạt động : Tại wt = 0 ¸ g1 ( wt < g1) thì | Urc| < | UĐK| nên điện áp đặt vào IC là Uv =UĐK – Urc > 0 Năng lượng đưa tới đầu vào đảo nên Ur < 0 D0 và cắt thành phần Ur < 0 nên lúc này Ur = 0 không có xung ra. wt = g1 ¸ g2 thì Uv = | UĐK| - | Urc| 0 nên có xung ra. Tương tự quá trình lặp lại như trên. Mạch so sánh có nhiệm vụ so sánh điện áp điều khiển với điện áp răng cưa (cụ thể ở đây ta lấy điện áp sườn trước của điện áp răng cưa làm điện áp tựa để so sánh) để tạo ra góc mở a . 3- Mạch sửa xung. Từ nguyêng lý hoạt động của khâu so sánh. Ta thấy rằng khi giá trị của UĐK thay đổi để thay đổi góc mở a thì độ rộng xung ra thay đổi theo không bảo đảm yêu cầu công nghệ. Vì vậy ta xẽ đưa vào Hệ thốngđiều khiển một mạch điện có tác dụng đưa ra xung có độ dài không đổi mặc dù xung đầu vào thay đổi gọi là mạch sửa xung. Nguyên lý hoạt động :Giả thiết điện áp đặt vào như hình vẽ. + Tại thời điểm wt < t1 D khoá nên cực gốc của Tr có thế dương đặt vào nhờ có R2 định thiên Tr mở bão hoà. Sụt áp trên Tr rất nhỏ UTr» 0 do đó Ura»0 .Tụ C được nạp theo đường: +UV ® C ®Tr®-UV.Tụ C được nạp đầy đến giá trị Uc =UV . + Tại thời điểm wt =t1 có xung âm xuất hiện ở đầu vào tụ C phóng điện theo đường: +C®+UV®-UV®D®-C. Lúc này, cự gốc của Tr bị đặt điện áp ngược có giá trị ½Uc½=2½Ucc½ nên Tr khoá lại. Khi C phóng hết nhưng chưa đúng thời điểm mà đầu vào có xung dương xuất hiện để mở Tr nên Ura =0 . + Tại thời điểm wt =t2 đầu vào xuất hiện xung dương quá trình lặp lại như ban đầu. t’3 t3 t1 t1 t’1 t1 t3 t3 t3 t3 t1 t4 t3 t2 t1 wt wt wt wt Ur UTr Uc UV +UCC + _- Tr _- + D3 R1 R2 _- + C2 Ura UV 4-Khối tạo xung . D3 Để xung có đầy đủ các thông số yêu cầu cần thiết ta phải thực hiện việc khuếch đại xung, trong một số ta phải phân chia xung và cuối cùng là truyền xung từ đầu ra của mạch phát xung đến cực điều khiển và Katốt của Tiristor. a-Mạch khuếch đại xung . + +Ucc * * I1 0 0 t’2 t’2 t2 t2 t’1 t’1 t1 t1 t t UĐKT UV UĐKT D3 D1 - Trrrrr1 BAX UV Tr2 * Nguyên lý Gọi txv : là thời gian tồn tại của xung điện áp vào. txr : Là thời gian tồn tại của xung điện áp ra. tbh : là thời gian tính từ lúc đóng +Ucc cho đến khi từ thông lõi thép BAX đạt Fbh + Trường hợp tbh ³ txv Khi t UĐTK= 0 ( chưa có tín hiệu điều khiển ). Tại t= t1 xuất hiện 1 xung dương ( Uv khác 0 ) đặt vào Tr1 mở => Tr2 mở (giả thiết mở bão hoà ). Khi đó, cuộn dây W1 được đặt Ucc và suất hiện I1 (như hình vẽ). Do vậy, phía cuộn dây W2 xuất hiện xung điện áp thuận trên D3 và dẫn đến D3 thông có UĐKT. Tại t = t1’ mất xung vào Uv khác 0 thì Tr1 và Tr2 khoá nên I1 giảm về đến 0 nên từ thông trong lõi thép biến thiên theo chiều ngược khi Tr1 và Tr2 mở để chống lại sự giảm của I1 . Do đó các cuộn dây của BAX xuất hiện các xung có cực tính ngược.lại. D3 bị đặt xung điện áp ngược nên D3 khoá => UĐKT = 0. Lúc này mạch được bảo vệ nhờ D1 và D2. txv 0 0 t’2 t’2 t2 t2 t’1 t’1 t1 t1 t t UĐKT UV + Trường hợp tbh < txv. Khi t < t1 : tương tự như trường hợp trên. Khi t = t1 : tương tự như trường hợp trên. Khi t = t1 + tbh thì mạch từ BAX bị bão hoà => từ thông không biến thiên mặc dù vẫn còn xung vào Uv khác 0 nhưng UĐKT = 0. Khi t = t1 + txv tương tự như trên. 5 - Thiết kế nguồn nuôi. 0 C2 C2 C1 C1 BA -UCC +UCC 0 7815 7915 U(~) BA : Để tạo ra điện áp xoay chiều cần thiết cho cầu chỉnh lưu ( có thể không dùng ). Cầu chỉnh lưu cho ra điện áp một chiều đối xứng lấy ra được trên 2 tụ C1, và IC 7815 và 7915 có tác dụng ổn định điện áp đầu ra, 2 tụ C2 có tác dụng lọc thêm và lấy ra Ucc cuối cùng. 6- Mạch khuếch đại trung gian.(dùng tranzitor) Do yêu cầu công nghệ là phải có chất lượng cao nên ta phải sử dụng các mạch vòng phản hồi vì vậy cần phải có mạch vòng tổng hợp các tín hiệu . Mặt khác để nâng cao độ cứng đặc tính cơ hệ kín nên cần phải khuyếch đại tín hiệu . Khâu tổng hợp khuyếch đại tín hiệu bao gồm : Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm tốc độ Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm dòng a) Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm tốc độ Sơ đồ nguyên lý Để lấy tín hiệu phản hồi ta sử dụng máy phát tốc FT nối với động cơ một chiều Đ và bộ phân áp WR và R20 để đo điện áp một chiều như hình vẽ Tín hiệu phản hồi này được đưa vào khâu tổng hợp tín hiệu cùng tín hiệu chủ đạo . Mạch tổng hợp này bao gồm các vi mạch khuyếch đại thuật toán IC3 và các phần tử khác phục vụ cho khâu tổng hợp như hình vẽ Nguyên lý làm việc Đầu vào khâu khuyếch đại bao gồm tín hiệu chủ đạo ucđ và tín hiệu phản hồi âm tốc độ uph = gn, UvIC3=Ucđ - .Tín hiệu này được đưa vào đầu vào đảo IC3 sau đó được khuyếch đại .tín hiệu ra IC3 ngược dấu với tín hiệu vào IC3 .Tín hiệu ra được đưa đến điều khiển chỉnh lưu uđk . Vậy ta có: UvIC3 = Ucđ- gn ; UIC3 = -K3.(ucđ- gn ) = Udk với K3 là hệ số khuếch đại của IC3. Với hệ điều tốc vòng kín có phản hồi âm tốc độ(g ≠ 0) thì độ sụt tốc độ sẽ giảm khi tăng g.K, tức tăng hệ số phản hồi hoặc tăng hệ số khuếch đại hệ thống hở.Nếu đạt điều kiện g.K ®¥ thì Dn®0 (không còn sai lệch và đặc tính tuyệt đối cứng), b. Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm dòng Sơ đồ nguyên lý Nguyên lý làm việc Tín hiệu phản hồi âm dòng - b.Iư được đưa vào đầu vào đảo của IC4 thông qua điện trở R23.Tín hiệu phản hồi dòng điện b.Iư qua điện trở R23 . * Khi làm việc bình thường thì (Ucđ - b.Iư< 0)chưa xẩy ra quá tải thì khâu phản hồi dòng không làm việc cho nên không tác động vào hệ thống . Khi xẩy ra quá tải lớn thì b.Iư tăng lên cho Udk=Ucđ - b.Iư giảm làm cho góc điều khiển tăng mà ud = f(a) hay điện áp đặt lên phần ứng động cơ giảm do đó tốc độ động cơ giảm để giữ ổn định. PHẦN III TÍNH CHỌN THIẾT BỊ Mục lục của phần IV I. MỤC ĐÍCH VÀ Ý NGHĨA II. Tính chọn mạch động lực 1.Tính chọn động cơ truyền động điện 2.Chọn máy biến áp. 3.Tính chọn tiristor. 4. Chọn máy phát tốc 5. Chọn Điốt D0 cho mạch động lực. 6. Chọn điện trở hãm. 7. Tính chọn thiết bị quá điện áp cho Tiristor. 8. Chọn các phần tử của cuộn kháng lọc 9. Chọn Aptomát . 10. Tính hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại trung gian. III. Thông số tính toán I. MỤC ĐÍCH VÀ Ý NGHĨA Để hệ thống làm việc một cách an toàn tin cậy và chắc chắn đảm bảo được yêu cầu công nghệ ngoài việc thiết kế , tính chọn phương án truyền động thì việc tính chọn thiết bị trong hệ thống có ý nghĩa rất quan trọng thiết kế hệ thống truyền động điện .Việc tính chọn thiết bị có ảnh hưởng đến tuổi thọ của các thiết bị ,chất lượng làm việc của hệ thống giúp hệ thống làm việc đảm bảo an toàn tin cậy trong mọi chế độ .Do đó ta phải tính chọn các thiết bị cho hệ thống một cách chính xác đảm bảo yêu cầu kỷ thuật thiết kế . II. TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC 1.Tính chọn động cơ truyền động điện Theo đề tài ta dùng động cơ 1 chiều kích từ độc lập loại p72 Tra tài liệu ta chọn động cơ có số liệu kỹ thuật như sau : Kí hiệu Uđm Iđm Pđm nđm Lư Rư GD2 V A KW v/ph H W P 72 220 132 25,0 1500 0,0063 0,0966 1,200 2- Chọn máy biến áp cho mạch động lực. Máy biến áp để tạo ra điện áp phù hợp cho bộ biến đổi. Do mạch động lực sử dụng sơ đồ cầu 1 pha nên ta dùng máy biến áp 1 pha với điện áp định mức phía sơ cấp là U1 = 380 ( V ) là điện áp dây của lưới điện. a-Xác định phía thứ cấp của máy biến áp. Theo công thức kinh nghiệm : U2BA = Ku.Ksd.Kv.Ka.Uđm ( V ) Trong đó : Ku: Là hệ số dự trữ điện áp có xét đến khả năng sụt áp của lưới điện Ku = 1,1 ¸ 1,5 Ksd: là hệ số phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu của bộ biến đổi, với sơ đồ cầu 1 pha Ksd = 1,11. Kv: Là hệ số dự trữ xét khi sụt áp trong máy biến áp và trong bộ biến đổi . Kv = 1,05. Ka: Là hệ số kể đến khả năng Tiristor không mở hết khi Uđk đạt cực đại thường lấy Ka = 1,2. Thay số vào ta có : U2BA = 1,1.1,11.1,05.1,2.220 = 338,46 ( V ) Vậy điện áp phía thứ cấp của máy biến áp được chọn là U2BA = 340 ( V ) b- Xác định dòng điện thứ cấp của máy biến áp. I2BA = Ksd.Iđm = 1,11.132 = 146,52 ( A ). Trong đó : Ksd = 1,11: Là hệ số phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu Iđm = 132 (A): Là dòng điện định mức của động cơ được chọn. c- Dòng điện sơ cấp của máy biến áp. Trong đó : Thay số : d-Công suất của máy biến áp . S1 = U1BA.I1BA =380.130,82 =49711,6 (VA) S2 =U2BA.I2BA =340.146,52 =49816,8 (VA) Vậy ta chọn được máy biến áp động lực với các thông số sau: S(KVA) U1đm (V) U2đm (V) I1đm (A) I2đm (A) 49,764 380 340 130,82 146,52 3- Chọn val chỉnh lưu Tiristor. Giá trị dòng trung bình phải ứng với dòng tải của động cơ điện chấp hành của hệ thống. Trong đó : Iđm = 132 (A): là dòng định mức của động cơ điện. m = 2: là số đỉnh nhọn điện áp trong một chu kỳ điện áp lưới. Kđt là hệ số dự trữ kể đến dòng điện mở máy (thường Kđt = 2 ¸ 2,5). Thay số ta có : Điện áp ngược đặt lên Tiristo là : Ungmax = Kết hợp kết quả tính toán Ia và Ungmax với điều kiện chọn Tiristor là : [ It ] ³ Ia ; [It]: là dòng cho phép qua Tiristor. [Ungt] ³ Ungmax ; [Ungt]: là điện áp ngược cho phép đạt lênTiristor. Ta chọn Tiristor với các thông số sau đây : ( B.1.3 - ĐTCS) Loại ITB(A) Ungmax (KV) DU (V) toff (ms) Ig (A) Ug (V) di/đt A/ms du/dt V/ms NLC176M 200 0,1 ¸1 3,5 150 0,3 2,5 200 200 4- Chọn máy phát tốc . Máy phát tốc được dùng trong hệ thống để làm khâu phản hồi âm tốc độ. Nó được nối cứng với trục động cơ chấp hành của hệ thống nếu cùng tốc độ quay với động cơ hoặc qua 1 tỷ số truyền nếu có tốc độ quay khác tốc độ động cơ. Thường máy phát tốc được dùng lựa chọn theo kinh ngiệm sau đó khảo sát, kiểm tra lại trên đường đặc tính cơ. Căn cứ vào những đặc điểm trên đây ta chọn được máy phát tốc có thông số sau đây : Pđm = 115(W ); Iđm = 0,5(A); Uđm = 230 (V); nđm = 1000 (v/f); RưS = 7,34 (W). - Hệ số truyền đạt của máy phát tốc là : - Tỷ số truyền giữa động cơ chấp hành và máy phát tốc là : - Hệ số truyền của máy phát tốc quy đổi về trục động cơ là : Ta lấy một phần điện áp ra của máy phát tốc đưa tới bộ khuếch đại trung gian làm tín hiệu phản hồi âm tốc độ . Ta chọn Ucđ = 8 (V). Ubh =0,4(V) 5- Chọn Điốt D0 cho mạch động lực. - Dòng qua D0 - Điện áp ngược đặt lên D0 là : Kết hợp kết quả tính toán trên với điều kiện sau : [ItD0] ³ ID0 [UngD0] ³ UD0ngmax Ta chọn được D0 có thông số sau : Mã I (A) U (V) DU (V) S200-06 200 100 ¸ 1000 1,1 6- Chọn điện trở hãm . Ta có dòng điện hãm khi thực hiện hãm động cơ là : IH = ( 2 ¸ 2,5 ).Iđm (A) = 2,5.132 = 330 (A) Mà : Trong đó : Rư = 0,0966 (W): là điện trở phần ứng động cơ. nđm = 1500 (v/f): là tốc độ định mức động cơ. IH = 330 (A) Thay số ta có : 7- Tính chọn thiết bị quá điện áp cho Tiristor. Giá trị R và C của mạch bảo vệ được bảo vệ được xác định theo các công thức kinh ngiệm sau đây : - Điện dung : Trong đó : Ia = 165 (A) là dòng qua val trước thời điểm chuyển đổi ( chính là dòng điện trung bình qua val ) UngT là dòng ngược cho phép qua Tiristor. UngT = 1000 (V) Thay số : - Điện trở : Trong đó : UngT = 1000 (V) IđmT = 200 (A). là dòng định mức qua Tiristor. Thay số ta có : 8- Chọn các phần tử của cuộn kháng lọc. Ta thấy rằng, cuộn kháng lọc nối nối tiếp với tải nên khi dòng tải biến thiên bởi các sóng hài , trong cuộn kháng lọc sẽ sinh ra suất điện động chống lại sự biến thiên đó làm giảm đáng kể các thành phần cuả sóng hài (nhất là các thành phần sóng hài bậc cao ) Mặt khác trên quan điểm điện kháng, ứng với các sóng hài bậc càng cao thì điện kháng của cuộn kháng lọc chặn càng nhiều. Nó đảm bảo cho bộ biến đổi luôn làm việc ở chế độ dòng liên tục trong phạm vi tải biến đổi. Cần phải hạn chế đến mức thấp nhất sự ảnh hưởng của dòng xoay chiều đến động cơ. I (~) < Iđm . 5% - Điện cảm cuộn kháng: LCK Ta có : LCK = LS - LưS Trong đó : LS là điện cảm của mạch phần ứng Nên LCK = LS - LưS = 0,12 - 0,0063 = 0,1137 (H) -Điện trở cuộn kháng: (W) Trong đó: Uđm và Iđm là điện áp và dòng điện định mức của động cơ điện. Vậy: 9- Chọn Aptomát . Chọn Aptomát đóng cắt mạch động lực cần thoả mãn các thông số sau đây: UđmAB ³ Uđmmạng ; IđmAB ³ Ksd.Kqt.Kd.I1BA Trong đó: UđmAB : Là điện áp định mức Aptomát được chọn. Uđmmang : Là điện áp định mức lưới điện. IđmAB : là dòng điện định mức Aptomát được chọn. I1BA : Là dòng điện sơ cấp máy biến áp. Ksd = 1,11: Là sơ đồ phụ thuộc sơ đồ chỉnh lưu. Kqt= 1,2 : Là hệ số qúa tải cho phép. Kd = 1,05 : Là hệ số dự trữ có tính đến khả năng sai khác giữa Ia và Id. Ta có : Uđmmang = Ka.Kqt.Kd.I1BA = 1,11.1,2.1,05.4,23 = 5,916 (A) Căn cứ vào các thông số này ta chọn được Aptomát có các thông số sau đây: 10- Tính hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại trung gian. Từ động cơ đã chọn ta có : KiÓu Dßng ®Þnh møc I®m(A) §iÖn ¸p U®m(V) Dßng ®iÖn t¸c ®éng tøc thêi (A) Dßng ®Þnh møc cña mãc b¶o vÖ Sù cè A3114/1 60 500 250 25 3 Với a-Xác định hệ số khuếch đại của bộ biến đổi. - Xác định đường Uđk = f(a) Ta có : (V) Lập bảng biến thiên : a 0 p/6 p/3 p/2 2p/3 5p/6 p Uđk 0 2 4 6 8 10 12 a UĐK p 5p/6 2p/3 p/2 p/3 p/6 2 4 6 8 10 12 0 Xác định đường Ud = f(a) (V) Trong đó : a 0 p/6 p/3 p/2 2p/3 5p/6 p Ud 306,26 285,75 229,7 153,13 76,57 20,52 0 5p/6 2p/3 p/2 p/3 p/6 306,26 141,12 Ud a p 20,52 76,57 153,1333 229,7 285,75 0 - Xây dựng quan hệ giữa điện áp chỉnh lưu và điện áp điều khiển. Quan hệ Ud = f(Uđk) là đặc tính vào ra của bộ biến đổi. a p/6 p/3 p/2 2p/3 5p/6 p 0 Uđk 2 4 6 8 10 12 0 Ud 285,75 229,7 153,13 76,57 20,52 0 306,26 Ta có được quan hệ Ud = f(Uđk) là quan hệ phi tuyến. Để xác định được hệ số khuếch đại của bộ biến đổi ta phải tuyến tính hoá quan hệ Ud = f(Uđk). Từ đồ thị ta tuyến tính hoá đoạn AB . Ta có hệ số khuếch đại bộ biến đổi là : b- Xác định hệ số khuếch đại của hệ thống là : Từ phương trình đặc tính cơ của hệ thống ta có : Trong đó : K= KTG.KBBD.KD : là hệ số khuếch đại của hệ thống. 0 76,57 153,13 229,7 B A 285,75 20,52 Ud UĐK 12 10 8 6 4 2 0 306,26 - Xác định Dn : Trong đó : nomin, n0max là tốc độ không tải lý tưởng ứng với đặc tính cơ thấp nhất và cao nhất của hệ thống. Mà : Nên : (1) Mặt khác , từ phương trình đặc tính cơ ta có: (2) Từ (1) và (2) suy ra : Trong đó: D = 80/1 ; KD = 7,25; RưS = 0,0966 (W) [St] = 0,05 ; ndm = 1500 (v/f) ; g = 0,0076 (v.phút/vòng) Iư = 132 (A) ; Thay số vào ta có : Mặt khác : K = KTG.KBBD.KD III. Thông số tính toán Pđm Công suất định mức =25,0 (Kw) nđm Tốc độ định mức = 1500 (v/ph) Uđm Điện áp phần ứng định mức = 220 (V) Iđm Dòng điện định mức động cơ = 132 (A) Lưå Điện cảm phần ứng động cơ = 0,0063 (H) Rưå Điện trở phần ứng động cơ = 0,0966 (W) Ti Hằng số thời gian của khâu phản hồi dòng = 0,002 (s) Tv Hằng số thời gian bộ chỉnh lưu = 0,0033 (s) Tđk Hằng số thời gian mạch điều khiển bộ chỉnh lưu = 0,0025 (s) Tw Hằng số thời gian máy phát tốc = 0,003 (s) : Hệ số cấu tạo của động cơ GD2 = 1,200 (kg.m2) Tốc độ góc w = wđm = (rad/s) Ke = 1,05.K Mđm = Pđm/wđm = 11000/157 =70,06 (Nm) Cu = Mđm/Iđm =70,06/59,5 =1,17 Tư = J = Từ sơ đồ cấu trúc điều khiển ta có Uđ = Kcl.Uđk Chọn Uđk = 10 (V) Kcl = 26,4 Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện Tsi = Ti + Tv + Tđk =2ms + 3,3ms + 2,5ms =7,8.10-3s Tư = 0,071(s) Rư = 0,197(W) Kcl = 26,4 Chọn Uiđ = 12 (v) Với Ki = Þ Tính hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ. Từ sơ đồ cấu trúc điều khiển ta có Uđw = w.Kw Chọn Uđw = 10 (V) Þ Kw = Tsw = Tw + 2.Tsi =0,003 +2.7,8.10-3 = 0,0186 (s) Tw = 3 ms ; Tsi = 7,8.10-3 s ; (s) Rw = ó PHẦN V KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG *) Mục đích và ý nghĩa. Yêu cầu công nghệ của máy công tác đối với tính năng điều khiển sau khi đã lượng hoá và phân tích chuyển đổi có thể biểu đạt bằng các chỉ tiêu chất lượng trạng thái ổn định và trạng thái động. Khi thiết kế hệ truyền động điều khiển tốc độ cần phải khảo sát chất lượng động của nó vì vậy cần phải dựa vào chỉ tiêu chất lượng động của hệ thống. Chỉ tiêu chất lượng trạng thái động của hệ thống điều khiển tự động bao gồm hai chỉ tiêu: Tính năng bám và tính năng chống nhiễu. Dưới tác dụng của tín hiệu cho trước, tình trạng thay đổi lượng đầu ra của hệ thống có thể dùng chỉ tiêu chất lượng bám để mô tả. Lúc phương trình biểu diễn sự thay đổi tín hiệu đầu vào khác nhau, sự thích nghi ở đầu ra cũng không giống nhau. Thường lấy giá trị ra ban đầu là 0, tín hiệu cho trước với quá trình biến đổi nhảy vọt làm quá trình bám điển hình, sự thích nghi trạng thái động lúc đó gọi là sự thích nghi nhảy vọt. Hệ thống điều khiển khi đang vận hành ở trạng thái ổn định, nếu bị nhiễu thì sau một quá trình động, sẽ xuất hiện một trạng thái ổn định mới (trạng thái xác lập). Trừ sai số trạng thái ổn định, trong quá trình động lượng đầu ra biến đổi bao nhiêu? Phải mất bao lâu thời gian mới khôi phục trở lại trạng thái vận hành ổn định ? Do yêu cầu chỉ tiêu chất lượng của hệ thống như vậy ta sẽ đi khảo sát đặc tính động của hệ thống điều khiển đã thiết kế để kiểm tra hệ thống có đạt chỉ tiêu chất lượng đã đưa ra hay không. * Nội dung chính của phần V : 1. Các chỉ tiêu chất lượng động của hệ thống 2. Đánh giá chất lượng hệ thống Sau đây ta đi vào chi tiết cụ thể : 5.1. Các chỉ tiêu chất lượng động của hệ thống * Lượng quá điều chỉnh: ( dmax%) Là sai lệch lớn nhất xảy ra trong quá trình quá độ gữa đại lượng vật lý đầu ra và thực tế so với giá trị yêu cầu tính theo đơn vị % (sai lệch động). Thông số này ảnh hưởng tới tuổi thọ của thiết bị nếu dmax càng nhỏ thì hệ thống chịu chế độ nhẹ nhàng trong khi chuyển trạng thái giá trị này phải tính toán và so sánh với hệ số dự trữ * Thời gian quá độ: tp(s) là khoảng thời gian để hệ chuyển từ trạng thái xác lập này sang trạng thái xác lập khác về mặt lý thuyết thời gian quá độ này là vô cùng. Vì vậy trong kĩ thuật qui định khi đại lượng vật lý biến đổi trong khoảng ±3% giá trị yêu cầu thì ta coi hệ thống ở giá trị xác lập. Chính vì vậy thời gian quá độ tính từ thời điểm bắt đầu chuyển trạng thái đến điểm cuối cùng mà lượng ra nằm trọn trong vùng ±3%. Với thông số này nó quyết định độ nhạy của hệ và ảnh hưởng tới chất lượng của sản phẩm năng suất của máy. Đối với các hệ thống xảy ra quá trình quá độ liên tục để đảm bảo chất lượng sản phẩm và năng suất của máy phải rút ngắn tp. Với các hệ điều khiển chương trình phải đảm bảo tp rất nhỏ (điều khiển thời gian thực). Số lần dao động: Là số đỉnh nhọn hoặc số điểm cực trị của đặc tính lượng ra trong thời gian quá độ kí hiệu n (nguyên dương) Thời gian cực đại tmax: Là khoảng thời gian để hệ thống đạt được lượng ra cực đại ymax Thời gian ổn định to: Là khoảng thời gian để lượng ra đạt được giá trị ổn định lần đầu tiên. Hình 5.2 Các chỉ tiêu chất lượng động 5.2 Đánh giá chất lượng hệ thống 5.2.1.Khảo sát chất lượng ở chế độ xác lập Sau khi rút gọn sơ đồ trên ta được : Trong đó : Rw = 10,03 RI = KBBD = 28,58 KI = 0.2 KD = 7.25 RD = 0.197 (W) 5.2.2.Khảo sát chất lượng ở chế độ quá độ PHẦN VI THUYẾT MINH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ Máy biến áp động lực 2-Làm nhiệm vụ cung cấp điện áp phù hợp cho bộ chỉnh lưu cầu một pha. Tạo ra số pha phù hợp cho bộ biến đổi . Aptômát AB Dùng để cắt nguồn, bảo vệ quá tải, ngắn mạch cho mạch động lực. Máy phát tốc. Làm nhiệm vụ duy trì và ổn định tốc độ,tạo mạch vòng phản hồi âm tốc độ. Nâng cao độ cứng đặc tính cơ. Bộ khuếch đại trung gian. Tổng hợp tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi lượng dư được khuếch đại để điều khiển nhằm thay đổi giá trị điện áp ra của bộ biến đổi . bộ biến đổi cầu một pha (dùng 2 Tiristor+ 2 Diot) Dùng để biến điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều cung cấp cho động cơ. cuộn kháng lọc . Dùng để lọc sóng hài bậc cao sau chỉnh lưu, tạo ra dòng bằng phẳng cấp cho động cơ . động cơ chấp hành . Là đối tượng điều chỉnh đáp ứng yêu cầu công nghệ. Các bộ nguồn một chiều. Tạo ra nguồn một chiều ổn định tạo điện áp chủ đạo và nguồn nuôi cho toàn hệ thống điều khiển. Mạch tạo xung . Tạo ra các xung thích hợp về độ lớn cũng như về công suất, tạo độ lệch pha cần thiết đưa tới điều khiển các van mạch động lực. Quá trình điều chỉnh tốc độ. Để điều chỉnh tốc độ động cơ ta tiến hành điều chỉnh điện áp đặt lên phần ứng động cơ nhờ điều chỉnh góc mở của các tiristor. Như vậy, quá trình điều chỉnh tốc độ động cơ thục chất là quá trình điều chỉnh góc mở của các tiristor . Muốn thay đổi góc mở này ta thay đổi điện áp đầu vào của bộ khuếch đại trung gian (bằng cách thay đổi điện áp chủ đạo nhơ biến trở con trượt). ở chế độ tĩnh ta đặt điện áp chủ đạo bằng một giá trị nào đó tới đầu vào của bộ khuếch đại trung gian . Qua bộ khuếch đại trung gian tín hiệu sẽ đưa ra với độ khuếch đại lớn(điện áp điều khiển) và được so sánh vớ điện áp răng cưa ở khâu so sánh. Tại thời điểm mà |UĐK |³|Urc| xung ra của khâu so sánh được đưa tới mạch sửa xung, mạch khuếch đại xung và đưa tới điều khiển các tiristor . Ta thấy rằng, góc mở các tiristor lớn hay nhỏ hoàn toàn phụ thuộc vào UĐK mà không phụ thuộc vào Urc. Như vậy, khi điện áp Ucđ tăng lên sẽ làm UĐK giảm xuống(do Ucđ đặt vào cực gốc của Tr6 lớn sẽ làm Tr6 mở nhiều nên dòng qua nó lớn dẫn đến sụt áp trên cực góp Tr6 lớn. Vì vậy UĐK giảm xuống) tạo thời gian xuất hiện xung sớm hơn (góc mở tiristor giảm xuống), điện áp đặt vào phần ứng động cơ tăng (do Ud=[Ud0(1+cosa)/2] (V) )và ngược lại. Giả sử động cơ đang làm việc với tốc độ ổn định , vì một lý do nào đó làm cho tốc độ động cơ giảm xuống(hoặc tăng lên) khi đó Uph=gn giảm xuống(hoặc tăng lên) dẫn đến Uv =Ucđ- Uph tăng lên (hoặc giảm xuống) kéo theo UĐK giảm xuống (hoặc tăng lên). Lúc này, thời điểm xuất hiện góc mở của tiristor sớm (hay muộn) nên điện áp đầu ra của bộ biến đổi tăng(hay giảm) dẫn đến tốc độ động cơ tăng lên(hay giảm xuống) bù lại sự mất ổn định trên. Quá trình hãm dừng động cơ . Khi cắt điện toàn bộ hệ thống ra khỏi lưới điện thì Uưd =0 nhưng do quán tính cơ n ¹0 dẫn đến EĐ ¹0. Lúc này, điện trở hãm RH được đưa vào phần ứng động cơ cho phép dòng chạy qua và tiêu tán năng lượng tích luỹ của động cơ trước đó trên RH , quá trình hãm xảy ra nhanh hơn./.