Đồ án Thiết kế hệ truyền động ăn dao máy mài tròn 3A130

hơn. Mặt khác điện áp ngược của các van bán dẫn phải chịu có trị số lớn nhất, làm cho vệc chon van bán dẫn khó chon hơn. b. Sơ đồ cầu một pha. Sơ đồ mạch điện: Hình 2.5 : Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển đối xứng Hoạt động của sơ đồ : Trong nữa chu kỳ UAB> 0, điện áp anot của Tiristor T1 dương (catot T2 âm), nếu có xung điều khiển cho cả hai van T1, T2 đồng thời, thì các van này sẽ được dẫn để đặt điện áp lưới lên tải. Điện áp tải một chiều còn trùng với điện áp xoay chiều chừng nào các Tiristor còn dẫn (khoảng dẫn của Tiristor tùy thuộc vào tính chất của tải). Đến nữa chu kỳ sau, điện áp đổi dấu (UAB<0), anot của Tiristor T3 dương, catot T4 âm, nếu có xung điều khiển cho cả hai van T3,T4 đồng thời thì các van này sẽ được dẫn để đặt điện áp lưới lên tải, với điện áp một chiều trên tải có chiều trùng với nữa chu kỳ trước. Mạch chỉnh lưu cầu một pha có thể không dùng máy biến áp, giá trị điện áp trung bình một chiều ra tải, nếu tăng giá trị góc điều khiển thì điện áp trung bình sẽ giảm, ngược lại nếu giảm góc điều khiển thì điện áp trung bình sẽ tăng, giá trị điện áp trung bình ra tải là ứng với dòng điện trung bình qua tải với . Với sơ đồ này ta nhận được điện áp, dòng trên tải và van ở dạng sau: Hình 2.6 : Giản đồ dòng điện và điện áp Ưu, nhược điểm của sơ đồ : Nhìn chung chỉnh lưu cầu có điều khiển một pha có điện áp chỉnh lưu tương dương như chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính. Chất lượng điện một chiều như nhau, dòng điện làm việc các van bằng nhau nên việc ứng dụng tương đương nhau. Mặc dù vậy chỉnh lưu cầu một pha có ưu điểm hơn ở chỗ : điện áp ngược trên van bé hơn, máy biến áp dễ chế tạo và có hiệu suất cao hơn . 2. Lựa chọn phương án mạch lực và tính chọn các thiết bị cho mạch lực Đối với máy mài 3A130 động cơ một chiều quay chi tiết không yêu cầu đảo chiều quay và có các cấp tốc độ khác nhau với công suất nhỏ 0,75 kw, so sánh ưu nhược điểm của các bộ chỉnh lưu hai nữa chu kỳ với biến áp trung tính và sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha nên ta chọn sơ đồ nối dây của bộ biến đổi là sơ đồ chỉnh lưu cầu có điều khiển một pha Sơ đồ động lực Hình 2.7. Sơ đồ mạch động lực Diốt D0 có tác dụng : giảm độ nhấp nhô của điện áp và dòng điện tải; tăng hiệu suất của bộ chỉnh lưu; không cho phép chế độ nghịch lưu phụ thuộc. Tính chọn các thiết bị mạch lực Sơ đồ nguyên lý mạch lực : Các thông số của động cơ một chiều quay chi tiết : Pđm= 0,75 kW, nđm= 2500 (v/p), Id = Iđm = = = 4,01 ( A ) Điện trở mạch phần ứng động cơ được tính gần đúng như sau : (W) Điện cảm mạch phần ứng động cơ được xác định theo công thức Umanxki – Lindvit : (H) = 2,6 (mH) γ = 0,25 là hệ số lấy cho động cơ có cuộn bù; p = 2 là số cặp cực a. Tính chọn máy biến áp : Tra bảng 2-1 trang 81 sách ĐTCS Võ Minh Chính ,, Công suất biểu kiến của máy biến áp : Số vòng dây của cuộn sơ cấp : Trong đó : , tiết diện trụ của lõi thép biến áp; - hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, chọn KQ = 6 (máy biến áp khô). (thường chọn trong khoảng 1-1,8 T tùy thuộc chất lượng tôn), với thép cán nguội chọn B = 1,5T. (vòng) Mặt khác: suy ra (vòng) Sử dụng máy biến áp có kết cấu lõi thép. Ta có: ,,,, Chọn trụ chữ nhật với các kích thước : Mô hình lõi thép: Hình 2.8: Sơ đồ kết cấu lõi thép máy biến áp Suy ra : Chọn : ; (mm2); Chọn : d2 = 1,56mm, d2cd = 1,645 mm d1 = 1,6 mm, d1cd = 1,685 mm Chọn chiều dày cách điện Tính số vòng dây của cuộn sơ cấp trên mỗi lớp : (vòng/lớp) Số lớp cần quấn ở cuộn dây sơ cấp : (lớp) Bề dày cuộn dây sơ cấp : Tính số vòng dây của cuộn thứ cấp trên mỗi lớp : (vòng/lớp) Số lớp cần quấn ở cuộn dây thứ cấp : (lớp) Bề dày cuộn dây thứ cấp : Tổng bề dày các cuộn dây : B = Bs + BT +…+ cdt + cdn + cd12 Trong đó : cdt, cdn – bề dày ccsh điện trong cùng và ngoài cùng. cd12 – khoảng cách cách điện giữa các cuộn dây. B = 9,5 +8,9 +1 +1 +1 = 21,4 mm < c =23mm. Vậy kết cấu của lõi hép máy biến áp ta chọn là phù hợp với điện áp ra là: . b. Tính chọn Tiristor Điện áp ngược lớn nhất đặt lên Tiristor : Điện áp ngược Tiristor cần chọn : Unv = kdtUUn = 1,6 . 345 = 552 (v) Dòng điện qua Tiristor : Với khd - hệ số xác định dòng điện hiệu dụng (CL cầu 1 pha ĐKĐX chọn khd =) Cần chọn Tiristor có : IđmT = ki IT = 1,2.2,84 = 3,408 (A) Ta chọn hệ số dự trữ điện áp và dòng điện kdtU = 1,6 ; ki = 1,2 Từ các thông số Unv, IđmT ta chọn loại Tiristor TLS106-6 với các thông số : Ký hiệu Tiristor Un (v) Iđm (A) Ipik (A) Ig (µA) Ug (v) Ih (A) Ir (A) ∆U (v) dU/dt v/s tcm (µs) Tmax (°C) TLS106-6 600 4 35 200 1 5m 300 1,9 10 40 110 Trong đó : Un – Điện áp ngược cực đại; Ir – Dòng điện rò. Iđm – Dòng điện làm việc cực đại; ∆U- Sụt áp trên Tiristor ở trạng thái dẫn. Ipik – Dòng điện đỉnh cực đại; dU/dt – Đạo hàm điện áp. Ig - Dòng điện xung điều khiển; tcm - Thời gian chuyển mạch. Ug – Điện áp xung điều khiển; Tmax – Nhiệt độ làm việc cực đại. Ih - Dòng điện tự giữ. c. Tính chọn các thiết bị bảo vệ Các tiristor là các linh kiện bán dẫn công suất lớn nên cần được bảo vệ tốt khi chúng làm việc trong mạch điện, chống các sự cố bất ngờ. Đối với các hệ thống dùng tiristor có 2 loại bảo vệ: - Bảo vệ các tiristor khỏi bị hỏng. Đó là các bảo vệ khỏi quá tải, ngắn mạch khỏi quá áp và độ tăng trưởng dòng quá mức. - Bảo vệ hệ tiristor không bị ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài cũng như không gây nhiễu cho các hệ thống khác. Đó là các bảo vệ khỏi độ tăng trưởng điện áp quá mức và chống nhiễu cho radio. d. Bảo vệ quá điện áp : Do quá trình đóng cắt các Tiristor được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với Tiristor. Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược, gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anot và catot của Tiristor. Mạch R – C thường được dùng để bảo vệ quá điện áp nhờ quá trình nạp tụ C. Mạch R – C mắc song song với tiristor để chống quá áp khi dịch chuyển.(Theo tài liệu trang bị điện điện tử công ngiệp trang 189 Vũ Quang Hồi). Hình 2.9. Sơ đồ bảo vệ quá điện áp Ta có thể chọn gần đúng giá trị : R = (5 - 30)W; C = (0,25- 4)mF Chọn :R1 = 5 (W); C1 = 0,25mF Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện ta mắc R-C như hình 15, nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung nằm hoàn toàn trên điện trở đường dây. Hình 2.10 : Mạch R-C bảo vệ điện áp từ lưới Tính chọn Diot đệm : (Thoả mãn điều kiện) Ta chọn Diot B – 10 Liên Xô cũ chế tạo. d. Tính chọn cuộn kháng lọc Chọn góc mở cực tiểu amin = 100. Với góc amin là dự trữ để có thể bù được sự giảm điện áp lưới. Khi góc mở nhỏ nhất a = amin thì điện áp trên tải lớn nhất : Udmax = Ud0.cosamin và tương ứng tốc độ động cơ sẽ lớn nhất nmax = nđm. Khi góc mở lớn nhất a = amax thì điện áp trên tải là nhỏ nhất : Ud min = Ud0.cosamax và tương ứng tốc độ động cơ sẽ nhỏ nhất nmin. Ta có : αmax = arccos Trong đó Udmin được tính như sau: RưS = Rư + RBA = 4,11 + 1,62 =5,73 (W) Điện trở của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 750C : R1 = ρ. = 0,02133 . = 0,65 ( Ω ) Với : r75 = 0,02133 (W.mm2/m). Điện trở cuộn thứ cấp máy biến áp ở 750C : R2 = ρ. = 0,02133 . = 0,82 ( Ω ) Điện trở của máy biến áp qui đổi về thứ cấp : Rư = 0,5.(1 – η ). = = 0,5.0,15 . = 4,11 ( Ω ) Do đó : αmax = arccos = arccos = 82,310 Theo ĐTCS (Võ Minh Chính) Tr 118 ta có: Đảm bảo thoả mãn hệ số đập mạch ra chọn Theo giả thiết : Với : Chương III : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỞ VAN I. Nguyên lý thiết kế mạch điều khiển Điều khiển tiristor trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. Nội dung của phương pháp này có thể mô tả theo sơ đồ hình 3.1 như sau. Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào anod của tiristor, để có thể điều khiển được góc mở α của tiristor trong vùng điện áp + anod, ta cần tạo một điện áp tựa tam giác, ta thường gọi điện áp tựa là điện áp răng cưa URC. Như vậy điện áp tựa cần có trong vùng điện áp dương anod. Dùng điện áp một chiều UĐK so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm ( t1, t4 ) điện áp tựa bằng điện áp điều khiển bằng nhau ( URC = UĐK ), trong vùng điện áp dương anod thì phát xung điều khiển Xđk. Tiristor được mở từ thời điểm có xung điều khiển ( t1, t4 ) cho tới cuối bán chu kỳ ( hoặc cho tới khi dòng điện bằng 0 ) Hình 3.1 : Nguyên lý điều khiển chỉnh lưu 1. Yêu cầu của mạch phát xung điều khiển. Tạo ra các xung vào ở những thời điểm mong muốn để mở các van động lực của bộ chỉnh lưu. Tiristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dương đặt trên Anốt và có xung áp dương đặt vào cực điều khiển không còn tác dụng. Chức năng của mạch điều khiển : - Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên anot – catot của tiristor. - Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở tiristor, xung điều khiển thường có biên độ từ 2 – 10 V, độ rộng xung tx = 20 – 100 (ms). Biểu thức độ rộng xung: Trong đó: Iđt là dòng duy trì của tiristor. di/dt : tốc độ tăng trưởng của dòng tải. Đối tượng cần điều khiển được đặc trưng bởi đại lượng điều khiển là góc a. 2. Cấu trúc mạch điều khiển theo pha đứng. Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển Khối 1: là khối đồng bộ hoá và phát xung răng cưa, khối này có nhiệm vụ lấy tín hiệu đồng bộ và phát ra điện áp hình răng cưa. Khối 2: là khối so sánh, có nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu điện áp Urc và Uđk để phát ra xung điện áp đưa tới mạch phát xung. Khối 3 : là khối tạo xung có nhiệm vụ tạo ra xung điều khiển đưa tới các cực điều khiển tiristor. U : là điện áp lưới xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu. Urc : Điện áp tựa thường có dạng hình răng cưa lấy từ đầu ra khối ĐBH&PXRC. Uđk: Điện áp điều khiển, đây là điện áp một chiều được đưa từ ngoài vào dùng để điều khiển giá trị góc a. UđkT : Điện áp điều khiển tiristor là chuỗi xung điều khiển lấy từ đầu ra hệ thống điều khiển (cũng là đầu ra của khâu truyền xung) và được truyền đến điện cực điều khiển G và K của tiristor. 3. Nguyên lý làm việc. Điện áp cấp cho mạch động lực BBĐ được đưa đến mạch đồng bộ hoá và phát xung răng cưa của khối 1. Đầu ra của mạch đồng bộ hoá có điện áp hình sin cùng tần số với điện áp nguồn cung cấp và được gọi là điện áp đồng bộ. Điện áp đồng bộ được đưa vào mạch phát xung răng cưa để tạo ra điện áp răng cưa cùng tần số với điện áp cung cấp. Điện áp răng cưa và điện áp điều khiển ( thay đổi được trị số ) đưa vào mạch so sánh sao cho cực tính của chúng ngược nhau. Tại thời điểm trị số hai điện áp này bằng nhau thì đầu ra của mạch so sánh thay đổi trạng thái, xuất hiện xung điện áp. Nhu vậy xung điện áp có tần số xuất hiện bằng với tần số xung răng cưa, bằng tần số nguồn cung cấp. Thay đổi trị số nguồn điều khiển sẽ làm thay đổi thời điểm xuất hiện xung ra của mạch so sánh, xung này được đưa đến cực điều khiển Tristor để mở van. Do xung đầu ra của mạch so sánh không đủ độ rộng và biên độ mở van, vì vậy phải sử dụng thêm mạch khuyếch đại và truyền xung. Nhờ đó mà các xung ra của mạch này đủ điều khiển mở chắc chắn các Tristor. II. Thiết kế mạch phát xung điều khiển 1. Mạch đồng bộ hoá và phát xung răng cưa. Nhiệm vụ: Tạo ra 1 hệ thống các xung có dạng răng cưa tuyến tính xuất hiện lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ nguồn xoay chiều cấp cho sơ đồ chỉnh lưu. Khâu đồng bộ hoá: Để tạo ra điện áp đồng bộ với điện áp xoay chiều cấp cho mạch chỉnh lưu. Ta có thể sử dụng các mạch phân áp bằng điện trở hay kết hợp giữa điện trở và điện dung, điện cảm. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là không cách ly được điện áp cao giữa mạch điều khiển và mạch động lực, do vậy ít được sử dụng. Phương pháp phổ biến hiện nay là sử dụng biến áp đồng bộ trong đó cuộn sơ cấp được nối vào lưới còn thứ cấp là điện áp đồng bộ. Khâu phát xung răng cưa : Để tạo ra một hệ thống các xung xuất hiện lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và điều khiển được thời điểm xuất hiện xung trong mỗi chu kỳ, ta phải sử dụng các mạch phát xung phát ra điện áp dạng răng cưa. Đó là mạch đồng bộ hoá và phát xung răng cưa. Có rất nhiều loại mạch điện để tạo ra xung răng cưa nhưng trong trường hợp này chọn khâu đồng bộ hoá sau : Thiết bị của mạch gồm : - BAĐ là máy biến áp đồng bộ xoay chiều một pha gồm một cuộn dây pha sơ cấp và hai cuộn dây pha thứ cấp có cực tính ngược nhau. Để lấy tín hiệu đồng bộ và hai cuộn dây pha thứ cấp còn lại độc lập với hai cuộn dây trên dùng để cung cấp điện áp nguồn nuôi cho mạch điều khiển. - Trên mạch ra của cuộn dây thứ cấp lấy tín hiệu đồng bộ có các phần tử là mạch tạo điện áp răng cưa, trong đó : + Mạch gồm Tr1, ĐZ, R4, R1, R2, biến trở R3, C1 + IC thuật toán A1, A2. Hình 3.3 : Khâu đồng bộ hóa phát xung răng cưa Nguyên lý làm việc của khâu đồng bộ hóa và phát xung răng cưa : Điện áp vào đầu sơ cấp máy biến áp có dạng hình sin trùng pha với điện áp anot của tiristor qua khếch đại thuật toán A1 tạo xung chữ nhật đối xứng Ub, phần dương của điện áp chữ nhật qua Đz tới A2 tích phân thành điện áp tựa Urc. Còn phần âm của xung điện áp làm tranzitor mở nên A2 bị ngắn mạch, điện áp Urc = 0, trong vùng điện áp Ub âm . trên đầu ra của A2 chúng ta có chuỗi điện áp Urc gián đoạn. 2.Khâu so sánh. Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp Urc và điện áp Udk, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Urc = Udk ). Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại. Việc so sánh ta chọn dùng khuếch đại thuật toán vì KĐTT có hệ số khuếch đại vô cùng lớn, chỉ cần một tín hiệu nhỏ ở đầu vào, đầu ra có tín hiệu điện áp nguồn nuôi, nên chọn KĐTT là hợp lý. Hình 3.4 :Sơ đồ khâu so sánh + Thiết bị của mạch gồm : - IC1 là IC khuyếch đại thuật toán có nhiệm vụ khuyếch đại và so sánh tín hiệu URC và Uđk. URC là điện áp răng ca có chu kỳ theo điện áp thuận đặt lên các van ở mạch động lực, còn Uđk là điện áp điều khiển. - Điện trở R1, R2. + Nguyên lý làm việc : Các điện áp răng cưa URC và điện áp điều khiển Uđk được đưa vào mạch so sánh với cực tính khác nhau. Cụ thể trên sơ đồ ta có URC > 0 còn Uđk < 0 , IC thuật toán làm nhiệm vụ so sánh và tại thời điểm thì đầu ra khối so sánh Ura sẻ thay đổi trạng thái cụ thể : Khi : Ura < 0 < 900 : Ura > 0 > 900 : Ura đổi chiều. Như vậy điện áp của khâu so sánh là dạng xung có 2 mức bão hào dương và bão hoà âm .các xung điện áp này được đưa tới đầu vào khâu tạo xung Quá trình này được mô tả trên giản đồ điện áp của mạch điều khiển. ωt П 2П ωt Hình 3.5 :Giản đồ điện áp 3 . Khâu tạo xung. Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở tiristo. Xung mở tiristo có yêu cầu : sườn dốc thẳng đứng, để đản bảo yêu cầu tiristo mở tức thời khi có xung điều khiển thì độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của tirsito, đủ công suất, cách ly mạch lực và mạch điều khiển. Trong thực tế xung điều khiển chỉ có độ rộng xung bé, mà thời gian mở thông tranzitor công suất dài, làm cho công suất cách tản nhiệt dư tranzito lớn, kích thước dây quấn sơ cấp máy biến áp xung lớn. Để giăm nhỏ công suất tỏa nhiệt tranzitor, kích thước dây quấn sơ cấp BAX ta có thể dùng thêm tụ nối tầng. Theo sơ đồ này, Tr chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ, nên dòng hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần. Đối với chỉnh lưu cầu một pha việc điều kiển đồng thời hai van T1, T3 và T2, T4 có thể thực hiện bằng nhiều cách, một trong những cách đơn giản là sử dụng biến áp xung có hai cuộn thứ cấp Sơ đồ của khâu tạo xung : Hình 3.6 : khâu khuếch đại và truyền xung Đối với một số mạch, để giảm công suất cho tầng khuếch đại và tăng số lượng xung kích mở, nhằm đản bảo tiristo mở một cách chắc chắn Để đảm bảo yêu cầu về độ chính xác của thời điểm xuất hiện xung, sự đối xứng của xung ở các kênh khác nhau... mà người ta thiết kế cho khâu so sánh làm việc với công suất xung ra nhỏ, do đó xung ra của khâu so sánh chưa đáp ứng đủ các thông số yêu cầu của cực điều khiển Tiristor.Để có xung có đủ các thông số yêu cầu cần thiết ta phải thực hiện khuếch đại xung, thay đổi lại độ dài xung, trong một số trường hợp cần phải phân chia các xung, và cuối cùng là truyền xung ra của mạch phát xung đến cực điều khiển và katôt của Tiristor. Vì vậy mà ta phải sử dụng một số mạch điện để thực hiện các công việc đã nêu,các mạch này thường bao gồm: Mạch khuyếch đại xung Mạch sữa xung. Mạch phân chia xung. Mạch chuyển xung đến Tiristor (thường được gọi là thiết bị đầu ra). Toàn bộ các mạch này được ghép chung vào một khâu gọi là khâu tạo xung. tuỳ từng trường hợp cụ thể mà có thể có đầy đủ các phần mạch riêng để thực hiện đầy đủ các nhiệm vụ đã nêu, có trường hợp chỉ có một hoặc một số mạch nhất định nào đó * Thiết bị của mạch bao gồm : - R6, C2 có nhiệm vụ sửa xung. - Tr3, Tr4, D, BAX có nhiệm vụ khuyếch đại và truyền xung cung cấp cho cực G của Tiristor. * Nguyên lý làm việc của mạch tạo xung : - Xung truyền đến cực điều khiển Tiristor dùng máy biến áp xung BAX. Máy biến áp xung ghép giữa đầu ra của tầng khuyếch đại công suất xung với cực điều khiển G và K của Tiristor. - Khuyếch đại xung : dùng tầng khuyếch đại Đalinhtơn mạch khuyếch đại có hệ số khuyếch đại là : trong đó là hệ số khuyếch đại của Tr3 ,Tr4) Sửa xung : Khi điện áp đầu ra của khâu so sánh có giá trị dương, tụ C1 sẽ nạp (D2 khoá Tr3, Tr4 mở bởi xung dương theo đường + USS R6 - C1 Tr3 Tr4 - USS nên UC1 : UCC(+) điện áp đầu ra của khâu so sánh có giá trị âm, đi ốt D2 phân cực thuận, Tr3 và Tr4 khóa, tụ C1 phóng điện ( + C1 ) R6 USS D2 (-C1) tụ C1 phóng nhanh về 0 và nạp lại với điện áp có cực tính ngựơc lại với hằng số thời gian = R6.C1. Do đó Tr3 và Tr4 không khóa lại ngay mà dần khóa lại tùy thuộc , quá trình đó gọi là quá trình sửa xung. Xuất phát từ nguyên lý hoạt động của khâu so sánh ta thấy: Khi thấy đổi trị số điện áp điều khiển Uđk để thay đổi góc điều khiển a thì độ dài của các xung ra của khâu so sánh thay đổi Sơ đồ nguyên lý mạch phát xung điều khiển mở van Hình 3.7 : Sơ đồ mạch phát xung điều khiển III. Tính toán các thông số của mạch điều khiển Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khuếch đại ngược trở lên, công suất cho tầng khuếch đại để tính là thông số của cực điều khiển tiristor ( Uđk, Iđk ). Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristor. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển. Dòng điện điều khiển tiristor: Iđk = 0,2(A). Điện áp điều khiển tiristor: Uđk = 1 (V) Thời gian mở tiristor: tcm = 40 () Độ rộng xung điều khiển: tx = 2.tcm= 80 () Tần số xung điều khiển: fx = 3 (kHz). Độ mất đối xứng cho phép: Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U = (V). Mức sụt biên độ xung: sx = 0,15 1. Tính biến áp xung Chọn vật liệu làm lõi sắt là Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có , không có khe hở không khí. Tỷ số MBA xung thường là m = 2 – 3, ta chọn m = 3. Điện áp cuộn thứ cấp MBA xung: Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp MBA xung: Dòng điện thứ cấp MBA xung: Dòng điện sơ cấp MBA xung: Độ từ thẩm trung bình tương đối lõi thép : μtb = ΔB/μ0.ΔH = 8.103 Trong đó : μ0 = 1,25.10-6 ( H/m ) là độ từ thẩm của không khí. Thể tích lõi thép hình cầu cần có : V = Q.L = ( μtb.μ0.tx.sx.U1.I1 ).ΔB2 Thay số vào : V = 0,268.10-6 ( m3 ) = 0,268 ( cm3 ). Chọn mạch từ có thể tích V = 0,33 cm3 = 33 mm2 , với kích thước đó ta có kích thước mạch từ như sau : Hình 3.8 : hình chiếu lõi biến áp xung a = 2 mm, b = 3 mm, d = 16 mm, D = 20 mm Số vòng dây quấn sơ cấp máy biến áp xung W1 = U1.tx/ ΔB.Q = 3.80/0,3.33 = 25 vòng Số vòng dây quấn thứ cấp máy biến áp xung W2 = W1/m = 25/3 = 9 vòng Tiết diện dây quấn sơ cấp : S1 = I1/j = 0,067.10-3/6 = 0,000116 mm2 Đường kính dây quấn sơ cấp : D1 = = 0.0019 mm, chọn D1 = 0,05 mm Tiết diện dây quấn thứ cấp : S2 = I2/j = 0,2.10-3/4 = 0,05.10-3 mm2 Đường kính dây quấn thứ cấp : D2 = = 0,008 mm, chọn D2 = 0,05 mm 2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng Chọn transistor công suất loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số: + Transistor loại p-n-p vật liệu bán dẫn Si. + Điện áp giữa colecto và Bazo khi hở mạch Emito : UCB0 = 40 v + Điện áp giữa Emito và Bazo khi hở mạch colecto : UEB0 = 4 v + Dòng điện lớn nhất ở colecto có thể chịu dựng : Icmax = 500 mA + Công suất tiêu tán trên colecto : Pc = 1,7 W + Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : T1= 170c + Hệ số khuếch đại : β = 50 + Dòng điện làm việc của colecto : I = 33,3 mA + Dòng điện làm việc của Bazo : I = 0,66 A Chọn nguồn cung cấp cho biến áp xung là E = +12 ( V ). Tất cả các Điôt trong mạch điều khiển dều dùng loại 1N4009 có tham số sau : + Dòng điện định mức : Iđm = 10 ( A ). + Điện áp ngược trên van lớn nhất : Ung = 25 ( v ). + Điện áp để cho điôt thông mở : U = 1 ( v). 3. Tính chọn tầng so sánh Chọn khuếch đại thuật toán được chọn là loại TL 084 có thông số kỷ thuật như sau : + Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ± 18 ( V ) chọn Vcc = ± 12 ( V ) + Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : ± 30 ( V ). + Nhiệt độ làm việc : T = -250c ÷ 850c. + Công suất tiêu thụ : P = 0,68 ( W ) + Tổng trở vào : R = 106 ( MΩ ) + Dòng điện ra : I = 30 ( PA ) + Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : du/dt = 13 ( V/μs ) 4. Chọn khâu đồng pha Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C, mặt khác để bảo đảm điện áp trên tụ có trong một nữa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian nạp tụ được Tr = R3.C1 = 0,005 ( S ). Chọn tụ C1 = 0,1 ( μF ), thì điện trở R3 = Tr/C1 = 5.103 ( Ω ) = 5 ( KΩ ). Chọn tranzito TR1 là loại A564 có thông số : + Transistor loại p-n-p vật liệu bán dẫn Si. + Điện áp giữa colecto và Bazo khi hở mạch Emito : UCB0 = 25 v + Điện áp giữa Emito và Bazo khi hở mạch colecto : UEB0 = 7 v + Dòng điện lớn nhất ở colecto có thể chịu dựng : Icmax = 100 mA + Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : T1= 1500c + Hệ số khuếch đại : β = 250 + Dòng điện làm việc của Bazo : I = 0,4 A Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào bazo của tranzito được chọn như sau : R2 thỏa mạn điều kiện : R2 ≥ Ung/iB = 12/0,4.103 = 30 ( KΩ ). Chọn R2 = 30 ( KΩ ) Chọn điện áp xoay chiều đồng pha : U = 9 V. Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật toán A1, thường chọn R1 sao cho dòng vào khuếch đại thuật toán Iv < 1 mA. Do đó R1 > U/Iv = 9/1.10-3 = 9 ( KΩ ). Chọn R1 = 10 ( KΩ ). 5. Tính chọn máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha Ta thiết kế máy biến áp dùng cho cho cả việc tạo điện áp nguồn nuôi, tạo điện áp đồng pha và tạo điện áp chủ đạo Ta cần tạo ra nguồn điện áp ±12 (V ) để cấp cho biến áp xung, nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Ta dùng mạch chỉnh lưu cầu một pha dùng điốt điện áp thứ cấp máy biến áp và kết hợp với các IC7812 và IC7912 để tạo điện áp nguồn nuôi và điện áp chủ đạo được lấy trên biến trở. Chọn máy biến một pha 5 cuộn dây, một cuộn sơ cấp , 4 cuộn thứ cấp ( hình 3.9 ) Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng hai vi mạch ổn áp 7812 và 7912, các thông số chung của hai vi mạch này : Điện áp đầu vào : 7 ÷ 35 ( V ) Điện áp ra : + 12 V với 7812, -12 V với 7912 Dòng điện đầu ra : 0 ÷ 1 ( A ) Tụ điện để lọc sóng hài bậc cao, chọn C = 470 μF, u = 35 ( V ) Hình 3.9 : Sơ đồ nguyên lý nguồn nuôi là đồng pha Chọn điện áp vào IC 7812 và IC 7912 là ±14 (V) U2 = = 15,55 ( V ) Chọn điện áp nguồn nuôi là U = 18 ( V ) Công suất cấp cho nguồn nuôi : Tải 2 bộ IC7812 và IC7912 và 4 Transitor loại 2SC9111 P = 1,7(w); 2IC loại TL084 ; 2 máy biến áp xung P1 = 4.1,7 + 2.0,68 + 2.0,3 = 8,76 ( W ) Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha I = 1 mA Công suất cấp cho mạch tạo điện áp đồng bộ : Pđb = 2.9.10-3 = 0,018 ( W ) Vậy: P = P1 + Pđb = 8,76 + 0,018 = 8,78 ( W ) Công suất của máy biến áp : S = 1,23.P = 1,23.8,78 = 10,8 ( VA ) Chọn mạch từ ba trụ, tiết diện mỗi trụ được tính theo công thức kinh nghiệm : Q = k. = 6. = 2,78 cm3 Trong các trụ chọn từ cảm : Bm = 1,1 tesla Số vòng dây quấn sơ cấp : W1 = = = 3564 ( vòng ) Số vòng dây quấn thứ cấp : W1 = W2 = 3564.9/220 = 145 ( vòng ) W3 = W4 = 3564.9/220 = 145 ( vòng ) 6. Thiết kế mạch vòng tự động ổn dịnh tốc độ và hạn chế dòng điện. Yêu cầu. Trong truyền động điện có rất nhiều loại tải cần ổn định các thông số đầu ra để đảm bảo chất lượng sản suất như ổn định tốc độ, mômen, dòng điện, điện áp đầu ra… Đối với các loại máy gia công kim loại trong đó có máy mài mà ta đang thiết kế thì vấn đề đảm bảo chất lượng khi gia công chi tiết là hết sức quan trọng. Với máy mài, để đảm bảo yêu cầu của chi tiết cần gia công thì trong quá trình gia công chi tiết cần có mômen cắt gọt luôn luôn không đổi. Để đảm bảo điều đó thì tốc độ của động cơ phải được giữ không đổi trong quá trình gia công, tức là cần ổn định tốc độ vì trong quá trình làm gia công đó dòng điện không đổi. Mặt khác, độ ổn định tốc độ còn liên quan đến dải điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải của hệ truyền động. Độ ổn định tốc độ càng cao thì dải điều chỉnh càng có khả năng mở rộng và dải điều chỉnh càng lớn. Với những lý do trên thì hệ truyền động cho máy mài thường yêu cầu độ ổn định tốc độ cao. Khi điều chỉnh dưới tốc độ cơ bản thì độ cứng của đặc tính cơ giảm xuống làm sai số tốc độ tăng lên vượt quá giá trị cho phép do đó yêu cầu quan trọng khi thiết kế hệ thống là tìm những phương án ổn định hóa tốc độ. Biện pháp chủ yếu dùng để ổn định hóa tốc độ là làm tăng độ cứng của đặc tính cơ, muốn vậy thông số điều chỉnh phải thay đổi tự động khi có sự thay đổi của tải sao cho có khả năng bù trừ lượng sụt tốc do tải gây ra. Để đạt được yêu cầu đó ta sử dụng mạch vòng phản hồi hồi tiếp tốc độ để thiết lập hệ tự động vòng kín. Mục đích của phải hồi tốc độ là làm tăng độ cứng của đặc tính cơ, nhưng đồng thời nó lại làm tăng giá trị dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch, kết quả là gây nguy hiểm cho động cơ khi bị quá tải lớn và gây hỏng hóc cho các cơ cấu truyền lực bởi gia tốc quá lớn khi khởi động và hãm. Để giải quyết mâu thuẫn giữa yêu cầu về ổn định tốc độ và yêu cầu về giới hạn dòng điện ta thường dùng phương pháp phân vùng tác dụng để tạo đặc tính máy xúc. Vùng 2 Vùng 1 w w0 wng 0 Iđm Ing Ikđ Iư Hình 3.10 Đặc tính máy xúc Đặc tính được phân làm hai vùng: Vùng 1: là vùng làm việc chỉ có phản hồi tốc độ Vùng 2: là vùng hạn chế dòng điện trong quá trình hãm và khởi động, vùng này có cả phản hồi tốc độ và phản hồi dòng điện. b. Tính chọn các khâu phản hồi Ổn định hóa tốc độ trong truyền động máy mài có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện các chỉ tiêu chất lượng hệ truyền động. Biện pháp để ổn điịnh tốc độ làm việc là tăng độ cứng đặc tính cơ bằng điều khiển theo mạch vòng kín Khâu tổng hợp mạch vòng âm tôc độ Hình 3.11. Sơ đồ khâu tổng hợp mạch vòng âm tốc độ Tín hiệu phản hồi âm tốc độ được cấp từ máy phát tốc (FT :máy phát điện một chiều có nam châm vĩnh cửu ) điện áp của nó luôn tỷ lệ tuyến tính với tốc độ cơ. So sánh giá trị đặt đầu với mức phản hồi cho tín hiệu sai lệch để ổn định tốc độ đặt của động cơ Trong đó : A5 :Khâu tổng hợp và khuyếch đại.(KCO) Tính hiệu phản hồi âm tốc được tổng hợp với tín hiệu chủ đạo thông qua khuếch đại thuật toán cho tín hiệu ra đư đến tổng hợp với khâu phản hồi âm dòng có ngắt Chọn máy phát tốc một chiều có các thông số sau: Chọn máy phát tốc TM-100-1000 có: Mã hiệu Pđm(W) Uđm(V) Iđm(A) nđm(v/ph) Rưå(Ω) 32/1YU 115 230 0,5 2500 7,34 Hệ số của máy phát tốc: = 0,093 Do điện áp ra của khuếch đại thuật toán Ur Ecc= 12V nên ta điều chỉnh biến trở Rs1 sao cho Uw 12 V. vậy g = ≤ = 0,0048; vậy chọn g = 0,0048 Khâu phản hồi âm dòng có ngắt Do khi sử dụng phẩn hồi âm tốc để ổn định tốc độ đối với chỉnh lưu tiristo thì vấn đề khi tốc độ động cơ biến thiên ngay lập tức gây nên sự tăng giảm quá mức của dòng điện phần ứng và của tiristor à không thể chấp nhận được. Do đó cần phản hạn chế dòng điện một cách tự động, ta dùng khâu phản hồi âm dòng có ngắt Trong sơ đồ : A6, A7 là các bộ khuyếch đại thuật toán. tín hiệu phản hồi dòng được lấy trên điện trở điều chỉnh R thông qua bộ biến dòng, tín hiệu phản hồi được lấy từ bộ chỉnh lưu cầu 1 pha .Sau đó vào đầu vào A7 để so sánh với Udk bởi điot D10 Khâu ngắt có tác dụng khi có quá dòng phần ứng tăng quá dòng ngắt khâu ngắt tác dụng để hạn chế dòng điện Hình 3.12 : Sơ đồ khâu phản hồi âm dòng có ngắt Chọn loại biến dòng loại 50:5 , cấp chính xác 0,5 Hệ số của biến dòng: PI = = 0,1 Chọn nguồn tạo điện áp ngắt dòng: Dòng điện cần hạn chế của động cơ được chọn theo yêu cầu khởi động với tải cụ thể. Vậy ta chọn dòng điện ngắt của đặc tính với động cơ một chiều là: Ing = 1,5.Iđm = 1,5.4,01 = 6,2 (A) Điện áp ngắt: Ung = 0,1.Ing = 0,1.6,2 = 0,62 (V). Muốn giới hạn được dòng điện Igh = 1,5.Iđm ta cần chọn nguồn cấp -E sao cho ta khống chế Ung có điện áp là 6,5 V. Điện áp phản hồi dòng điện đưa vào A6 là đầu ra A7 sau khi khuếch đại, trong quá trình khởi động thì đầu ra A7 rơi vào vùng bão hòa nên có điện áp xấp xỉ bằng điện áp nguồn cấp cho A4 là Ubh Ucc = 12V. vậy ta có: = = 1,49 7.Tính hệ số khuếch đại của bộ biến đổi Kp : Để tính hệ số khuếch đại của bộ biến đổi (Kp) ta xây dựng đặc tính biểu diễn quan hệ Ud = f(Uđk) sau đó tuyến tính hoá đặc tính này ra đặc tính hệ số góc của đoạn đặc tính đó. Hệ số của đoạn đặc tính cơ là hệ số khuếch đại của bộ biến đổi Kp = tgj = Quan hệ Ud = f(Uđk) xuất phát từ hai quan hệ: Ud = f(a) và a = f(Uđk) * Xây dựng quan hệ Ud = f(a): Coi hệ thống làm việc ở chế độ dòng điện liên tục: Ud = 0,9Ud0.cosa Trong đó: Ud0 = 244 (V) là điện áp chỉnh lưu không tải của bộ biến đổi a là góc điều khiển. Cho a biến thiên từ a = (0 ¸ p/2) ta được các trị số Ud lập thành bảng sau: a 0 p/12 p/6 p/4 p/3 p/2 Ud (V) 219,6 212,1 190,17 155,2 109,8 0 * Xây dựng quan hệ a = f(Uđk) Khi thay đổi giá trị điện áp điều khiển (Uđk) thì giá trị góc điều khiển a cũng thay đổi theo. Ứng với mỗi (Uđk) khác nhau ta nhận được các giá trị của a. Căn cứ vào đồ thị của Uđk và điện áp tựa Urc, ta thấy góc a biến đổi theo Uđk với quy luật sau: a = . Mặt khác với vi mạch khuếch đại thuật toán thì tín hiệu là Urcmax = ± 14 (V) nên biên độ cực đại của Urc là Urcmax = 14 (V). Song khi thực hiện so sánh thì Urc được dịch đi sao cho Urc = 0 khi a = p/2, nghĩa là ta chỉ sử dụng nửa biên độ cực đại của Urc Þ Uđk = Cho a biến thiên từ a = (0 ¸ p/2) ta được các trị số Uđk lập thành bảng : a 0 p/12 p/6 p/4 p/3 p/2 Uđk (V) 7 5,83 4,7 3,5 2,33 0 Þ Quan hệ Ud = f(Uđk): Ud 219,4 212,1 190,7 155,2 109,8 0 Uđk (V) 7 5,83 4,7 3,5 2,33 0 Tuyến tính hoá đọan đặc tính AB, ta tính được hệ số khuếch đại của bộ biến đổi như sau. Hệ số khuếch đại trung gian. Hệ số khuếch đại của động cơ. Ta có : Kp = 31,34; g = 0,0048; Iư = 4,01 (A); RS = 5,73 (W); KD = 12,5; St £ 5% chọn St = 4%; D = 30; nđm = 2500 (v/p) thay vào công thức ta được: Tính hệ số khuếch đại trung gian kTG: ta có K = KTG.Kp.KD Þ KTG = K/ Kp .KD Chương IV: XÂY DỰNG VÀ THUYẾT MINH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ TRUYỀN ĐỘNG I. Xây dựng sơ đồ nguyên lý hệ truyền động 1. Giới thiệu sơ đồ: Hệ truyền động van động cơ đã thỏa mãn yêu cầu sau: + Điều chỉnh tốc độ về cấp. + Tự động ổn định tốc độ, và tụ động hạn chế phụ tải có cưỡng bức. Hệ gồm hai mạch chính: Mạch động lực: Bao gồm: + Aptomat AP dùng để đống cắt nguồn điện, bảo vệ ngắn mạch cho mạch động lực. + Máy biến áp động lực BA. Làm nhiệm vụ cung cấp điện áp phù hợp cho chỉnh lưu đồng thời đảm bảo cách ly giữa mạch động lực và lưới điện để an toàn cho vận hành và sửa chữa. + Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha gồm 4 tiristor nhận năng lượng từ máy biến ápvà chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành một chiều cung cấp cho động cơ. + Các R-C bảo vệ quá áp cho tiristor. + Máy phát tốc: để láy tín hiệu phản hồi tốc độ cho mạch khuếch đại trung gian phục vụ quá trình duy trì và ổn định tốc độ động cơ. + Động cơ một chiều Đ : động cơ một chiều kích từ độc lập dùng để quay chi tiết mài + Mạch hãm (Rh) dùng để hãm động năng. Mạch điều khiển: Bao gồm: + Mạch khuếch đại trung gian: Làm nhiệm tổng hợp và khuếch đại mạch điều khiển làm tăng độ nhạy, độ ổn định, độ rộng phạm vi điều chỉnhcủa hệ thống ( thay đổi Uđk và thay đổi Udc => thay đổi góc mởα ). Đầu vào tổng hợp tín hiệu là tín hiệu chủ đạo và tín hiệu phản hồi âm tốc độ láy từ máy phát tốc, mạch tổng hợp tín hiệu và khuếch đại trung gian sử dụng IC khuếch đại thuật toán và tiristor. + Mạch tạo sóng răng cưa: Là mạch so sánh tín hiệu điện áp răng cưa và tín hiệu điện áp điều khiển mạch bao gồm các tiristor, tụ và các điện trở. + Mạch so sánh: tín hiệu răng cưa và tín hiệu điều khiển được đưa vào mạch so sánh nhằm tạo ra thời điểm phát xung, mạch sử dụng IC khuếch đậi thuật toán. + Mạch sửa xung và khếch đại xung: Tạo ra xung điều khiển tiristor. Máy biến áp đồng bộ tạo ra tín hiệu đồng bộ cung cấp cho các khuếch đại điều khiển, Mạch sử dụng IC khuếch đại thuật toán, tụ tranzito và các điện trở. + Mạch nguồn: Sử dụng các IC ổn áp một chiều (+12V & -12V) cung cấp cho mạch điều khiển các tụ lọc tín hiệu xoay chiều và sóng hài. Mạch phản hồi + Mạch phần hồi âm tốc độ : ổn định tốc độ quay của hệ thống + Mạch phản hồi âm dòng có ngắt : hạn chế đòng điện phần ứng vượt quá trị số cho phép 2. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống. Hệ truyền động điều chỉnh tự động truyền động điện động cơ quay chi tiết mài có sơ đồ nguyên lý được trình bày ở hình 4.1 gồm : Động cơ truyền động quay chi tiết mài, thiết bị biến đổi - chỉnh lưu cầu một pha, thiết bị đo lường, các bộ điều chỉnh ( được gọi là phần tử điều khiển ). Tín hiệu điều khiển khiển hệ thống gọi là tín hiệu đặt THD. Động cơ một chiều kích từ độc lập được cấp năng lượng từ bộ biến đổi chỉnh lưu cầu một pha. Bộ biến đổi có chức năng biến đổi năng lượng điện thích ứng với động cơ truyền động và mang thông tin điều khiển các tham số đầu ra của bộ biến đổi ( như điện áp, dòng điện…), Tín hiệu điều khiển lấy từ các bộ điều khiển, các bộ điều chỉnh này nhận tín hiệu sai lệch về trạng thái làm việc của hệ truyền động thông qua so sánh tín hiệu đặt và tín hiệu đo lường các đại lượng truyền động. Để bảo đảm chất lượng hệ thống ta sử dụng các mạch vòng điều chỉnh tôc độ và dòng điện. Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động II. Nguyên lý làm việc của hệ thống: Nguyên lý khởi động: Muốn khởi động ta dặt Ucd và đóng hệ thống vào lưới điện thông qua Aptomat AP và công tắc tơ K Khi đó đầu vào bộ khuếch đại Uv = Ucd , có giá trị lớn nhất làm cho hệ thống khuếch đại bão hòa vì vậy Ura = Udk, có trị số lớn nhất làm cho sức điện động bộ biến đổi Ebbđ, điện áp Uư có giá trị lớn vì vậy dòng Id = có giá trị lớn nhất ( Iư = Id) Khi đó dòng Id >>Ic nên > 0tốc độ động cơ bắt đầu tăng do quán tính của động cơ, mức tăng của tốc độ quay không thể rất nhanh, cho nên trị số chênh lệch điện áp đầu vào của bộ điều chỉnh tốc độ là khá lớn -> đầu ra của nó nhanh đạt đến giá trị biên dòng điện cưỡng bức nhanh chóng tăng. Lúc Id = Im thì do tác dụng của bộ điều chỉnh dòng điện làm cho Id không thể tiếp tục tăng mạnh. Trong giai đoạn này bộ điều chỉnh tôc độ trạng thái không bão hòa đã nhanh chóng bão hòa, còn bộ điều chỉnh dòng điện không bão hòa để bảo đảm tác dụng điều chỉnh dòng điện. Iư = Quá trình cứ tiếp diễn tốc độ tăng thì dòng lại giảm nên đặc tình hở đến khi tốc độ đạt giá trị nào đó (mà Uv = Ucd – r.n động cơ có tốc độ không đổi làm việc ổn định quá trình khởi động kết thúc. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ. - Tăng tốc: Muốn tăng tốc ta tăng Ucd khi đó tốc độ chưa tăng kịp, vì vậy Uv = Ucd - ‏ﻻn sẽ tăng. - Nếu Uv tăng ( Uvph thì phản hồi âm tốc độ vẫn tham gia và khi Uv tăng làm cho Uđk tăng và Ebbđ tăng. Vì vậy Iư sẽ tăng do đó Iư – Ic >0 => => động cơ chuyển sang làm việc có điểm Iư lớn hơn mà tốc độ chưa kịp tăng và bắt đầu n tăng từ điểm ấy, khi n tăng dòng lại giảm đến khi Iư = Ic, gia tốc hệ làm việc ổn định với tốc độ mới cao hơn. - Nếu tăng nhiều Ucd thì Uv > Uvph => hệ chuyển sang tốc độ trên đặc tính hệ hở và khi Uv tăng thì Iư tăng, gia tốc dương , khi tốc độ tăng => Uv giảm đến khi tốc độ đặt đến giá trị Uv Uvph thì phản hồi âm tốc độ bắt đầu tham gia, hệ bắt đầu chuyển sang trạng thái khởi động trên đặc tính hệ kín, n tăng dòng giảm đến khi Iư = Ic hệ làm việc ổn định với tốc độ mới cao hơn trước nhiều. - Giảm tốc độ : muốn giảm tốc đọ giảm Ucd, nên giảm nhỏ Ucd thì Uv = Ucd - ‏ﻻn giảm, khi đó U đk giảm, góc tăng vì vậy Ebbđ giảm nên Iư = Ebbđ – Eđ giảm Trong trường hợp này ta xét với việc giảm Ucd sao cho dòng Iư không đảo dấu, khi đó Iư sẽ giảm làm cho Iư – Ic <0 nên gia tốc sẽ âm chuyển sang làm việc trên đặc tính thấp hơn nhưng đồng thời không đảo chiều và tốc độ giảm từ điểm tốc độ cố định theo đường đặc tính, khi tốc độ giảm thì dòng tăng đến khi Iư = Ic hệ làm việc ổn định ở tốc độ thấp. Khi giảm nhiều Ucd khi đó góc có giá trị lớnlàm cho Ebbđ giảm đến mức khi đó dòng Iư có xu hướng đảo chiều, nhưng bộ biến đổi chỉ cho phép dẫn dòng một chiều, cứ như vậy bộ biến đổi khóa, Iư = 0, vì vậy Mkg = Km(Iư – Ic) = Km ( 0- Ic ) . Vì vậy tốc độ sẽ giảm, quá trình này xảy ra do hãm tự dodọc theo trục tung, khi tốc độ giảm đến giá trị mà Ebbđ > Ken giảm từ dòng Tư bắt đầu tăng không theo chiều ctrên đường đặc tính ứng với Ucđ đã giảm và tốc độ làm giảm thì dòng lại tăng đến khi Iư tăng đến giá trị Iư = Ic => hệ lại làm việc ổn định với tốc độ thấp hơn rất nhiều. Nguyên lý ổn định tốc độ. Sở dĩ tốc độ động cơ được ổn định ở một tốc độ đặt nào đó vì tín hiệu điều khiển Uđk = Ucđ – γ.n Giá thiết động cơ đang làm việc ở một chế độ đặt nào đó với một điện áp Ucđ nhất định nào đó. Nếu vì một lý do nào đó tốc độ động cơ giảm xuống dẫn đến (Ucđ – γn ) tăng lên tới Uđk tăng góc mở α giảm dần xuống một giá trị nào đó dẫn đến các Tiristor mở sớm hơn nên điện áp chỉnh lưu tăng lên nên động cơ tăng tốc độ. Khi (Ucđ – γn ) giảm dẫn đến Uđk giảm góc mở α tăng nên tốc độ tăng lên nên các Tiristor mở muộn hơn do đó điện áp đặt lên phần ứng động cơ Ud giảm xuống nên tốc độ động cơ giảm xuống Vậy trong cả hai trường hợp tải tăng hay giảm nhờ khâu phản hồi âm tốc độ nên động cơ vẫn giữ được tốc độ ổn định Chương V: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG I. Đặt vấn đề Để xây dựng và thiết kế hệ thống điều chỉnh tự động cần có một mô hình mô tả chính xác đến tối đa đối tượng điều chỉnh. Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện rõ ràng các đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh. Nhằm tạo điều kiện cho việc xây dựng các thuật toán điều khiển hệ thống. II. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ thống. Đầu tiên ta đi mô tả toán học các phần tử trong hệ thống sau đó mới tiến hành xây dựng sơ đồ cấu trúc của hệ thống. Giả sử ta xét cho hệ điều tốc với mạch vòng phản hồi âm tốc độ. Các bước để mô tả: Bước 1: Dựa vào quy luật vật lý của các phần tử để viết ra phương trình vi phân mô tả trạng thái động. Bước 2: Xây dựng cấu trúc,trạng thái động của từng phần tử và cùa hệ điều tốc. Bước 3: Tìm hàm truyền của hệxét đến điều kiện ổn định. 1. Mô tả toán học chỉnh lưu điều khiển Ta có sơ đồ thay thế mạch chỉnh lưu khi van dẫn dòng như sau : Hình 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 Trong đó: là thời gian trễ. - Tia 1 pha: =10 (ms) - Tia 2 pha, cầu 1 pha: = 5 (ms) - Tia 3 pha: = 3,33 (ms) - Tia 6 pha, cầu 3 pha: = 1,67 (ms) 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 5-2: Sơ đồ cấu trúc khâu chỉnh lưu. 2. 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 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: Phương trình chuyển động của hệ: hay Trong đó: Hằng số thời gian của mạch phần ứng: Hằng số thời gian điện cơ: Cm.Φ = Φ = 0,76 Với Trong các phép tính trên sử dụng các đại lượng Kd(n), g(n) là các hệ số tính theo tốc độ 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 5-4: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều. 3. Bộ khuyếch đại tỷ lệ và máy phát tốc. Bộ khuyếch đại tỷ lệ: Wp(p)= = Kp Máy phát tốc: W(p)= = γ 4. Xây dựng sơ đồ cấu trúc Nhận xét: Ta nhận thấy đối với hệ thống hở thì sai lệch tĩnh của hệ thống lớn hơn nên không đảm bảo được yêu cầu đặt ra. Để đảm bảo điều chỉnh tốc độ tốt thì St phải nhỏ, mà điều này với hệ thống hở không thể làm được. Để đảm bảo được yêu cầu đặt ra thì ta buộc phải đưa dùng hệ thống kín có phản hồi. Vì vậy, trong nội dung đồ án này chung ta thực hiện điều khiển hệ thống bằng hệ kín có phản hồi âm tốc độ và phản hồi âm dòng nhằm thoả mãn hai yêu cầu: Chất lượng tĩnh của hệ và bảo vệ dòng điện. a.Sơ đồ cấu trúc của hệ thống khi chưa hiệu chỉnh. Ucđ w2 w4 w6 w5 w7 (-) w (-) (-) Hình 5.4: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống khi chưa hiệu chỉnh Trong đó: Ucđ là tín hiệu đặt điện áp tốc độ(điện áp chủ đạo). - Hàm truyền của mạch khuếch đại trung gian: w1 = wy = Ky/Tf.p + 1 Trong đó: Ky, Tf là hệ số khuếch đại của mạch và hằng số thời gian của các bộ phân lọc. - Hàm truyền của bộ biến đổi: w2 = wП = Trong đó: +Kcl = KП = là hệ số khuếch đại của chỉnh lưu. + Tv0 là hằng số thời gian ; Tov = trong đó m và w là các pha chỉnh lưu và tần số góc của nguồn điện. - Hàm truyền của các khâu quán tính điện từ: w3 = wδ1(p) = - Hàm truyền của các khâu quán tính cơ: w4 = wδ2(p) = - Hàm truyền của các khâu nhiễu sức điện động của động cơ: w5 = Ta có: wγ = = Trong đó: + Rư, Lư là điện trở, điện cảm mạch phần ứng động cơ. + Tư là hằng số thời gian của mạch phần ứng: Tư = Lư/Rư. + TM là hằng số thời gian cơ học: + KD là hệ số khuếch đại của động cơ. - Hàm truyền của khâu phản hồi âm dòng có ngắt: w6 = wI = KI/Tip + 1 Trong đó: + Ti là hằng số thời gian của mạch lọc trong xen xơ dòng điện. + KI = 0,102 - Hàm truyền của khâu phản hồi âm tốc độ: w7 = ww = Kw /Tw p + 1. b. Xây dựng hàm truyền của hệ thống Để xây dựng hàm truyền của hệ thống ta biến đổi tương đương sơ đồ cấu trúc của hệ thống. Chuyển sang sơ đồ tương đương Ta có hàm truyền wtd1 = Chuyển sang sơ đồ tương đương Ta có hàm truyền Chuyển sang sơ đồ tương đương Ta có hàm truyền hệ thống: Û Û Û Û Thay các giá trị như: KI=0,1s; Ru=4.11; K= 17024,5; Tvo; ; TM = 1,79s; Tu = 0,0063s Wht = Chương VI: XÉT ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG I. Xây dựng đặc tính tĩnh. Theo cách xây dựng ở trên thì họ đặc tính cơ của hệ kín có hai đoạn. Đoạn thứ nhất là đoạn làm việc ở chế độ ổn định tốc độ với khâu phản hồi tốc độ được bắt đầu từ điểm không tải lý tưởng cho đến điểm ngắt dòng và đoạn thứ hai là đoạn làm việc ở chế độ khởi động hoặc hãm hay có thể quá tải ứng với dòng phần ứng lớn hơn dòng ngắt Ing = 1,5.Iđm đến điểm ngắn mạch Inm, đoạn này làm việc với khâu phản hồi âm dòng có ngắt. Quá trình gia công chi tiết chỉ thực hiện ở hành trình thuận nên ta chỉ xây dựng đặc tính cơ ở hành trình thuận. 1. Đặc tính cao nhất. Đặc tính cơ cao nhất là đặc tính ứng với tốc độ làm việc ổn định ở tốc độ định mức n = nđm . Đoạn thứ nhất là đoạn làm việc ổn định với khâu phản hồi âm tốc độ nên ta có phương trình cơ điện: n= Điện áp đặt ứng với chế độ làm việc ở đặc tính cao nhất Uđmax : Điện áp đặt được tính ở tốc độ định mức với chế độ làm việc ổn định, từ phương trình (iii) ta rút ra được: Uđmax= Thay n = nđm = 2500 (vg/ph) ta tính được điện áp đặt lớn nhất: Uđmax = = 12,1 ( V ) Tại điểm không tải lý tưởng n = n0max ứng với dòng phần ứng Iư = 0 Thay vào (iii) ta được: nomax = = 2500,8 (vg/ph) Điểm làm việc ổn định là điểm (Iđm ; nđm) = (4,01 ; 2500) Tại điểm ngắt dòng ứng với Iư = Ing = 1,5.Iđm = 6,2 A thì tốc độ là nngmax nngmax= = 2487 (vg/ph) Đoạn thứ hai là đoạn làm việc ứng với khâu phản hồi âm dòng điện còn khâu phản hồi tốc độ làm việc ở chế độ bão hòa. Với hệ thống này ta chọn tốc độ tại thời điểm khâu ngắt bắt đầu tác động cũng là tốc độ mà tại đó khâu phản hồi âm tốc độ đạt giá trị bão hòa nbhmax = nngmax. Lúc đó ta có: Utg = Uđmax - gnbhmax = 12,1 – 0,0048.2487 = 0,162 (V) Ta chọn Ubh = 12 V khi đó ta tính được hệ số khuếch đại tốc độ: Kω = = = 74,07 → KI = = 0,58 Từ phương trình (1) và (2) ta rút ra được phương trình đặc tính khi làm việc với phản hồi âm dòng có ngắt: n = KĐC.{KBĐ.KI [(Ubh – (Iư - Ing)b] - IưRưS} (*) Tại điểm khởi động ta có n = 0 ứng với dòng ngắn mạch ở đặc tính cao nhất là Inm, thay vào (*) ta tính được dòng khởi động: Inm = = = 9,3(A) Vậy bội số dòng khởi động = Inm /Iđm = 9,3 /4,01 = 2,31 < 2,5 do đó hệ số này chấp nhận được để động cơ khởi động anh toàn. Đoạn thứ hai này đi qua hai điểm là điểm ngắt (1,5Iđm ; nngmax) và điểm khởi động (2,31.Iđm ; 0). 2. Đặc tính thấp nhất. Ở đặc tính cơ thấp nhất thì động cơ làm việc với sai số tốc độ là lớn nhất, tốc độ làm việc ứng với dòng định mức là nmin = nđm /30 = 2500/ 30 = 83,33 (vg/ph) Điện áp đặt khi động cơ làm việc ở tốc độ nhỏ nhất Uđmin = = 0,42 ( V ) Tốc độ không tải lý tưởng n0min: nomin = = 86,44 (vg/ph) Tại điểm ngắt dòng ứng với Iư = Ing = 1,5.Iđm = 6,2 A thì tốc độ là nngmin nngmin = = 82,9 (vg/ph) Dòng ngắn mạch ứng với đường đặc tính cơ thấp nhất: Ta cũng chọn tốc độ lúc khâu phản hồi dòng bắt đầu rơi vào trạng thái bão hòa là lúc khâu phản hồi âm dòng có ngắt bắt đầu tác động nbhmin = nngmin = 82,9 vg/ph Do điện áp bão hòa của KĐTT không đổi, đồng thời hệ số khuếch đại KI cũng không đổi nên điểm ngắn mạch của họ đặc tính cơ đều xuất phát từ một điểm là (2,26.Iđm ; 0). Đặc tính cơ của hệ kín được thể hiện trên hình 6.1 Hình 6.1 Đặc tính cơ của hệ kín 3. Sai lệch tĩnh của hệ thống. Độ sai lệch tốc độ lớn nhất ứng với đặc tính cơ thấp nhất: S% = = .100% = 3,5 % Ta thấy s% < 5% nên hệ thống kín đảm bảo chất luợng tĩnh II. XÉT TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG Trong quá trình làm việc của hệ thống truyền động điện tự động, do nhiễu loạn hoặc do nhiều nguyên nhân khác nhau mà hệ thống có thể mất ổn định. Tính ổn định của hệ thống là tính mà 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. Một hệ thống được gọi là ổn định nếu quá trình quá độ tắt dần theo thời gian. Để khảo sát hệ thống, ta thành lập sơ đồ cấu trúc của hệ thống và sau đó xây dựng hàm truyền của hệ thống và sử dụng các tiêu chuẩn xét ổn định để xem hệ thống đó có ổn định hay không. Còn nếu như hệ thống chưa ổn định thì phải hiệu chỉnh để nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống. 1. Tiêu chuẩn ổn định đại số a. Điều kiện cần để hệ thống ổn định: Xét một hệ thống điều khiển tự động có phương trình đặc tính tổng quát sau: N(P)=anpn+....+a1p+a0 = 0 Vậy điều kiện cần để một hệ thống điều khiển tự động tuyến tính ổn định là tất cả các hệ số của phương trình đặc tính dương. Có nhiều tiêu chuẩn để xét tính ổn định của hệ thống, nhưng trong nội dung đồ án này chúng ta xét tính ổn định của hệ thống theo tiêu chuẩn ổn định Hurwitz. b. Tiêu chuẩn ổn định Hurwitz Phát biểu: Điều kiện cần và đủ để hệ thống tuyến tính ổn định là các hệ số an và các định thức Hurwitz đều dương. Cách thành lập định thức Hurwitz: Định thức có: - n cột và n hàng. - Đường chéo chính của bắt đầu từ a1 liên tiếp đến an. - Các số hạng trong cùng một cột có chỉ số tăng dần từ dưới lên trên. - Các số hạng có chỉ số lớn hơn n hay nhỏ hơn 0 ghi 0 2. Xét tính ổn định của hệ thống Xét tính ổn định của hệ thống có ổn định hay không dựa vào các tiêu chuẩn ổn định. Từ đó ta tiến hành hiệu chỉnh để hệ thống làm việc an toàn, tin cậy đặt được các yêu cầu mong muốn. Trong hệ thống truyền động điện 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. Phương trình đặc trưng của hệ thống khi chưa là: =7,5.p3 + 0,133+ 1,8p + 81,71 có hệ số a0 = 7,5.; a1 = 0,133; a2 = 1,8; a3 = 81,71 - Áp dụng tiêu chuẩn ổn định Hurwitz ta có: Theo tiêu chuẩn ổn định Hurwitz thì điều kiện cần và đủ để một hệ thống ổn định là hệ số a0 = 7,5. >0 và các định thức Hurwitz phải dương. Ta thấy tất cả các điều kiện trên hệ thống đã cho đều thỏa mãn. Vậy hệ thống tuyến tính ổn định KẾT LUẬN Với việc thiết kế hệ truyền động ăn dao cho máy mài tròn 3A130 dùng hệ chỉnh lưu động cơ một chiều, nhiệm vụ này đã giúp em có cái nhìn tổng quát hơn về việc điều khiển các máy gia công, cắt gọt kim loại và sâu hơn là điều khiển các hệ thống trong công nghiệp sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất. Sau một thời gian được giao nhiệm vụ thiết kế đề tài đồ án trên, dưới sự hướng dẫn tận tình của cô Nguyễn Minh Thư , các thầy cô trong bộ môn và nỗ lực của bản thân em đã hoàn thành nhiệm vụ của mình. Do thời gian có hạn, chưa có nhiều kinh nghiệp thực tế, đồ án của em không tránh khỏi thiếu sót, rất kính mong các thầy cô và các bạn trong bộ môn có thể chỉ bảo thêm. Qua đây em xin cảm ơn các thầy cô giáo đã dìu dắt em trong thời gian học vừa qua. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn đã trang bị cho em những kiến thức chuyên ngành quý giá. Đặc biệt, em xin gửi tới Cô Nguyễn Minh Thư lời cảm ơn sâu sắc nhất, là người đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho em hoàn thành đồ án này. Sắp trở thành một kỹ sư điện, em sẽ luôn cố gắng không ngừng học hỏi, trau dồi thêm kiến thức và kỹ năng, áp dụng sáng tạo những hiểu biết của mình đã học vào công việc thực tế sau này. Vinh, ngày 29 tháng 9 năm 2011 Sinh viên: Nguyễn Văn Nghiêm