Đồ án Thiết kế hệ truyền động cho cho cơ cấu nâng cần trục sử dụng động cơ điện một chiều

,28 (kW) 0 0 0 1 2 1000 h G v P         = 50.9.81.0,5 1 2 1000 0.25       = -0,49 (kW) 2.3. Tính chọn động cơ Thời gian nâng có tải: tnc = 20s Thời gian nâng không tải: tn0 = 20s Thời gian hạ có tải: thc = 20s Thời gian nâng không tải: th0 = 20s Thời gian làm việc của động cơ: tlv = th0 + tnc + thc + tn0 = 80s Thời gian của 1 chu kì làm việc là tck: 180s 15 0 t(s) M(N.m) th0 tn1 tnc thctn2 tn0tn3 tn4 20 40 60 15090 110 130 180 118,3 82,28 9,81 -4,9 Hình 2.4. Đồ thị phụ tải Mtb = 2 2 2 2 0 0 0. . . .nc nc no n h h hc hc lv M t M t M t M t t    = 72,4 (N.m) Ptb = 2 2 2 2 0 0 0. . . .nc nc no n h h hc hc lv P t P t P t P t t    = 7,23 (N.m) Hệ số tiếp điện: TĐth% = lv ck t t = 44,44 (%) Ta có các hệ số tiếp điện chuẩn TĐtc% (15%, 25%, 40%, 60%). Trong bài này, ta sử dụng động cơ có hệ số tiếp điện là 40%. Vậy, momen tính toán động cơ: Mtt = D % % th tb tc T M TD = 44,44 72,4 40 = 76,3 (N.m) Tốc độ động cơ: n = 60 2 t uvi R = 60.1.0,5.50 2 .0,25 = 955 (vòng/phút) Động cơ được chọn phải có Mđm > Mtt, Pđm > Ptt. 16 Sau khi tra danh sách động cơ, ta chọn động cơ 1 chiều kích từ song song loại Д-32, có các thông số như sau: - Công suất định mức: Pdm = 12 kW. - Điện áp định mức: Uddm = 440V. - Tốc độ động cơ định mức: n = 1240vg/phút. - Dòng điện định mức: Iddm = 31,5A; - Điện trở phần ứng: Rud = 0.534Ω; - Điện trở phần kích từ: Rck = 36Ω; - Số thanh dẫn tác dụng của phần ứng: N = 738 - Số nhánh song song của phần ứng: 2a = 2 - Số vòng dây 1 cực của cuộn song song: Wck = 1140 - Từ thông hữu ích của một cực: Φ = 57mWb - Dòng kích từ định mức: ikt = 4,3A - Momen quán tính: J = 0,425 kgm2 17 Chương 3. Lựa chọn phương pháp truyền động 3.1. Lựa chọn phương pháp chỉnh lưu Nguồn điện cấp cho cơ cấu nâng hạ là điện áp lưới: U1 = 220V xoay chiều. Theo phương pháp truyền động T-Đ, để cung cấp nguồn 1 chiều cho phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập, ta phải sử dụng một mạch chỉnh lưu để biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều U1 thành năng lượng dòng điện 1 chiều. Thực tế có rất nhiều phương án có thể sử dụng được, tuy nhiên để có một mạch chỉnh lưu phù hợp với yêu cầu thiết kế ta cần xét một cách tổng quan về các sơ đồ chỉnh lưu. Với yêu cầu thay đổi được điện áp đặt vào phần ứng động cơ thì các bộ chỉnh lưu điốt không thể làm thay đổi điện áp ra nên ta chỉ xét các mạch chỉnh lưu điều khiển. 3.1.1. Chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha a. Sơ đồ mạch điện Chỉnh lưu tia 3 pha có cấu tạo từ một biến áp 3 pha với thứ cấp đấu sao có trung tính, 3 đầu katốt của 3 van bán dẫn nối cùng cực tính để nối tới tải, ba đầu Anốt nối tới các pha biến áp, tải được nối giữa đầu nối chung của van bán dẫn với trung tính như hình vẽ. LT1 T2 T3 Đ UA UB UC Ua Ub Uc + - K T Hình 3.1. Mạch chỉnh lưu tia 3 pha b. Nguyên lý hoạt động Giả sử trong 1/3 chu kỳ đầu tiên điện áp trên Anot của thyristor T1 dương nhất, khi cấp xung điều khiển cho T1 thì T1 mở dòng qua T1 qua R, L và chạy về nguồn. Trong 1/3 chu kỳ tiếp theo T2 phân cực thuận giải thích tương tự như trên thì dòng sẽ qua T2 qua R, L và chạy về nguồn. Tương tự 1/3 chu kỳ cuối dòng qua T3 qua R, L và về nguồn (chú ý: các van trên chỉ hoạt động khi được cấp xung điều khiển và phân cực thuận). Do tải có tải cảm lớn nên dòng điện trên tải là liên tục, tức là van dẫn sẽ vẫn dẫn khi điện áp âm mà van còn lại chưa mở. Ví dụ, Van T1 đang dẫn, do suất điện động cảm ứng nên T1 vẫn dẫn điện cho đến thời điểm t2. Khi đưa xung vào mở T2 thì sẽ xuất hiện một 18 điện áp ngược đặt vào T1, làm T1 khoá lại và quá trình khoá T1 là quá trính khoá cưỡng bức. Từ thời điểm t2÷t 3 thì T2 dẫn điện, thời điểm t4 là khi chúng ta đưa xung mở T3. Các tham số chính: Giá trị trung bình của điện áp trên tải: 2 2 3 6 cos 1,17 cos 2 dU U U     Giá trị điện áp ngược: 26ngU U Dòng điện trung bình chảy qua Thyristor: Iv = Id/3 Số lần đập mạch trong 1 chu kỳ: 3 Công suất của máy biến áp: Sba = 1,35Pd Hình 3.2. Đồ thị điện áp và dòng điện chỉnh lưu hình tia 3 pha 19 c. Đánh giá mạch chỉnh lưu Ưu điểm: So với chỉnh lưu một pha thì chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp một chiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn, do chỉ có một van dãn nên sụt áp trên van là nhỏ  công suất tiêu thụ của van nhỏ.Việc điều khiển các van tương đối đơn giản. Nhược điểm: Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp ra tải chưa thật tốt lắm. Điện áp ra có độ đập mạch lớn nên xuất hiện nhiều thành phần điều hoà bậc cao. Hiệu suất sử dụng máy biến áp không cao. 3.1.2. Chỉnh lưu cầu 3 pha a. Sơ đồ mạch điện LT1 T3 T5 T4 T6 T2 Ua Ub Uc Đ + - K T Hình 3.3. Mạch chỉnh lưu hình cầu 3 pha Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng gồm có 6 thyristor chia thành 2 nhóm: - Nhóm katốt chung gồm 3 triristor: T1 ,T3 ,T5. - Nhóm anốt chung gồm 3 triristor: T2 ,T4 ,T6. Điện áp các pha thứ cấp MBA có phương trình: 22 sinaU U  2 2 2 sin 3 aU U          2 4 2 sin 3 aU U          20 Góc mở α được tính từ giao điểm của hai điện áp pha. b. Nguyên lý hoạt động Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua. Khi 1 6       cho xung điều khiển mở T1. Thyristor này mở vì U0 > 0. Sự mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì U2a > U2c. Lúc này T6 và T1 cho dòng đi qua. Điện áp ra trên tải: Ud = Uab = U2a – U2b. Khi 1 3 6       cho xung điều khiển mở T2. Thyristor này mở vì T6 dẫn dòng nó đặt Ub2 lên catốt T2 mà U2b > U2c. Sự mở của T2 làm cho T6 khoá lại một cách tự nhiên vì U2b > U2c. Các xung điều khiển lệch nhau 3  được lần lượt đưa đến các cực điều khiển của các thyristor theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1,...Trong mỗi nhóm, khi 1 tiristor mở thì nó sẽ khoá ngay tristor trước nó, như trong bảng sau. Bảng 3.1. Các thời điểm mở, khóa của thyristor Thời điểm Mở Khóa 1 6       T1 T5 1 3 6       T2 T6 1 5 6       T3 T1 1 7 6       T4 T2 1 9 6       T5 T3 1 11 6       T6 T4 Các thông số chính: - Điện áp trung bình trên tải: - Điện áp ngược cực đại đặt lên van: Ungmax = 2,45.U2 - Số lần đập mạch trong 1 chu kỳ: 6 - Dòng điện chảy qua các van là: IT = Id / 3 - Công suất của máy biến áp: Sba = 1,05.Pd 21 Hình 3.4. Đồ thị điện áp và dònkg điện chỉnh lưu hình cầu 3 pha c. Đánh giá mạch điện Ưu điểm: Điện áp ra đập mạch nhỏ do vậy mà chất lượng điện áp tốt. Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt do dòng điện chạy trong van đối xứng. Điện áp ngược trên van là lớn nhưng do Udo = 2,34U2. Vì vậy, nó có thể được sử dụng với điện áp khá cao. Nhược điểm: Cần phải mở đồng thời hai van theo đúng thứ tự pha nên rất phức tạp. Sụt áp trong mạch van gấp đôi sơ đồ hình tia nên cũng không phù hợp với cấp điện áp ra tải dưới 10 V. Nó gây khó khăn khi chế tạo vận hành và sửa chữa. Lựa chọn: Từ yêu cầu thiết kế về chất lượng điện áp một chiều tốt để có thể cung cấp cho phần ứng động cơ điện một chiều kích từ song song, đảm bảo phù hợp yêu cầu công nghệ cơ cấu nâng hạ cầu trục, nên ta chọn sử dụng mạch chỉnh lưu dùng sơ đồ cầu 3 pha điều khiển đối xứng là hợp lý hơn cả. 22 3.2. Lựa chọn phương án đảo chiều Quá trình đảo chiều chuyển động bàn máy cũng có rất nhiều phương pháp, nhưng chung quy có 2 phương pháp: - Đảo chiều quay động cơ nhờ đảo chiều dòng kích từ. - Đảo chiều quay động cơ nhờ đảo chiều dòng phần ứng. Tuy nhiên sử dụng phương pháp đảo chiều dòng kích từ có nhiều hạn chế, do cuộn cảm có hệ số tự cảm lớn (quán tính từ lớn) nên làm tăng thời gian đảo chiều, không thoả mãn cho truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục. Vì vậy ta chỉ xét quá trình đảo chiều động cơ bằng đảo chiều dòng phần ứng. Với hệ truyền động T-Đ để đảo chiều dòng phần ứng động cơ có hai cách cơ bản: - Đảo chiều nhờ các tiếp điểm công tắc tơ đặt trên mạch phần ứng. - Đảo chiều quay nhờ hai BBĐ triristor mắc song song ngược. 3.2.1. Đảo chiều dòng điện phần ứng bằng cách dùng công tắc tơ Sơ đồ truyền động: BBĐ1 Đ BBĐ2 C K Đ~ 3 pha ~ 3 pha T TN N Hình 3.5. Sơ đồ truyền động đảo chiều động cơ bằng công tắc tơ Trên hình 3.5 cuộn kích từ CKĐ được cấp nguồn bởi một bộ chỉnh lưu BBĐ2. Bộ chỉnh lưu BBĐ1 tạo ra dòng điện một chiều có chiều không đổi ở phía đầu ra, trước khi đưa vào phần ứng động cơ, người ta bố trí các tiếp điểm công tắc tơ T và N sao cho khi điều khiển các công tắc tơ này đóng tiếp điểm thì đảo được chiều dòng điện phần ứng, dẫn đến đảo được chiều quay động cơ. Phương pháp này chỉ sử dụng cho các truyền động công suất nhỏ vì dòng hồ quang phát ra giữa các tiếp điểm lớn. Mặt khác do quán tính cơ điện của các khí cụ lớn nên tần số đảo chiều không cao, không phù hợp cho truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục. 23 3.2.2. Đảo chiều dòng điện phần ứng bởi hai bộ chỉnh lưu cầu triristor mắc song song ngược Sơ đồ truyền động: BBĐ3 C K Đ ~ 3 pha BBĐ1 ~ 3 pha BBĐ2 Đ Hình 3.6. Sơ đồ truyền động đảo chiều động cơ bằng chỉnh lưu Cuộn dây kích từ CKĐ được cấp nguồn bởi CL3 với dòng điện có chiều không đổi. Phần ứng động cơ được cấp nguồn bởi 2 bộ chỉnh lưu CL1 và CL2 mắc song song ngược. Muốn đảo chiều quay động cơ, ta đưa tín hiệu điều khiển vào 2 bộ chỉnh lưu sao cho CL1 hoặc CL2 mở để thay đổi chiều dòng điện phần ứng iưT và iưN. Phương pháp này vì sử dụng các khí cụ không tiếp điểm nên quá trình đảo chiều êm, diễn ra nhanh, nhưng đòi hỏi mạch lực phức tạp hơn. Quá trình đảo chiều còn phụ thuộc vào việc lựa chọn phương pháp điều khiển, đó là phương pháp điều khiển chung hay riêng. Phương pháp điều khiển chung: Tại một thời điểm cả 2 BBĐ nhận được xung mở, nhưng chỉ có một BBĐ cấp dòng cho nghịch lưu, còn BBĐ kia làm việc ở chế độ chờ. Phương pháp này có các đặc tính cơ của hệ thống ở chế độ động và chế độ tĩnh rất tốt. Nhưng nó lại làm xuất hiện dòng cân bằng tiêu tán năng lượng vô ích và luôn tồn tại do đó cần phải có cuộn kháng san bằng để làm giảm dòng cân bằng. Với sơ đồ hình cầu 3 pha mắc song song ngược thì cần phải có 4 cuộn kháng san bằng. Phương pháp này điều khiển phức tạp. Phương pháp điều khiển riêng: Khi điều khiển riêng 2 BBĐ làm việc riêng rẽ nhau. Tại một thời điểm chỉ phát xung điều khiển vào 1 BBĐ còn bộ kia bị khoá do không có xung điều khiển. Phương pháp này, đặc tính đảo chiều của nó không tốt bằng phương pháp điều khiển chung, do có một khoảng thời gian trễ để dòng qua bộ van đang làm việc giảm về bằng 0 thì mới cho bộ van thứ hai mở. Tuy nhiên nó lại có ưu điểm hơn là làm việc an toàn vì không có dòng cân bằng chạy qua giữa các BBĐ và hệ thống điều khiển đỡ phức tạp hơn. 24 Từ hai phương pháp điều khiển trên, do đặc điểm và yêu cầu công nghệ của cơ cấu nâng hạ cầu trục, thấy rằng phương pháp đảo chiều quay động cơ nhờ đảo chiều dòng phần ứng bởi hai bộ chỉnh lưu cầu thyristor mắc song song ngược là phù hợp nhất nên em lựa chọn phương pháp này và sử dụng phương pháp điều khiển riêng để điều khiển các bộ chỉnh lưu Thyristor. 3.3. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực của hệ truyền động 3.3.1. Sơ đồ mạch lực Trên sơ đồ: ATM là áp tô mát nguồn, làm nhiệm vụ đóng cắt nguồn. BI là bộ biến dòng, cấp phản hồi âm dòng điện đưa tín hiệu đến khâu điều khiển dòng điện. BBĐ1, BBĐ2: là 2 bộ biến đổi (chỉnh lưu) thyristor mắc song song ngược (cầu kép 3 pha) cấp nguồn cho phần ứng động cơ Đ (Đ: là động cơ 1 chiều, kích từ độc lập, nâng hạ cầu trục). C - R: Là các tụ điện và điện trở, chức năng để bảo vệ cho các thyristor khỏi bị đánh thủng do quá gia tốc điện áp (du/dt) khi xảy ra quá độ trong mạch (như quá trình chuyển mạch) của các tiristor trong sơ đồ chỉnh lưu hoặc khi đóng cắt không tải của máy biến áp. Ngoài ra mạch R-C còn có tác dụng rẽ mạch dòng điện ngược đối với các thyristor. Để bảo vệ quá gia tốc dòng (di/dt) trong sơ đồ ta lợi dụng các cuộn cảm là cuộn kháng lọc san bằng và các cuộn dây thứ cấp máy biến áp động lực. FT: Là máy phát tốc chức năng để lấy tín hiệu phản hồi âm tốc độ. Tín hiệu điện áp trên mạch phần ứng của máy FT được lấy ra có trị số tỷ lệ với tốc độ động cơ sử dụng làm tín hiệu phản hồi âm tốc độ. AT: Là áptômát bảo vệ khởi động từ. 3.3.2. Nguyên lí làm việc của mạch động lực Hoạt động của các BBĐ: Khi điều khiển riêng 2 BBĐ làm việc riêng rẽ nhau. Tại một thời điểm chỉ phát xung điều khiển vào 1 BBĐ còn bộ kia bị khoá, do không có xung điều khiển. Phương pháp này, đặc tính đảo chiều của nó không tốt bằng phương pháp điều khiển chung, do có một khoảng thời gian trễ để dòng qua bộ van đang làm việc giảm về bằng 0 thì mới cho bộ van thứ hai mở. Tuy nhiên nó lại có ưu điểm hơn là làm việc an toàn vì không có dòng cân bằng chạy qua giữa các BBĐ và hệ thống điều khiển đỡ phức tạp hơn. Để khởi động, đóng AT cấp điện cho các BBĐ thyristor cấp nguồn cho phần ứng động cơ và bộ chỉnh lưu điốt cấp nguồn cho cuộn kích từ động cơ CKĐ. Ta đồng thời cấp xung điều khiển cho 1 BBĐ1 khi cầu trục làm việc ở chế độ nâng hoặc hạ hãm; khi BBĐ2 khi cầu trục làm việc ở chế độ hãm động lực. Động cơ Đ được cấp nguồn, quay kéo theo máy phát tốc (FT) quay đưa tín hiệu phản hồi âm tốc độ về mạch điều khiển để ổn định tốc độ. 25 T2 T6 T4 T1 T3 T5 R R R R R R RR R RR R C C C C C C C C C C C C T7 T9 T11 T10 T12 T8 BI AT ~ 3 pha ĐC FT KT BBĐ1 BBĐ2 A~ B~ C~ I L 3CC 3CC 2CC 2CC 2CC 2CC2CC 2CC 2CC 2CC 2CC 2CC 2CC 2CC 1CC 1CC 1CC Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực truyền động điện cầu trục 26 Chương 4. Thiết kế mạch động lực 4.1. Tính chọn thyristor Các van trong mạch chỉnh lưu công suất thường phải làm việc với dòng điện, điện áp, công suất phát nhiệt lớn, vì vậy việc chọn van phải hợp lí và đảm bảo tin cậy. Việc tính chọn Tiristor sẽ được dựa vào các yếu tố cơ bản như: dòng điện trung bình, điều kiện tỏa nhiệt, điện áp áp ngược tối đa dặt lên van Điện áp ngược lớn nhất: .maxngv dtU ngU k U Mạch chỉnh lưu cầu: 6nvk  là hệ số điện áp ngược của van .max 2 6.220 538,9Vng nvU k U   Do điện áp lưới không ổn định, mặc khác có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến lưới điên, hệ số dự trữ kdtU = 1,7÷2,2. Ta chọn kdtU = 2 .max 2.538,9 1077,8ngv dtU ngU k U V   Dòng điện làm việc của van: 1 . 10,5A 3 31,5tbv hd dmI k I   Trong đó: 1 3 hdk  là hệ số dòng điện hiệu dụng của chỉnh lưu cầu ba pha. Hệ số dự trữ ki = 2,5. 2.5.10,5 26,25dmV i lvI k I A   Chọn Thyristor: T10-40. Với các thông số cơ bản sau: - Itb = 40A - Dòng điện trung bình cho phép. - Umax = 1,2 ÷ 1,4 kV – Điện áp cực đại cho phép đặt lên van (cả 2 chiều thuận và ngược). - du/dt = 50-1000V/us – Tốc độ tăng điện áp thuận trên van. - tph = 150-70us – Thời gian phục hồi tính chất khóa của van. - di/dt = 40-200A/us – Tốc độ tăng dòng điện cực đại cho phép qua van. - ΔU = 1,75V – Sụt áp thuận trên van (giá trị tương ứng dòng điện van = 1,5Itb). 27 - Uđk = 4V – Điện áp xung điều khiển - Iđk = 150mA – Dòng xung điều khiển 4.2. Thiết kế cuộn kháng lọc 4.2.1. Xác định điện cảm cuộn kháng lọc Khi góc mở càng tăng thì biên độ thành phần sóng hài bậc cao càng lớn, hay đập mạch của điện áp, dòng điện tăng lên. Sự đập mạch này làm xấu chế độ chuyển mạch của vành góp, đồng thời gây tổn hao phụ dưới dạng nhiệt trong động cơ. Để hạn chế sự đập mạch này, ta mắc nối tiếp với động cơ 1 cuộn kháng lọc đủ lớn để đảm bảo hệ số đập mạch ra kđmr. Ngoài ra, cuộn kháng lọc còn có tác dụng hạn chế vùng dòng điện gián đoạn. Công thức xác định giá trị điện cảm: 2 1u sb dm R k L m    Với: dmv sb dmr k k k  - Hệ số san bằng mdm = 6 – Số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ lưới xoay chiều Công thức xác định hệ số san bằng: Hệ số san bằng là: dmv sb dmr k k k  Với: * maxcos dm dmv k k   - Hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu tại góc mở αmax  * 2 2 2max max max2 2 cos sin 1 dm dm dm k m m      min max 0 cos d d U arc U   - Góc mở lớn nhất dmrk - Hệ số đập mạch ra mong muốn 28 Tính toán giá trị điện cảm:   dd. 440 31,5.0,534 1 / D 129,8 / 29,8 5 25,96 / . 3,26 . . . 3,26.25,96 31,5.0,534 101,45 2. 2. 5% 1 01,45 2.2,4 0,05. min dm dm Đmin dm min Đdm dmin Đmin van L Đmin dm ud m d van Đdm m u rad s kФ U kФ R I V U U U U I U U R U U                                0min min max 0 2 128,25 cos cos cos 75 2 440 ,34 2 12 ,34.2 8,25 2 0 d d d U U arc a V r ar U U                   * 2 2 2 2 2 2max max max2 2 2 2 cos sin cos 75 6 .sin 75 0,332 1 6 1 dm dm dm k m m           * max 0,332 1,28 cos cos75 dm dmv k k      Ở chế độ điều chỉnh sâu nhất hay αmax, ta có dòng tải: Idα = Iddm / D = 31,5/5 = 6,3 A. Hệ số đập mạch ra mong muốn kđmr = 0,04. Dòng điện đập mạch đầu ra: Idmr = 0,04.31,5 = 1,26 A Hệ số đập mạch cần thiết khi lọc là: 0,25dmrdmr d I k I    Hệ số san bằng là: 1,28 6,4 0,2 dmv sb dmr k k k    Từ đó, ta xác định được điện cảm lọc cần có: 2 21 0,534 6,4 1 17,6 6.100. u sb dm R k L mH m        , chọn L = 17,5mH 4.2.2. Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc 1 - Các kích thước của lõi thép: 2 3 244 2,6 2,6 17,5.10 .31,5 5,3da LI cm    . Chọn a = 7 cm. b = 1,2a = 1,2.7 = 8,4cm c = 0,8.a = 0,8.7 = 5,6cm 29 h = 3.a = 3.7 = 21 cm Tiết diện lõi thép: Sth = a.b = 7.8,4 = 58,8 cm 2 Diện tích cửa sổ: Scs = h.c = 21.5,6 = 117,6 cm 2 Hình 4.1. Kích thước hình học lõi thép chữ E Độ dài trung bình đường sức: lth = 2(a + b + c) = 2(7 + 8,4 + 5,6) = 42 cm Độ dài trung bình dây quấn: ldq = 2(a + b) + cπ = 2(7 + 8,4) + 5,6π = 48,39 cm Thể tích lõi thép: Vth = 2ab(a + h +c) = 2.7.8,4(7 + 21 + 5,6) = 3951 cm 3 2 - Tính điện trở dây quấn ở nhiệt độ 20˚C đảm bảo độ sụt áp cho phép:   3 20 3 3 1,2 31,5 29,3.10 1 4,26.10 20 1 4,26.10 (40 50 20) dccp ddm mt U I r T T C                ΔUdccp = 1,2V – Sụt áp cho phép Nhiệt độ tối đa trên cuộn dây: Tmax = Tmt + ΔT b H h a/2 a/2 a c 30 3 - Số vòng dây cuộn cảm: 3 20 29,3.10 .117,6w 414 414 110,47 w 110 48,39 cs dq r S l       vòng 4 - Mật độ từ trường: dd100 100.110.31,5 8250 / 42 m th wI H A m l    5 - Tính cường độ từ cảm. Chỉnh lưu cầu 3 pha có 6 đập mạch trong 1 chu kì điện áp lưới nên tần số đập mạch là 6. 6.50 300dmf f Hz   , nên: 4 4 3 .10 6.10 7.10 4,44 . . 4,44.110.300.58,8 accp dm th U B T w f S      6 – Tính hệ số μ theo H và B. Vì B > 0,005T nên: 0,75 6 0,75 6 6542 .10 54.8,25 .10 111,34.10 (H/ m) 1000 H             7 – Tính trị số điện cảm nhận được: 2 6 2w 111,34.10 .110 .58,8 18,86 100. 100.42 th tt th S L mH l      Trị số này lớn hơn giá trị yêu cầu nên chấp nhận được. 8 – Tiết diện dây quấn: 2 3 20 48,39.117,6 0,072 0,072 19,56 29,3.10 dq csl S s mm r     , ta chọn dây dẫn đồng có đường kính thực dCu = 5,2mm, tiết diện của lõi đồng SCu = 21,24mm 2 . 9 – Xác định khe hở tối ưu: 3 3 dd1,6.10 w 1,6.10 .110.31,5 5,54kk ml I mm     Vì vậy miếng đệm sẽ có độ dày: 0,5l 0,5.5,54 2,77dem kkl mm   10 – Tính kích thước cuộn dây: 31 Chọn cuộn dây có độ dầy 5mm, nên độ cao sử dụng để cuốn dây sẽ là: 2 21 2.0,5 20sdh h c cm      Số vòng dây quấn 1 lớp: 20 w' = 13,3 1,5 sd d h h   ; như vậy 1 lớp quấn được 14 vòng Tính số lớp dây: w 110 7,86 w ' 14 n    ; vậy cần quấn 8 lớp Nếu lấy khoảng cách giữa 2 lớp dây quấn (dành cho lớp cách điện) Δcđ là 1mm thì độ dày của cả cuộn dây sẽ là: Δcd = n(d + Δcđ) = 8(0,52 + 0,1) = 4,96 cm 11 – Độ dày cuộn dây Δcd nhỏ hơn kích thước cửa sổ c = 5,6 mm nên cuộn dây lọt trong cửa sổ. 12 – Kiểm tra chênh lệch nhiệt độ (xác định nhiệt độ tối đa của cuộn dây) Tổn thất trong dây quấn đồng: 3 3 1,02. . 1,02.1,2.31,5 35,53 1 4,26.10 (T 20 C) 1 4,26.10 (40 20) dccp C d mt u I WP            Tổng diện tích bề mặt của cuộn dây: SCu = 2hsd(a + b + πΔcd) + 1,4Δcd(πΔcd + 2a) = = 2.20(7 + 8,4 + π.4,96) + 1,4.4,96(π.4,96 + 2.7) = 1444,7 cm2 Hệ số phát nhiệt α: 3 3 3 66 2 5 5 w 1,03.10 1,03.10 . 0,82.10 20 .sdh C cm        Độ chênh lệch nhiệt độ: 3 35,53 30 0,8 14442.1 7. ,0 Cu Cu P T C S       Độ tăng nhiệt độ ΔT < 50, thỏa mãn mức cho phép. 32 4.3. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực 4.3.1. Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn Van bán dẫn chỉ được phép làm việc nhiệt độ cho phép Tcp, nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng, ta phải chọn và thiết kế hệ thống tản nhiệt. Tính toán cánh tản nhiệt: Tổn thất công suất trên 1 thyristor: 31,5 . 2,4. 25,2 3 tbP U I W     Diện tích bề mặt tản nhiệt: . m m P S K    Trong đó: Τ – độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường. Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 40˚C. Nhiệt độ cho phép làm việc của thyristor Tcp = 125˚C. chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv = 80˚C. 80 40 40lv mtT T C       Km – Hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Chọn Km = 8W/m 2˚C 225,2 0,0788 . 8.40 m m P S m K      4.3.2. Bảo vệ quá dòng điện cho van Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch thyristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu. Chọn aptomat: Chỉnh định dòng ngắn mạch: dd3 3.31,5 94,5nm mI I A   Dòng quá tải: dd2,5 2,5.31,5 78,75qt mI I A   33 Cầu chì: tác động nhanh bảo vệ ngắn mạch các thyristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu. 4.3.3. Bảo vệ quá điện áp cho van Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt thyristor được thực hiện bằng cách mắc R- C song song với thyristor. Khi có chuyển mạch, các điện tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong thời gian ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anot và katot của thyristor. Khi có mạch R-C mắc song song với thyristor, tạo mạch vòng phóng điện tích trong qua trình chuyển mạch nên thyristor không bị quá điện áp. R1 C1 Hình 4.2. Mạch R-C bảo vệ Thyristor Theo kinh nghiệm R1 = 5÷30Ω; C1 = 0,25÷4 μF. Chọn R1 = 5,1Ω; C1 = 0,25μF Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, ta mắc mạch R-C để đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. 34 Chương 5: Thiết kế mạch phát xung điều khiển 5.1. Khâu đồng bộ Theo sơ đồ cấu trúc, khâu này có 2 chức năng: - Đảm bảo quan hệ về góc pha cố định với điện áp của van lực nhằm xác định điểm gốc để tính góc điều khiển α, ta gọi là mạch đồng pha. - Hình thành điện áp có dạng phù hợp làm xung nhịp cho hoạt động của khâu tạo điện áp tựa phía sau nó, ta goi là mạch xung nhịp. 5.1.1 Mạch đồng pha Trong bài này, phương pháp đồng pha được sử dụng là đồng pha bằng máy biến áp với cuộn sơ cấp đấu Δ, cuộn thứ cấp đấu Y (kiểu Δ/Y). Đồng pha bằng máy biến áp ngoài mục tiêu thỏa mãn chức năng đầu tiên đã nêu ở trên, nó còn cho phép ta đạt thêm 2 mục tiêu khác: - Chuyển đổi điện áp thường có giá trị cao (U = 380V) sang điện áp giá trị phù hợp với mạch điều khiển điện áp thấp (theo quy chuẩn an toàn là dưới 36V). - Cách ly hoàn toàn về điện giữa mạch điều khiển và mạch lực. Điều này nhằm bảo đảm an toàn cho người sử dụng cũng như các linh kiện điều khiển. Việc sử dụng máy biến áp kiểu Δ/Y nhằm đạt được phạm vi điều khiển α = 0˚÷180˚; vì điện áp đồng bộ sẽ lấy trên điện áp dây, do đó điểm qua 0 của điện áp này vào đúng điểm cắt nhau của 2 điện áp pha, mà điểm này tương ứng với góc α = 0˚ của các van lực. 5.1.2. Mạch xung nhịp Mạch chỉnh lưu kiểu hai nửa chu kỳ có điểm giữa ( tia hai pha) dùng điôt D1, D2 và tải cho chỉnh lưu này là điện trở R0. Điện áp ngưỡng Ung lấy từ biến trở P1, điện áp đồng bộ sẽ tuân theo quan hệ sau Udb = A0( U + - U - ) = A0( Ucl - Ung) Do đó, nếu Ucl > Ung thì Udb dương và bằng điện áp bão hòa của OA Udb= +Ubh. Tương tự nếu Ucl < Ung thì Udb âm và Udb = -Ubh. Vì vậy điện áp đồng bộ có dạng xung hình 5.3b, theo đồ thị làm việc ta có: Điểm giao nhau của Ucl và Ung là điểm chuyển trang thái của điện áp ra, nếu chiếu lên điện áp lực ta thấy hai điểm này xác định giới hạn của góc điều khiển αmin và αmax do đó: - Thay đổi điện áp ngưỡng Ung làm thay đổi phạm vi điều chỉnh góc điều khiển. - Điện áp lưới biến động cũng sẽ ảnh hưởng góc điều khiển. - Có thể chuyển dạng xung ra với qui luật điện áp ra ngược dấu lại, nếu đổi chéo cách đấu tín hiệu cửa vào OA: Ucl vào cửa đảo (-) còn Ung vào cửa không đảo (+). 35 Ung Udb +E R4 P1 R1 R0 Ucl Udp BADP Uluc D1 OA1 D2 a. Sơ đồ nguyên lý b. Đồ thị điện áp mạch tạo xung nhịp Hình 5.3. Sơ đồ mạch tạo xung đồng bộ 5.2. Mạch tạo xung răng cưa OA2 E Udp R2 R3 D3 Dz C Urc a. Sơ đồ nguyên lý b. Đồ thị điện áp Hình 5.4. Sơ đồ mạch tạo xung răng cưa hai nửa chu kỳ bằng OA Phần tạo răng cưa trên OA2, OA1 tạo được các giai đoạn phục hồi cho tụ điện. Cửa không đảo (+) nhận điện áp đồng pha đã được chỉnh lưu nhờ D1, D2; còn nửa âm (-) đặt điện áp ngưỡng so sánh với nửa dương (+) lấy từ bộ phân áp điều chỉnh R5, P1. Do đó điện áp đầu ra của OA1 có dạng xung chữ nhật, trong đó phần –Ubh tương ứng giai đoạn tụ C nạp điện phục hồi, còn giai đoạn +Ubh là giai đoạn tạo răng cưa làm việc. Bằng cách điều chỉnh P1 ta thay đổi ngưỡng này làm thay đổi được quan hệ giữa thời gian tạo răng cưa trc (tương ứng thời gian phóng của tụ tp) và thời gian hồi phục tn theo yêu cầu, thực 36 chất là thay đổi phạm vi điều chỉnh góc điều khiển (αmin ÷ αmax ). Nếu xung răng cưa âm ta phải thêm điện áp để Urc >0. 5.3. Khâu so sánh Khâu này có chức năng so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa (dạng răng cưa hoặc hình sin) để định thời điểm phát xung điều khiển, thông thường đó là thời điểm khi hai điện áp này bằng nhau. Nói cách khác, đây là khâu xác định góc điều khiển α. Khâu so sánh sử dụng các OA, vì cho phép đảm bảo độ chính xác cao, nhất là khi dùng OA chuyên dụng loại comparator, có giá thành hạ, không cần chỉnh định phức tạp.  So sánh dùng khuếch đại thuật toán có các đặc điểm: - Tổng trở vào của OA rất lớn nên không gây ảnh hưởng đến các điện áp đưa vào so sánh nó có thể tách biệt hoàn toàn chúng để không tác động sang nhau. - Tầng vào của OA cũng là loại khuếch đại vi sai, mặt khác số tầng nhiều nên hệ số khuếch đai rất lớn ( có thể lên đến một triệu ). Vì thế độ chính xác so sánh rất cao, độ trễ không quá vài micro giây. Sườn xung dốc đứng nếu so với tần số 50Hz  So sánh kiểu hai cửa: Trong kiểu này hai điện áp cần so sánh được đưa tới hai cực khác nhau của OA (Hình 5.5). R5 R6 Urc Uđk Uss a. Sơ đồ nguyên lý b. Đồ thị điện áp Hình 5.5. Sơ đồ So sánh hai cửa dùng khuếch đại thuật toán Điện áp ra sẽ tuân theo qui luật: ura = K0 u = K0(u + -u - ), K0 là hệ số khuếch đại của OA Tùy thuốc vào điện áp tựa và điều khiển đưa vào cửa nào mà điện áp ra xuất hiện sườn xung âm hoặc dương ở thời điểm cân bằng giá trị giữa chúng. Nếu điện áp điều khiển đưa vào cửa (+), còn điện áp tựa đưa vào cửa (-) có nghĩa là u + uđk và u -  urc như hình 5.5a. thì điện áp ra là: 37 Ura= K0(u + - u - ) = K0(uđk – urc) Do đó khi uđk > urc thì ura = +Ubh; khi uđk < urc thì ngược lại ura = - Ubh Khi Uđk tăng thì α sẽ giảm đi suy ra Ud = Ud0cosα sẽ tăng dẫn tới UĐ tăng. Từ đó tốc độ điều chỉnh của động cơ sẽ tăng. Khi Uđk = 0 thì UĐ = 0 do đó α = 90 , tuy nhiên với α=90 thì UĐ = 0 nhưng Uđk lại khác 0. Do vậy để khắc phục tình trạng này ta sẽ cho thêm vào mạch so sánh điện áp U0 = ½ Urc để kéo Uđk lên. 5.4. Khâu tạo xung chùm Xung chùm thực chất là một chùm các xung có tần số cao gấp nhiều lần lưới điện (fxc = 6 ÷ 12 kHz ). Độ rộng của một chùm xung có thể được hạn chế trong khoảng (100 ÷ 130 ) độ điện, về nguyên tắc nó phải kết thúc khi điện áp trên van lực mà nó điều khiển đổi dấu sang âm. Nguyên tắc tạo xung chùm thường dùng là coi tín hiệu do bộ so sánh đưa ra như một tín hiệu cho phép hay cấm khâu khuếch đại xung được nhận xung tần số cao phát từ một bộ tạo dạo động xung tới nó. C2 R7 R8 R9 Udd a. Sơ đồ nguyên lý b. Đồ thị điện áp Hình 5.6. Sơ đồ mạch tạo xung chùm dùng khuếch đại thuật toán OA được sử dụng như bộ so sánh hai cửa. Tụ C liên tục được phóng - nạp làm cho OA đảo trạng thái mỗi lần điện áp trên tụ đạt trị số của bộ chia điện áp R1, R2. Chu kỳ dao động : T= 2RC.ln(1+ 2R1R2). 5.5. Khâu tách xung Trong nhiều mạch điều khiển chỉnh lưu, điện áp tựa được tạo ra trong cả hai nửa chu kỳ bằng một cách duy nhất. 38 Lúc này khâu so sánh sẽ xác định góc điều khiển cho cả hai van thuộc cùng một pha của mạch lực một van làm việc ở nửa chu kỳ dương, một van ở nửa chu kỳ âm của lưới điện xoay chiều. Như vậy sau khâu tạo dụng xung ta nhận được hai xung điều khiển và do đó trong một chu kỳ điện áp xoay chiều mỗi van sẽ nhận hai xung điều khiển ở cả hai nửa chu kỳ này. Tuy nhiên việc phát xung điều khiển cho van khi điện áp trên van âm là có thể được, nhưng không mong muốn. Để tránh điều này cần có thêm một khâu tách xung (còn gọi là phân phối xung), lúc đó van lực nhận xung điều khiển chỉ ở giai đoạn khi điện áp trên nó là dương uAK > 0. Khâu tách xung dùng OA để phân biệt chính xác hai nửa chu kỳ điện áp lưới khi nó qua điểm không. Mạch tách xung bằng OA (hình 5.7) có độ chính xác cao và đảm bảo tính năng tách xung cho toàn bộ một nửa chu kỳ. AND Tạo dạng xung Ulực UDX Hình 5.7. Mạch tách xung dùng OA kết hợp với IC logic 5.6. Khâu trộn xung và khuếch đại xung Mạch điều khiển chỉnh lưu thường làm việc trong điều kiện nhiễu mạnh do bản thân mạch lực của nó gây ra. Các nhiễu này có thể truyền theo đường dây nguồn tới đầu vào của MĐK và lan đến tận khâu khuếch đại xung (KĐX). Nếu KĐX có hệ số khuếch đại lớn, đặc biệt nếu dùng mạch khuếch đại có phản hồi dương sẽ rất dẽ gây ra hiện tượng khuếch đại giả làm mở van không đúng thời điểm. Vì vậy, nói chung không nên dùng các mạch KĐX vơi phản hồi dương mạch. Thực tế thường dùng mạch có hệ số khuếch đại không lớn để đảm bảo chống nhiễu tốt. KĐX có nhiệm vụ tăng công suất xung do khâu tạo dạng xung DX hình thành đến mức đủ mạnh để mở van lực. Khuếch đại xung ghép bằng biến áp xung, xung điều khiển dạng xung chùm. 39 R13 R11 R12 R16 C5 D5 D7 D6 T2 T3 BAX - + +E Udx Hình 5.8. Sơ đồ Khuếch đại xung ghép biến áp xung dạng xung chùm 40 5.7. Tổng hợp mạch tạo xung điều khiển U n g + E R 4 P 1 R 1 R 0 U cl U d p B A D P U lu c D 1 O A 1 D 2 + V cc -V cc +- R 2 R 3 U d b C U rc D z D 3 O A 1 +V cc -V cc +- A B D + E R tx R 1 8 D 8 D 9 D 1 0 +- R 6 R 5 OA4 + - ANDAND R 1 3 R 1 1 R 1 2 R 1 6 C 5 D 5 D 7 D 6 T 2 T 3 B A X - + +E C 4 R 1 3 R 1 1 R 1 2 R 1 6 C 5 D 5 D 7 D 6 T 2 T 3 B A X - + +E C 4 R 9 OA4 + - R tx R 1 8 D 8 D 9 D 1 0 +- R 1 0 C D z O A 1 + V cc -V cc + - D R 1 0 C O A 1 +V cc -V cc + - U ip h U iđ U w đ U w p h R 7 R 8 C Hình 5.9. Sơ đồ mạch tạo xung điều khiển chỉnh lưu hai nửa chu kì có khâu tách xung 41 Hình 5.10. Giản đồ xung điều khiển 42 5.7.1. Tính toán khâu đồng pha Ung Udb +E R4 P1 R1 R0 Ucl Udp BADP Uluc D1 OA1 D2 Hình 5.11. Sơ đồ nguyên lí mạch tạo xung đồng bộ Tính toán khâu đồng bộ hai nửa chu kỳ để đảm bảo αmin = 25 0 , αmax = 78 0 , Uđp = 10V, f=50Hz, E = ± 12V. Nhóm chỉnh lưu tia hai pha với hai điốt D1, D2 có điện áp vào là điện áp đồng pha với trị số hiệu dụng 10V, nên điện áp ngược lớn nhất lên van: Ung max = 2 2 Udp = 2 2 10 = 28,28 V Chọn điốt D1, D2 loại 1N4002 với tham số Itb =1 A, Ungmax =100V, điện trở tải cho chỉnh lưu chọn R0 = 1k Mạch so sánh tạo xung đồng bộ. Chọn OA loại TL081. Chọn điện trở R1= 15k Vì αmin = 25 0 nên ta có : Ung = 2 Uđp sinαmin = 2 .10. sin25 0 = 6 V Do sụt áp trên điốt chỉnh lưu thì ngưỡng phải giảm đi cỡ 0,5V. Nên Ung = 5,5V Do dòng qua phân áp ( R4 +P1) là 1 mA, vậy tổng trở của cả bộ phân áp R∑ = E i = 3 12 10 = 12.10 3 = 12 k . Nên ta chọn: điện trở R4 = 10k Biến trở P1= 2k ( cho phép điều chỉnh ngưỡng từ 0 đến 2 V ) 5.7.2. Tính toán khâu tạo điện áp răng cưa OA2 E Udp R2 R3 D3 Dz C Urc Hình 5.12. Sơ đồ nguyên lí mạch tạo xung răng cưa hai nửa chu kỳ bằng OA. 43 Tính toán khâu tạo xung răng cưa hai nửa chu kỳ , biết Urcmax = 10V, E= ± 12V, điện áp đồng pha Udp = 10V, tần số f=50Hz. Phạm vi điều chỉnh góc điều khiển khoảng: 1800- 2.αmin = 180 0 – 2.250 = 1300 Chọn OA loại TL081 chứa OA trong một vỏ IC. Thời gian tụ C phóng chính là khoảng thời gian tương ứng phạm vi điều chỉnh góc điều khiển α , nên 1300 quy đổi sang thời gian là: tp = 0 0 130 .10 180 ms = 7,22 ms Chọn điốt ổn áp BZX79 với điện áp UDz = 10V Chọn tụ C= 220nF Tính R3: R3 = . . p Dz E t U C = 3 6 12.7,22.10 10.0,22.10   = 39,4 kΩ, Chọn một điện trở 33 k nối tiếp biến trở 20 k vào vị trí R3 Tính điện trở R2 : Ta có thời gian để tụ C nạp điện là : tn = 2 T - tp = 10ms – 7,22ms = 2,78ms Điện áp bão hòa của OA là: Ubh = E – 1,5 = 12-1,5= 10,5 V. Vậy R2 ≤ 6 3 3 3 0,7 10,5 0,7 . 0,22.10 .10 12 2,78.10 39,4.10 bh Dz n U C U E t R        = 9 kΩ, ta chọn R2 = 8,6kΩ 5.7.3. Tính toán khâu so sánh R5 R6 OA3 Urc Uđk Uss Hình 5.13. Sơ đồ nguyên lí so sánh hai cửa dùng khuếch đại thuật toán Chọn OA là loại TL084 Chọn R5 = R6 > v v U I = 3 12 2.10 = 6kΩ Vì Vcc = ± 12V nên điện áp vào OA là Uv = 12V Dòng điện vào được hạn ché để Ilv <1mA 44 Nên R5= R6 =15 k khi đó dòng qua OA là: Ivmax = 3 12 15.10 = 0,8mA 5.7.4. Tính toán khâu tạo xung chùm C2 R7 R8 R9 Udd Hình 5.14. Sơ đồ nguyên lí mạch tạo xung chùm dùng khuếch đại thuật toán. Tần số dao động 10kHz tương ứng với chu kỳ là : T = 1 f = 3 1 10.10 = 100 µs Chọn tụ C có trị số là 10nF Chọn R9 = 2 R8 với giá trị cụ thể R8 =5k và R9 =10k , khi đó ta có T=2R7 C ln(1+1) = 2R7 C ln2 = 1,4R7 C Nên R7 = 1, 4 T C = 6 9 100.10 1,4.10.10   = 7,1 k 5.7.5. Tính toán biến áp xung Ta có Thyristor T11-50 có Uđk = 5V, Iđk = 200mA Thể tích máy biến áp: V = 2 2 . . . . . ba x xk U I t U B H    Trong đó: - tx là độ rộng xung, tần số xung chùm 10 kHz tương ứng chu kỳ một xung là : Txc = 3 1 1 100 10.10xc s f   , Cho rằng xung đối xứng thì khoảng nghỉ bằng khoảng có xung, có nghĩa khoảng cách giữa xung là: tx = tn = 0,5Txc = 50 µs. 45 - Ux: độ sụp áp xung cho phép, thường lấy băng 0,1÷ 0,2, ta chọn Ux =0,1 - B: độ biến thiên cường độ từ trường . Chọn B = 0,2T - H: độ biến thiên mật độ từ cảm. Chọn H = 30 [H/m] - kba là hệ số biến áp xung . Chọn kba = 3 - U2 : trị số hiệu dụng điện áp biến áp xung . U2 = 6V - I2 : dòng điện thứ cấp biến áp xung I2 = 0,5. Iđk = 0,5. 200.10 -3 = 100.10 -3 A Từ đó V= 3 6 6 3 33.6.100.10 .50.10 .0,1 1,5.10 1,5 0,2.30 m cm     5.7.6. Tính toán khối khuếch đại xung R13 R11 R12 R16 C5 D5 D7 D6 T2 T3 BAX - + +E Udx Hình 4.15. Sơ đồ khuếch đại xung ghép biến áp xung dạng xung chùm. Chọn biến áp xung có tỉ số k=3, vậy tham số điện áp và dòng điện cuộn sơ cấp là : U1 = U2.k = 3.6 =18V, I1 = 3 gI = 3200.10 0,067 3 A   Nguồn công suất phải có trị số lớn hơn U1 để bù sụp áp trên điện trở vì vậy chọn Ecs =24V. Từ hai giá trị Ecs và I1 chọn T1 loại BD135 có tham số Uce = 45V, Icmax = 1,5A, tra bảng có min =40. Theo đó: R13 > 24 16 1,5 cs cp E I    , chọn R13 = 18Ω Công suất điện trở này thường khoảng (2÷4)w do dòng qua nó lớn và thường xuyên đạt giá trị là lớn nhất tương ứng góc điều khiển nhỏ nhất. Kiểm tra độ sụt áp trên điện trở này khi bóng dẫn dòng: UR13 = I1.R13 = 0,067.18 = 1,2 V 46 U1 = Ecs – UR13 = 24-1,2 = 22,8V và lớn hơn 12V nên đạt yêu cầu. Tuy nhiên để tăng mạch xung kích cho van vẫn có thể dùng thêm tụ C tăng cường áp được tính như sau: Tần số xung chùm 10kHz tương ứng chu kỳ một xung là: Txc = 3 1 1 100 10.10xc s f   Cho rằng xung đối xứng thì khoảng nghỉ bằng khoảng có xung, có nghĩa khoảng cách giữa xung là: tx = tn = 0,5Txc = 50 µs. Vậy: C < 6 6 12 50.10 0,93.10 0,93 3 3.18 nt F R      , chọn C5 = 1μF. Bóng T2 chọn loại BC107 có Uce =45V; Icmax = 0,1A; min = 110. Vậy điện trở đầu vào có trị số: R11 ≤ 40.110.24 73,3 1,2.1,2 k  chọn R11 = 68kΩ 5.8. Nguồn nuôi mạch điều khiển Nguồn nuôi tạo điện áp ±15 (V) để cấp nguồn nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Ta dùng mạch chỉnh lưu cầu ba pha dùng điốt, điện áp thứ cấp cuộn dây a1, b1, c1 của máy biến áp là: 2 12 5,1 , 2,34 U V  ta chọn 9V. Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi, ta dùng 2 vi mạch ổn áp IC7815 và IC7915 có các thông số chung như sau: Điện áp đầu vào: Uv = 7÷35V. Điện áp đầu ra: Ura = 12V với IC7815; Ura = -12V với IC7912. Dòng điện đầu ra: Ira = 0÷1 A. Tụ điện C4, C5 dùng để lọc sóng hài bậc cao. Chọn C4 = C5 = C6 = C7 = 470μF; U = 35V 47 A B C * * * 7812 a b c C4 C6 470μF 470μF +12V ~220V * * * a b c C5 C7 470μF 470μF -12V 7912 Hình 5.16. Sơ đồ tạo nguồn nuôi ±12V 48 Chương 6. Tổng hợp bộ điều khiển tự động và mô phỏng truyền động điện cơ cấu nâng hạ 6.1. Mô hình toán học động cơ 1 chiều 6.1.1. Chế độ xác lập Động cơ được sử dụng là động cơ 1 chiều kích từ song song có sơ nguyên lý: ĐC KT + - Uư I ω Iư Ikt Hình 6.1. Sơ đồ nguyên lý động cơ 1 chiều kích từ song song Trong chế độ xác lập, dòng điện kích từ Ikt đi qua cuộn kích từ tạo ra từ thông kích thích Φ trong động cơ. Phần ứng được đặt vào nguồn cung cấp 1 chiều có điện áp Uư và dòng điện Iư chạy trong dây quấn phần ứng. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo ra momen quay làm quay trục động cơ. Giá trị mô men điện từ sinh ra: uM K I  , với KM – là hằng số của động cơ Khi phần ứng quay, dây quấn phần ứng quét qua từ thông kích từ làm xuất hiện trong hiện suất điện động cảm ứng: dE K   . Phương trình cân bằng điện áp phần ứng động cơ: u d ud u ud uU E R I K R I     Từ đó ta có phương trình đặc tính điện: u ud u M U R I K     49 6.1.2. Chế độ quá độ Điện áp phần ứng: u u u u d u dI U R I E L dt    (1) Viết dưới dạng toán tử Laplace: Uu(p) = RuIu(p) + Ed + LupIu(p) = (Ru + Lup)Iu(p) + Ed(p) 1 1 (p) E (p) 1 (p) 1 1 u d u u uu u u u u U R R LI R L p p p R         , Trong đó: Td = u u L R - là hằng số thời gian phần ứng Với: - Lu - điện cảm mạch phần ứng 30,1 18,86 48,87 u ud dL L L mH     Lud – điện cảm phần ứng động cơ, 60. 60.440 0,56 0,56 0,56 30,1 . . . .2 n 31,5.2.2 .1240 Ddm Ddm dm dm m u d dm dL U U mH I p I p      Ld – điện cảm cuộn kháng lọc, Ld = 18,86 mH - Ru – điện trở mạch phần ứng 0,534 0,0293 0,5633 du udR R R      Rud – điện trở phần ứng động cơ, Rud = 0,534 Ω Rd – điện trở cuộn kháng lọc, Rd = 0,0293 Ω - 330,1.1 0,0 0 0,579 53 4 u u u T s L R    - hằng số thời gian mạch phần ứng. Momen quay sinh ra trên trục động cơ: MM = KMΦIu. Phương trình động lực học trên trục động cơ: .M t d M M J J dt     (2), với γ – là gia tốc góc của trục động cơ Viết dưới dạng toán tử Laplace: 50 M t M t M M M M Jp Jp        Trong đó: J - momen quán tính của hệ thống. 2 0,425 0,1 0,525 dc ccJ J J kgm     . 440 31,5. 129, 0,5633 3,253 8 dmDdm ud dm R K U I      Từ các phương trình động học trên, ta có được mô hình toán học của động cơ 1 chiều: Hình 6.2. Mô hình động toán học động cơ 1 chiều 6.2. Mô hình phản hồi dòng điện Phương án phản hồi dòng điện được được sử dụng ở đây là đo dòng xoay chiều 3 pha như trong hình 5.3. Ba biến dòng lắp ở 3 pha với điện trở R0 mắc song song mỗi biến dòng. Điện áp thứ cấp biến dòng qua mạch chỉnh lưu cầu điốt 3 pha, mạch lọc RC thành phần chỉnh lưu. Điện trở RI nối tiếp điốt D0 phục vụ cho việc đo tín hiệu dòng điện. Ia Ib Ic R0 R0 R0 RI R U2I U20 D0 Hình 6.3. Mạch đo dòng xoay chiều 3 pha KΦ KΦ Uu + Iư M + -MC ω -Eu 51 Điện áp đầu ra chỉnh lưu: U2d = RIId, trong đó 2 3 2 dI I   Với PI là tỉ số biến dòng, chọn PI = 100/5 = 20 ta có hàm truyền cơ cấu đo dòng điện:       2 1 I I I I I U p K G p I p p    Trong đó: KI = 10 2,5 đmI = 10 2,5.31,5 = 0,127 – hệ số tỷ lệ τI = RC – hằng số thời gian bộ lọc Chọn τI = 0,0005 s, ta có hàm truyền khâu phản hồi dòng điện: 1 i i K T p  = 0,127 0,0005 1p  6.3. Mô hình bộ phản hồi tốc độ Đo tốc độ sử dụng máy phát tốc 1 chiều (hình 6.4) là phương pháp phản hồi tốc độ được ta sử dụng trong bài này. Máy phát tốc 1 chiều là một thiết bị nối đồng trục với động cơ, tạo ra điện áp 1 chiều. Điện áp 1 chiều đó được dùng làm tín hiệu phản hồi âm tốc độ. ĐC ω C R Rt Uω Hình 6.4. Mạch nguyên lý phản hồi tốc độ bằng máy phát tốc 1 chiều Khi từ thông máy phát tốc không đổi, ta có điện áp đầu ra máy phát tốc: _. u pt pt clU K R I U     Nếu chọn điện trở đủ lớn, ta có: .U K   Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền máy phát tốc: 52       1 U p K G p p p         Trong đó: Kω – hệ số tỷ lệ Ipt – dòng tải của máy phát Ru_pt – điện trở phần ứng máy phát τω – hằng số thời gian bộ lọc. Chọn máy phát tốc với các thông số sau: Bảng 6.1. Thông số của máy phát tốc loại Tπ-4: Mã hiệu Pđm(W) nH(v/p) UH(V) IH(A) RH(Ω) Tπ-4 70 1000 15 5 100 Ta có hệ số khuếch đại phản hồi âm tốc độ được tính như sau: 60. 15.60 0,143 2 1000.2 dm dmU UK n         Chọn Tω = 0,001 s, ta có hàm truyền khâu phản hồi tốc độ 0,039 1 0,001 1 K T p p      6.4. Mô hình bộ biến đổi điện áp Điện áp trung bình của đầu ra chỉnh lưu Thyristor loại p xung:  2 sin cos m d p u U m           Trong đó: m = 6 - độ đập mạch điện áp chỉnh lưu đầu ra cho chỉnh lưu ba pha. 2 mU = 380V - giá trị định của điện áp dây đặt vào mạch chỉnh lưu Mối quan hệ giữa góc mở α của Thyristor với điện áp điều khiển, khi điện áp tựa có dạng sườn răng cưa đi lên: 53 dk cm u U   , Ucm = 10V – giá trị đỉnh của điện áp tựa xung răng cưa Ta có mối quan hệ giữa điện áp đầu ra Thyristor và điện áp điều khiển Thyristor là: 2 sin sin md dk r dk cm cm u um K U u U m U                  Hệ số Kr thay đổi phụ thuộc vào điện áp điều khiển udk và được xác định cho từng điểm làm việc cụ thể. Mặc dù vậy, với mục đích thiết kế bộ điều chỉnh (hệ thống chỉnh lưu phải hoạt động ổn định trong toàn dải điều chỉnh), ta sẽ sử dụng giá trị lớn nhất của Kr được định nghĩa là Krm được xác định như sau: 2 sin 114 m rm cm m K U U m        Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và điện áp điều khiển được thể hiện:       2 3 114 1 1 1,67.10 1 2 T p d rm BBDm BBD rm dk BBD u p K K G p K e Tu p p p p m                 Trong đó: T = 0,02s là chu kỳ điện áp lưới. 31,67.10BBD  - hằng số thời gian bộ biến đổi điện áp 6.5. Tổng hợp hệ điều khiển vòng kín Ta có cấu trúc hệ điều khiển truyền động điện của động cơ một chiều như sau: 54 Rω RI GBBD KΦ KΦ Gω Gi Uω * + - Uω eω ei UI * + - UI Bộ hạn chế dòng điện đặt Bộ điều khiển tốc độ Bộ điều khiển dòng điện Bộ biến đổi điện áp Mc ω Udk U + Eư - Iư M + - Mô hình động cơ Bộ phản hồi dòng điện Bộ phản hồi tốc độ Hình 5.5. Sơ đồ khối chức năng hệ thống điều khiển động cơ một chiều 6.5.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện RI GBBD Gi eI UI * + - UI Bộ điều khiển dòng điện Bộ biến đổi điện áp Udk U + Eu - Iu Bộ phản hồi dòng điện Hình 5.6. Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện RI UI * + - UI eI SI Hình 5.7. Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện đơn giản Hệ thống truyền động điện có hằng số cơ học lớn hơn nhiều lần hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng. Vì vậy, ta có thể coi sức điện động của động cơ không ảnh 55 hưởng đến quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện (tức là coi ΔEd = 0 hay Ed = KMΦω = const). Hàm truyền của mạch dòng điện phần ứng:          BBD . / .G . 1 . 1 1 1/ 1 BBD I u I I BBD i u I u u K G K R S R pp p p p p R p         Các hằng số thời gian τBBD, τI rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ τu, đặt τSI = τBBD + τI =0,00167 + 0,0005 = 0,00217 s ⟹    . / 1 1 BBD I u I SI u K K R S p p     , trong đó: τSI << τu Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module ta có hàm truyền của bộ điều khiển dòng điện có dạng khâu PI: 1 1I RI RI R K p        Với RI u  , 2 . u u RI BBD I SI R K K K    11 1 1 1 2 .2 . . . u u u I RI BBD IRI BBD I SI u SI u R p R K K Kp K K p p R                       Hàm truyền kín mạch vòng dòng điện:   1 2 1 1 kI SI SI F p p     Cuối cùng, hàm truyền mạch vòng dòng điện sẽ là:       1 1 . * 2 1 1I I SI SI I p U p K p p     56 6.5.2. Tổng hợp mạch vòng tốc độ Rω Gω Uω * + - Uω eω UI * Bộ hạn chế dòng điện đặt Bộ điều khiển tốc độ ω Bộ phản hồi tốc độ FkI Mc E UI M Hình 5.8. Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ Rω Uω * + - Uω eω Sω Hình 5.9. Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ đơn giản Hàm truyền mạch vòng dòng điện:       1 1 1 1 . . * 2 1 1 2 1I I SI SI I SI I p U p K p p K p           . 1 . . 2 1 1I SI K K J K p p p S        . . S I K K K J K    Vì  có giá trị nhỏ nên đặt 2 2S SI       . 1 . . 2 1I S K K J K p S p       1 R R R p R K p         57 Ta chọn tiêu chuẩn tối ưu đối xứng để thiết kế bộ điều chỉnh: Chọn a = 81, 2 162R S Sa      , . .1 9 I I R SS S S J K J K K K KK a aK K             Hàm truyền đạt hở hệ thốn;g điều khiển tốc độ:     1 . 1 2 ..1 1 . . . . . . 2 1 2 . 2 1 R SI h R R I S S I SS p K K a p K KJ K F K p J K p p a p J K p paK K                                2 2 1 2 1 162 1 1621 1 1 1 . . . . 2 2 1 9 162 2 1 1458 2 1 S S S S S S S S S SS a p p p a p p p p p p p pa                              Hàm truyền kín mạch vòng tốc độ: 2 2 3 32 2 3 3 1 2 1 162 1 1 162 1458 29161 2 2 4 S Sh k h S S SS S S a p pF F F p p pa p a a p a a p                            Chú ý: Khi tổng hợp hệ thống theo phương pháp tối ưu đối xứng thường phải dùng thêm khâu tạo tín hiệu đặt để tránh quá điều chỉnh. Khâu tạo tín hiệu đặt này thường có hàm truyền của khâu lọc thông thấp, trong bài mô phỏng ta sử dụng khối Ramp để tạo giá trị đặt. 6.6. Mô phỏng 6.6.1. Mô phỏng hệ thống điều khiển trên Matlab Simulink Ta có sơ đồ khối (với các hàm truyền) của hệ thống điều khiển truyền động: Hình 6.10. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển có thêm khâu Ramp 58  Cài đặt các gía trị tham số trên M-file: clear all clc J=0.525; % Momen quán tính Lud=30.1*10^-3; % dien cam phan ung dong co Ld=18.86*10^-3; % dien cam cuon kháng loc Lu=Lud+Ld; % dien cam mach phan ung Rud=0.534 ; % dien tro phan ung dong co Rd=0.0293 ; % dien tro cuon kháng loc Ru=Rud+Rd; % dien tro mach phan ung Tu=Lu/Ru; % hang so thoi gian phan ung Ku=1/Ru; % he so ti le phan ung Kphi=3.253; % hang so tu thông KI=0.127; % he so ti le cam bien dòng TI=0.0001; % hang so thoi gian cam bien dòng Kw=0.143; % he so ti le phát toc Tw=0.001; % hang so thoi gian phát toc Kbbd = 114; % he so ti le bo bien doi dien áp Tbbd = 0.00167; % he so thoi gian bo bien doi dien áp TSI=Tbbd+TI; % RIm=(2*Kbbd*KI*TSI)/Ru; RIt=Tu; TSw=(2*TSI+Tw)/2; a = 81; % Rwt=2*a*TSw; Rwm=(sqrt(a)*TSw*Kw*Kphi)/(J*KI); 59 6.6.2. Kết quả mô phỏng Hình 6.11: Đồ thị dòng điện chưa có khâu Ramp 60 Hình 6.12. Đồ thị dòng điện đã thêm khâu Ramp 61 Hinh 6.13. Phản hồi tốc độ chưa có khâu Ramp 62 Hình 6.14. Đồ thị tốc độ đã thêm khâu Ramp 63 Tài Liệu Tham Khảo [1] Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Nguyễn Thị Hiền: Truyền Động Điện, Nhà xuất bản khoa học & kĩ thuật, 2005. [2] Võ Minh Chính – Phạm Quốc Hải – Trần Trọng Minh: Điện Tử Công Suất, Nhà xuất bản khoa học & kĩ thuật, 2007. [3] Vũ Quang Hồi – Nguyễn Văn Chất – Nguyễn Thị Liên Anh: Trang Bị Điện – Điện Tử máy công nghiệp dùng chung, Nhà xuất bản giáo dục, 2006. [4] Phạm Quốc Hải: Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học & kĩ thuật, 2009. [5] Lê Văn Doanh – Nguyễn Thế Công – Trần Văn Thịnh: Điện Tử Công Suất Lý thuyết – Thiết kế – Ứng dụng, Nhà xuất bản khoa học & kĩ thuật, 2004. [6] Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Phạm Quốc Hải – Dương Văn Nghi: Điều chỉnh tự động Truyền Động Điện, Nhà xuất bản khoa học & kĩ thuật, 2008. [7] Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn: Cơ sở Truyền Động Điện, Nhà xuất bản khoa học & kĩ thuật, 2007.