Đồ án Tổng hợp điện cơ - Điện tử công suất sơ đồ tia 3 pha không có d0

giảm đáng kể tuổi thọ động cơ và không khắc phục được sự cố như mất điện . 3.3. Hãm động năng Ta xét trường hợp hãm động năng kích từ độc lập Sơ đồ nguyên lý (H.21) Nguyên lý làm việc. Hãm động năng kích từ độc lập xẩy ra khi động cơ đang quay ta cắt phần ứngđộng cơ ra khỏi lưới điện một chiều rồi đóng kín qua một điện trở hãm Rh còn mạch kích từ vẫn giữ nguyên f =const . Tại thời điểm cắt phần ứng khỏi lưới điện do động năng tích lũy được ở quá trình làm việc trước đó nên rôto vẫn quay theo chiều cũ với tốc độ ban đầu Ebđ = k.f.wbđ Vì phần ứng được khép mạch qua điện trở hãm Rh nên sức điện động ban đầu sinh ra dòng điện hãm ban đầu được xác định . Mhbđ =k.f.wbđ < 0 .Mô men ngược chiều với tốc độ .Mặt khác điện áp lúc đầu đặt vào phần ứng động cơ lúc hãm bằng không nên ta có phương trình đặc tính cơ khi hãm là . Với Ih ,Mh< 0 .Đây là phương trình đường thẳng đi qua gốc toạ độ dạng của chúng được biểu diển như trên hình (H.22). Ta có : Độ cứng phụ thuộc vào Rh khi Rh càng nhỏ thì đặc tính cơ càng cứng ,mô men hãm càng lớn hãm càng nhanh.Tuy nhiên phải chọn Rh sao cho Ihbđ £ (2¸2.5)Iđm. Khi hãm động năng kích từ độc lập tiêu thụ ít năng lượng từ lưới .Năng lượng chủ yếu được tạo ra do động năng của động cơ tích được trong quá trình làm việc .Trong quá trình hãm động cơ chỉ tiêu thụ công suất kích từ rất nhỏ Pkt=(1¸5)%Pđm . 3.4. Đánh giá chọn phương pháp hãm dừng động cơ Từ những phân tích cụ thể của từng phương pháp hãm ta thấy Phương pháp hãm ngược hãm nhanh có hiệu quả tuy nhiên tổn thất năng lượng lớn làm phát nóng động cơ ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị .Còn phương pháp hãm động năng có hiệu quả kém hơn phương pháp hãm ngược khi có cùng tốc độ ban đầu và mô men cản Mc .Tuy nhiên hãm động năng lại ưu việt hơn về mặt năng lượng tiêu thụ rất ít năng lượng từ lưới và mạch điều khiển cũng đơn giản hơn .Do đó ta chọn phương pháp hãm động năng để hãm dừng động cơ. IV. PHÂN TÍCH CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU Từ những phân tích ta đã chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp mạch phần ứng .Phương pháp này là phải dùng bộ biến đổi (BBĐ) .BBĐ là một khâu quan trọng của hệ thống truyền động điện là một trong những yếu tố quyết định đến chất lượng của hệ thống . Theo yêu cầu của đề tài ở đây ta lựa chọn BBĐ chỉnh lưu là hệ thống van động cơ (T-Đ) 4.1 Hệ thống van động cơ (T-Đ) 1.Sơ đồ khối a)Nguyên lý làm việc Bộ biến đổi biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều .Khi thay đổi giá trị điện áp Uđk ta thay đổi được góc điều khiển a nhờ đó thay đổi được sức điện động của bộ biến đổi Eb = Ebm.cosa ® thay đổi được điện áp đặt vào mạch phần ứng động cơ Ud = f(a) ® thay đổi được tốc độ động cơ. b)Phương trình đặc tính cơ Khi bỏ qua sụt áp thuận trên 1 van ®DUV = 0 Trong đó : : Sức điện động của bộ biến đổi Rb, Rư , Rck : Điện trở của bộ biến đổi, phần ứng động cơ, cuộn kháng. c)Dạng đặc tính cơ Khi thay đổi giá trị góc điều khiển a=0¸1800 thì Eb =-Ebm¸ Ebm khi đó ta nhận được một họ đường thẳng song song với nhau bố trí trên nửa mặt phẳng bên phải của hệ trục (M ,w) như hình vẽ bên (H .12). d)Nhận xét ưu nhược điểm của BBĐ van-động cơ Ưu điểm : Điều chỉnh trơn và điều chỉnh vô cấp Để dàng điều chỉnh, tác động nhanh Phạm vi điều chỉnh rộng BBĐ gọn nhẹ ,chắc chắn không cần nền móng Dễ tự động hoá và van có hệ số công suất cao Nhược điểm : Kém linh hoạt chuyển đổi Điều khiển kém độ nhạy khi tín hiệu điều khiển lớn Đảo chiều gặp khó khăn Đặc tính mềm hơn hệ F-Đ V. MẠCH PHẢN HỒI Trong thực tế nhiều máy sản xuất ngoài yêu cầu điều chỉnh tốc độ vô cấp,còn có yêu cầu cao với sai lệch tĩnh.Điều này đối với hệ thống hở không thể thực hiện được, nó chỉ thực hiện điều chỉnh trong 1 phạm vi nhất định.Vậy để giải quyết vấn đề này ta sử dụng hệ thống điều khiển mạch vòng kín có phản hồi Với những yêu cầu mà đề tài đã đưa ra,ở đây ta sử dụng mạch phản hồi âm tốc độ và phản hồi âm dòng điện 5.1 Phản hồi âm tốc độ - Trong sơ đồ dùng phản hồi âm tốc độ bằng máy phát tốc, ưu điểm điểm của nó là lượng vào và lượng ra có quan hệ tuyến tính, không gây nhiễu loạn, làm việc êm, kích thước và trọng lượng nhỏ. Dùng phản hồi này có tác dụng làm tăng hệ số khuếch đại của hệ thồng, làm tăng độ cứng của đặc tính cơ, tức là làm tăng độ ổn định của tốc độ động cơ. Sơ đồ nguyên lý khâu phản hồi âm tốc độ dùng máy phát tốc như hình vẽ WR4 -¡n Ft 5.2 Phản hồi âm dòng điện Trong quá trình quá độ phải luôn giữ được dòng điện (hoặc momen điện từ) ở giá trị tối đa cho phép,làm cho hệ thống truyền động điện đạt được gia tốc tối đa cho phép khi khởi động,sau khi tốc độ đạt tới trạng thái ổn định,lại làm cho dòng điện lập tức giảm xuống để momen cân bằng với phụ tải.Muốn đạt được như vậy ở đây ta dùng phản hồi âm dòng điện là có thể nhận được quá trình dòng điện gần như không đổi. VI. MÁY PHÁT TỐC * Vai trò của máy phát tốc. Máy phát tốc làm nhiệm vụ đo tốc độ của động cơ để lấy tín hiệu áp đầu ra để khống chế tín hiệu vào giữ cho động cơ luôn quay với tốc độ ổn định.nguyên lý làm việc đơn giản như máy phát điện một chiều .Trục của động cơ nối cứng với máy trục của máy fát tốc khi động cơ quay kéo trục của máy fát tốc fát ra ở đầu ra sức điện động .Phải chọn máy phát tốc sao cho khi động cơ quay với tốc độ ổn định thì Sđđ ở đầu ra bằng không. VII. BỘ KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU TRUNG GIAN ( BỘ ĐIỀU CHỈNH ) Để đáp ứng yêu cầu về độ cứng đặc tính cơ, phạm vi điều chỉnh tốc độ, độ nhạy, độ tác động nhanh của hệ thống và tăng hiệu quả hệ thống, ta dùng khâu khuếch đại trung gian Bộ khuếch đại có ưu điểm là: - Nâng cao khả năng khuếch đại của hệ thống để đạt được hệ số khuếch đại yêu cầu. - Có khả năng khống chế các rơ le, các công tắc tơ và khống chế các mạch đầu vào của bộ khuếch đại . Kết quả là để nâng cao được độ bền của các thiết bị khống chế rơ le, công tắc tơ. B. XÂY DỰNG HỆ THỐNG Sơ đồ hệ thống điều tốc 2 mạch vòng tốc độ quay và dòng điện Với: Rw : bộ điều chỉnh tốc độ quay ; RI: bộ điều chỉnh dòng điện FT: máy phát tốc Fx: mạch phát xung điều khiển các T của BBĐ CBD:cảm biến dòng điện Ucđ : điện áp chủ đạo gn: phản hồi tốc độ bI:phản hồi dòng điện Đ:là động cơ một chiều kích từ độc lập. II. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều chỉnh tốc độ 2 mạch vòng âm tốc độ và âm dòng điện Kw: hệ số phản hồi tốc độ KI: hệ số phản hồi dòng điện KBBĐ: là hệ số khuếch đại của BBĐ KD:hệ số khuếch đại của động cơ C. KẾT LUẬN CHUNG Qua phân tích các ưu, nhược điểm của các phương án ở trên em đã chọn ra được phương án tối ưu để phù hợp với yêu cầu của đề tài. 1.Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập. 2.Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cấp cho mạch phần ứng động cơ. 3.Hãm động năng để hãm dừng động cơ. 4.Mạch phản hồi dùng phản hồi âm tốc độ và phản hồi âm dòng điện. Kết quả của phần I được sử dụng ở phần II,III,IV,V tiếp theo PHẦN II THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ * Đặt vấn đề - Căn cứ vào kết quả ở phần I và sơ đồ cấu trúc của hệ thống.Ở phần 2 này ta thiết kế sơ đồ nguyên lý Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động điện bao gồm 2 phần chính: Thiết kế mạch động lực. Thiết kế mạch điều khiển. +Mạch động lực : là khâu trực tiếp thực hiện các quá trình biến đổi năng lượng theo yêu cầu công nghệ. +Mạch điều khiển : là khâu có chức năng điều khiển khống chế mạch động lực thực hiện các quá trình biến đổi đó -Nội dung chính của phần II này gồm A . Thiết kế sơ đồ mạch động lực I. Phân tích sơ đồ BBĐ chỉnh lưu II.Sơ đồ mạch lực B. Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển I.Giới thiệu chung II Thiết kế mạch điều khiển 1. Khối đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa. 2. Khối so sánh. 3. Khối tạo xung. 4. Mạch khuếch đại và truyền xung. 5. Khối tổng hợp và khuếch đại trung gian. 6. Mạch tạo nguồn nuôi và tín hiệu điều khiển. * ) Kết luận : A. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC I. Phân tích sơ đồ bộ biến đổi chỉnh lưu Theo yêu cầu đề tài ta sử dụng bộ biến đổi sơ đồ hình tia 3 pha không có Do Sơ đồ nguyên lý - Giản đồ làm việc dòng điện - điện áp * Nguyên lý hoạt động nh sau: Với giả thiết Ld = , cho sơ đồ làm việc với một góc điều khiển và cũng giả thiết là sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm bắt đầu xét (): -Tại thời điểm wt =n1 thì uac > 0 nên uT1> 0. Đặt xung vào T1 làm T1 mở và uT1 giảm về bằng không. Do uT1=0 nên ud=ua , và từ sơ đồ ta xác định được điện áp trên T3 là : uT3=uc - ua = uac , tại n1 thì uac<0, tức là T3 bị đặt điện áp ngược nên khoá lại, van T2 thì vẫn khoá, do vậy trong khoảng tiếp sau n1 trong sơ đồ chỉ có van T1 dẫn dòng, khi T1 dẫn dòng : ud= ua ; iT1= ia = Id ; iT2=0 ; iT3=0 ; uT2= uba ; uT3=uca . Đến wt = 5p/6 thì ua=ub , đây là thời điểm mở tự nhiên đối với T2 , nhung T2 cha mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, do ua vẫn dương kết hợp với tác dụng cùng chiều của sđđ tự cảm trong Ld mà T1 vẫn tiếp tục dẫn dòng. Đến wt = p thì ua=0 và sau đó chuyển sang âm nhng T2 còn chưa mở nên T1vẫn tiếp tục làm việc nhờ s.đ.đ tự cảm của Ld. -Tại wt = n2 = 5p/6 + a thì T2 có tín hiệu điều khiển và do đang có điện áp thuận nên T2 mở, T2 mở thì uT2 giảm về bằng không nên ud= ub và uT1= ua- ub= uab mà tại n2 thì uab<0, tức là T1 bị đặt điện áp ngược nên khoá lại. Do vậy từ n2 trong sơ đồ chỉ có van T2 dẫn dòng, khi T2 mở : ud= ub uT1= 0 iT3= 0 iT2= id= Id uT1= uba uT3= ucb iT1= 0 Suy luận tương tự nh vậy ta có từ wt=n2 đến wt=n3 thì T3 làm việc và: ud= uc uT1= 0 iT2= 0 iT3= id= Id uT1= uac uT2= ubc iT3=0 Tại wt = n1 (chậm sau thời điểm mở tự nhiên đối với T1 1 góc điều khiển a) thì T1 có tín hiệu điều khiển lúc này uT1 thuận (uT1= uac tại u1>0) dẫn đến T1 mở suy ra uT1 giảm về 0 và uT3= uc - ua = uca. Tại n1: uT3 <0 tức là T3 bị đặt điện áp ngược còn van T3 vẫn chưa dẫn dòng. Như vậy trong giai đoạn này thì trong sơ đồ chỉ có van T1 dẫn dòng ta có: ud=ua uT2=uba iT1= id = Id uT1=0 uT3=uca iT2=0; iT3 = 0 Đến wt=p thì ua=0 và bắt đầu chuyển sang âm, ở trường hợp này ta phải giả sử góc a > 300 thì tại thời điểm này van T2 vẫn chưa có tín hiệu điều khiển ung, ua có xu hướng chống lại dòng qua T1, nhưng do sức điện động tự cảm trong Ld do đó van T1 vẫn tiếp tục dẫn dòng. Tại n2: uT1 <0 tức là T1 bị đặt điện áp ngược còn van T1 khoá lại và ta có: ud= ub uT2=0 iT3=0 iT2=id=Id uT1=uba uT3=ucb iT1=0 Tại wt = n3, T3 có tín hiệu điều khiển UT3 thuận dẫn đến T3 mở và uT3 giảm về 0, uT2= ub-uc. Tại n3: uT2 <0 tức là T2 bị đặt điện áp ngược còn van T2 khoá lại và ta có: ud=uc uT2=ubc iT1=0 iT3=id=Id uT1=uac uT3=0 iT2=0 Tại n4: uT2 <0 tức là T2 lại có tín hiệu điều khiển T1 mở, T3 bị đặt điện áp ngược khoá lại. Sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc ban đầu. * Một số biểu thức tính toán: , với II. Sơ đồ mạch động lực : BAL: Máy biến áp động lực. ATM: Áptômát. H : Tiếp điểm của rơle hãm. RH: Cuộn rơle hãm. B. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN I. Giới thiệu chung Để cho các van của hai bộ biến đổi mở tại những thời điểm mong muốn thì ngoài điều kiện tại thời điểm đó trên van phải có điện áp thuận thì trên cực điều khiển phải có một điện áp điều khiển (còn gọi là tín hiệu điều khiển hay xung điều khiển) .Để có hệ thống các xung điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu mở van thì ta cần phải có một mạch điện để tạo ra xung điều khiển đó .Mạch điện tạo ra hệ thống xung điều khiển đó gọi là mạch điều khiển . Hệ thống tạo xung điều khiển có nhiệm vụ tạo ra - 3 kênh điều khiển - Góc điều khiển thay đổi rộng - Thông số xung các kênh phải như nhau Xung điều khiển phải thoả mản các yêu cầu cơ bản như công suất ,biên độ cũng như thời gian tồn tại xung để mở chắc chắn các van đối với mọi loại phụ tải .Thông thường độ dài xung nằm trong khoảng (200¸600)ms là đảm bảo mở chắc chắn các van . Hiện nay thường sử dụng 3 hệ thống tạo xung cơ bản sau - Hệ thống điều khiển pha đứng - Hệ thống điều khiển pha ngang - Hệ thống điều khiển dùng điôt 2 cực gốc Hệ thống điều khiển pha đứng 1.Sơ đồ khối hệ thống điều khiển theo pha đứng (Hình 2.1) 1 5 4 3 2 UGT u1 ĐBH Điện áp tựa (Sóng răng cưa) So sánh Tạo xung Phân chia xung Uđk Hình 2.1. Sơ đồ khối điều khiển theo pha đứng - Khối 1 là khối đồng bộ hoá (ĐBH): Tín hiệu điện áp đưa vào khối này cũng chính là tín hiệu cấp cho mạch động lực của bộ chỉnh lưu (u1). Khối này ta thường sử dụng biến áp đồng bộ hoá để điện áp ra sau khối này có dạng sin với tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và trùng pha hoặc lệch pha 1 góc xác định so với điện áp nguồn - Khối 2 là khối tạo sóng răng cưa (điện áp tựa): Sau khối 1, điện áp đồng bộ (uđb) được đưa vào khối 2 để tạo ra điện áp dạng xung răng cưa (urc). Điện áp răng cưa urc là điện áp chuẩn để so sánh với Uđk của khối 3. - Khối 3 là khối so sánh: Qua khối này urc và Uđk được so sánh với nhau. Uđk là điện áp 1 chiều. Gia điểm của điện áp này với urc quyết định góc điều khiển α. - Khối 4 là khối tạo xung: Tín hiệu ra sau khối so sánh có dạng số (có tín hiệu “1” và không có tín hiệu “0”). Tuy nhiên xung này hầu như chưa đáp ứng được yêu cầu về biên độ xung, độ rộng xung, độ dốc xung,... Vì vậy cần phải có khối tạo xung để điều chỉnh các thông số này cho phù hợp. - Khối 5 là khối phân chia xung: Khối này để dẫn xung và phân chia xung cho Thyristor. Ta thường dùng biến áp xung (BAX) để thực hiện việc này. Trên thực tế lắp ráp mạch điều khiển theo pha đứng này người ta thường ghép khối 1 với khối 2 và khối 4 với khối 5. Vậy sơ đồ lắp ráp thực tế như (hình 2.2). khối3 khối 2 khối 1 UGT u1 ĐBH & PSRC So sánh Tạo xung & phân chia xung Uđk Hình 2.2. Sơ đồ khối điều khiển theo pha đứng thực tế ul : điện áp lưới (nguồn) xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu uđk : điện áp điều khiển đây là điện áp một chiều lấy từ đầu ra của khối(TH-KĐTG) dùng để điều khiển giá trị góc a . uđkT :Điện áp điều khiển Tiristo là chuỗi các xung điều khiển lấy từ đầu ra hệ thống điều khiển và được truyền đến cực điều khiển (G) và Katôt (K) của Tiristo . 2. Nguyên lý cơ bản của hệ thống điều khiển theo nguyên tắc pha đứng Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực chỉnh lưu được đưa đến mạch đồng bộ hoá của khối 1 và trên đầu ra của mạch đồng bộ hoá ta có các điện áp thường có dạng hình sin với tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và trùng pha hoặc lệnh pha một góc pha xác định nào đó so với điện áp nguồn .Điện áp này gọi là điện áp đồng bộ và ký hiệu là uđb .Các diện áp đồng bộ được đưa vào mạch phát điện áp răng cưa để khống chế sự làm việc của mạch điện này, kết quả là trên đầu ra của mạch phát điện áp răng cưa có một hệ thống các điện áp dạng hình răng cưa đồng bộ về tần số và góc pha với các điện áp đồng bộ .Các điện áp này gọi là điện áp răng cưa urc .Các điện áp răng cưa được đưa vào khối so sánh (SS) và ở đó còn có một tín hiệu khác nữa gọi là điện áp điều khiển uđk .Hai tín hiệu này được mắc với cực tính sao cho tác động của chúng lên mạch SS là ngược chiều nhau .Khối SS làm nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu này và tại những thời điểm 2 tín hiệu này có giá trị tuyệt đối bằng nhau thì đầu ra khối SS sẽ thay đổi trạng thái .Như vậy khối SS là một mạch điện hoạt động theo nguyên tắc biến đổi tương tự-số(Analog-Digital) .Do tín hiệu ra của mạch SS là dạng tín hiệu số nên chỉ có hai giá trị có ‘1’ hoặc không ‘0’.Tín hiệu ra của khối SS là các xung xuất hiện với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa ,nếu thời điểm bắt đầu xuất hiện của một xung nằm trong vùng sườn xung nào của urc tại sườn xung ấy của urc được gọi là sườn sử dụng .Điều này có nghĩa là :Tại thời điểm êurc ê=êuđkêở phần sườn sử dụng trong một chu kỳ của điện áp răng cưa thì trên đầu ra của khối SS sẽ bắt đầu xuất hiện một xung điện áp .Từ đó ta thấy có thể thay đổi được thời điểm xuất hiện xung đầu ra của khối so sánh bằng cách thay đổi giá trị của uđk khi giữ nguyên dạng của urc .Trong một số trường hợp thì xung ra của khối SS được đưa đến cực điều khiển của Tiristo nhưng đa số các trường hợp thì xung ra của khối SS chưa đủ các yêu cầu cần thiết đối với tín hiệu điều khiển Tiristo .Để có tín hiệu đủ yêu cầu thì người ta phải thực hiện việc sửa xung ,khuyếch đại xung ..vv .Các nhiệm vụ này được thực hiện ở mạch tạo xung (TX) cuối cùng trên đầu ra khối TX là một chuỗi xung điều khiển uđkT có đủ thông số yêu cầu về công suất ,biên độ ,độ dài xung vv…mà thời điểm bắt đầu xuất hiện của các xung thì hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối SS .Vậy thời điểm xuất hiện của tín hiệu điều khiển trên điện cực điều khiển và Katôt của Tiristo cũng chính là thời điểm xuất hiện xung đầu ra khối SS , tức là khối SS đóng vai trò xác định giá trị góc điều khiển a .Như đã nêu ở trên ,ta có thể thay đổi thời điểm xuất hiện xung ra khối so sánh bằng cách thay đổi giá trị uđk .Vậy điều khiển giá tri điện áp điều khiển uđk ta điều khiển được giá trị góc mở a . Hệ thống điều khiển pha đứng tuy có mạch phát xung khá phức tạp nhưng các xung được tạo ra đáp ứng được yêu cầu như Phạm vi điều chỉnh góc mở a rộng a = (0 ¸ 1800) Tổng hợp tín hiệu dễ dàng Công suất ,biên độ ,độ rộng xung đảm bảo yêu cầu mở Tiristo Dễ tự động hoá và tự động hoá ở trình độ cao Hệ thống điều khiển pha ngang Ở phương pháp này người ta tạo ra điện áp điều khiển hình sin có tần số bằng tần số của điện áp nguồn và góc pha điều khiển được.Thời điểm xuất hiện xung trùng với góc pha đầu của điện áp điều khiển.Phương pháp này có mạch điều khiển khá đơn giản nhưng lại có một số nhược điểm sau Phạm vi điều chỉnh góc mở a hẹp a <1800 Khó tổng hợp tín hiệu Rất nhạy với sự thay đổi của điện áp nguồn Hệ thống điều khiển dùng điốt 2 cực gốc Phương pháp này cũng tạo ra các xung nhờ việc so sánh giữa điện áp răng cưa xuất hiện theo chu kỳ điện áp nguồn xoay chiều với điện áp mở của UJT.Phương pháp này khá đơn giản tuy nhiên nó có một số nhược điểm sau. Phạm vi điều chỉnh góc mở a hẹp a <1800 Trong một chu kỳ điện áp nguồn hệ thống thường tạo ra nhiều xung điều khiển gây tổn thất phụ trong mạch điều khiển Đảo chiều khó khăn chỉ phù hợp hệ thống có công suất nhỏ Đánh giá chọn hệ thống điều khiển Từ những phân tích cụ thể đối với từng hệ thống điều khiển .Ta thấy hệ thống điều khiển pha đứng có nhiều ưu điểm phù hợp với công nghệ của đề tài .Do đó ta chọn hệ thống điều khiển pha đứng để thiết kế cho hệ thống . II.THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 2.1.Khối đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa (ĐBH-FSRC) Sơ đồ nguyên lý: * Nguyên lý hoạt động: Sơ đồ này sử dụng khuếch đại thuật toán(KĐTT) ghép với tụ C tạo thành một mạch tích phân,hoạt động của khâu này như sau: Giả thiết Tr khoá tụ C được nạp bởi dòng đầu ra của (KĐTT) dòng nạp được xác định (ic= -i1+iv) nếu (KĐTT) là lý tưởng thì điện trở của nó bằng vô cùng dẫn đến dòng iv và iv+ bằng không do vậy ic=-i1 mặt khác i1 I = const . Điều này nghĩa là khi Tr khoá thì tụ C được nạp với dòng không đổi có giá trị I Từ w t=0 thì Uđb=0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương dẫn đến D mở mạch gốc phát bị đặt điện áp ngược Tr khoá tụ C được nạp với dòng không đổi . Điện áp trên tụ tăng dần theo quy luật tuyến tính Đến w t=p và bắt đầu chuyển sang âm D khóa Tr mở tụ C phóng điện nhanh qua Tr đến điện áp bằng không và giữ nguyên giá trị băng không cho tới khi w t=2p . Tại w t=2p điện áp đồng bộ bằng không và bắt đầu chuyển sang dương D lại mở Tr lại khoá tụ C được nạp điện như khi w t=0 Hình : Giản đồ điện áp khâu phát sóng răng cưa . Khối so sánh Khối so sánh dựng để so sánh tớn hiệu điện áp ra sau khi ĐBH&PSRC (urc) với điện áp điều khiển một chiều (Uđk). Hai tín hiệu này đựơc mắc sao cho tác dụng của chúng đối với đầu vào khâu so sánh là ngược chiều nhau. Chính qua khối này sẽ quyết định thời điểm xuất hiện xung để kích mở Thyristor. Cụ thể thực hiện khối so sánh theo nhiều mạch khác nhau nhưng phổ biến nhất hiện nay là các sơ đồ so sánh dùng Transistor và dùng bộ khuếch đại thuật toán bằng vi điện tử. Ta có mạch so sánh sau: Kết quả đầu ra khối so sánh ta thu được dạng xung điện áp ra như hình 2.8. Hình 2.8. Qua sơ đồ sau ta thấy quan hệ: U’đk=K / Uđk . Với quan hệ này ta thấy U’đk và Uđk tỉ lệ ngịch với nhau. khi tăng Uđk thì U’đk sẽ giảm và như vậy Ud tăng (và ngược lại),đúng với quy luật điều khiển. 2.3. Khối tạo xung (TX) Mạch sửa xung Sơ đồ nguyên lý (H.35) * Nguyên lý làm việc Giả thiết sơ đồ làm việc xác lập trước thời điểm xét . Từ t=0¸t1 xung vào có giá trị dương trước đó tụ C2 đã được nạp đầy đến trị số.trong quá trình này Tr2 luôn mở cho nên usx nhận giá trị logic ‘0’ và điện áp trên tụ giữ nguyên giá trị cho đến t1 . Từ t =t1¸t2 xung vào có giá trị âm tụ C2 phóng điện theo đường : +C2®R11 ®1D2 ®- C2 khi 1D2 thông Tr2 bị phân cực ngược nên ubeT2 0 và Tr2 mở bão hoà và mất xung ra usx nhận giá tri lôgic ‘0’ điện áp trên tụ giữ nguyên giá trị cho đến t2 . Từ t = t2¸ t3 xung vào có giá trị dương tụ C2 phóng điện theo đường: +C2 ® RbeT2 ® nguồn ® IC2 ® R11 ®-C2 điện áp trên tụ giảm về không và được nạp theo cực tính ngược lại dòng nạp cho tụ C2 : +ucc ® IC2 ®R11 ®C2 ®RbeT2 ® mass .điện áp trên tụ tăng dần đến trị số.trong quá trình này Tr6 luôn mở cho nên usx nhận giá trị logic ‘0’ và điện áp trên tụ giữ nguyên giá trị cho đến t3 . Từ t =t3¸t4 xuất hiện xung âm quá trình làm việc lặp lại giống như thời điểm từ t =t1¸t2. 2.4. Mạch khuyếch đại và truyền xung Sơ đồ nguyên lý (H.38) Giới thiệu sơ đồ BAX : Biến áp xung Tr3,Tr4 : Hai Tranzitor mắc theo sơ đồ darlington tương đương vơi 1 Tranzitor có hệ số khuyếch đại b =b1. b2 D4 ,D5 : Là các điôt bảo vệ Tranzitor và biến áp xung D6 : Để dẫn xung dương. Nguyên lý làm việc ² Từ t=0¸t < t1 chưa có xung vào nên Tr3 và Tr4 chưa làm việc .Không có dòng điện nào chạy trong cuộn sơ cấp BAX nên không có xung điện áp trên cuộn thứ cấp BAX nên uđkT =0 . ² Tại t=t1 xuất hiện một xung điện áp dương dẫn đến Tr3 và Tr4 mở (giả thiết là mở bão hoà ).Trên cuộn sơ cấp W1 của BAX đột ngột được đặt điện áp =ucc.Xuất hiện dòng điện qua cuộn sơ cấp W1 của BAX tăng dần (dòng đi qua cuộn W1 từ phía cực tính có dấu ‘*’ sang phía không ‘*’dẫn đến trên cuộn thứ cấp W2 xuất hiện mmột xung điện áp có cựcc tính dương ở ‘*’ .Xung trên cuộn thứ cấp W2 đặt thuận lên D6 và truyền xung qua D6 đến cực điều khiển G và Katôt K của Tiristo hay uđkT > 0 . ² Đến t=t’1= t1+tsx thì mất xung vào Tr3 và Tr4 cùng khoá lại dòng qua cuộn sơ cấp giảm về không .Do sự giảm qua cuộn sơ cấp BAX nên từ thông trong lỏi thép BAX biến thiên theo chiều ngược lại với lúc Tr3 và Tr4 mở dẫn đến trong các cuộn dây BAX xuất hiện sức điện động (Sđđ) với cực tính ngược lại. Sđđ tự cảm này chống lại sự biến thiên của dòng điện qua cuộn sơ cấp BAX . Xung trên cuộn thứ cấp phân cực ngược làm cho D6 khoá,điện áp uđkT = 0 xung náy được dập tắt trên điôt D5 .Lúc này trên cuộn sơ cấp BAX điot D4 được phân cực thuận nhờ Sđđ tự cảm sinh ra nên D4 thông dập tắt ngay Sđđ tự cảm sinh ra trên cuộn sơ cấp BAX .Ở trường hợp này độ rộng xung ra bằng độ rộng xung vào : txr = tsx . 2.5. Khối tổng hợp và khuyếch đại trung gian (KĐTG) Do yêu cầu công nghệ là phải có chất lượng cao nên ta phải sử dụng các mạch vòng phản hồi vì vậy cần phải có mạch vòng tổng hợp các tín hiệu . Mặt khác để nâng cao độ cứng đặc tính cơ hệ kín nên cần phải khuyếch đại tín hiệu . Khâu tổng hợp khuyếch đại tín hiệu bao gồm : Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm tốc độ Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm dòng a) Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm tốc độ Sơ đồ nguyên lý Để lấy tín hiệu phản hồi ta sử dụng máy phát tốc FT nối với động cơ một chiều Đ và bộ phân áp WR và R20 để đo điện áp một chiều như hình vẽ Tín hiệu phản hồi này được đưa vào khâu tổng hợp tín hiệu cùng tín hiệu chủ đạo . Mạch tổng hợp này bao gồm các vi mạch khuyếch đại thuật toán IC3 và các phần tử khác phục vụ cho khâu tổng hợp như hình vẽ Nguyên lý làm việc Đầu vào khâu khuyếch đại bao gồm tín hiệu chủ đạo ucđ và tín hiệu phản hồi âm tốc độ uph = gn, UvIC3=Ucđ - .Tín hiệu này được đưa vào đầu vào đảo IC3 sau đó được khuyếch đại .tín hiệu ra IC3 ngược dấu với tín hiệu vào IC3 .Tín hiệu ra được đưa đến điều khiển chỉnh lưu uđk . Vậy ta có: UvIC3 = Ucđ- gn ; UIC3 = -K3.(ucđ- gn ) = Udk với K3 là hệ số khuếch đại của IC3. Với hệ điều tốc vòng kín có phản hồi âm tốc độ(g ≠ 0) thì độ sụt tốc độ sẽ giảm khi tăng g.K, tức tăng hệ số phản hồi hoặc tăng hệ số khuếch đại hệ thống hở.Nếu đạt điều kiện g.K ®¥ thì Dn®0 (không còn sai lệch và đặc tính tuyệt đối cứng), b. Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm dòng Sơ đồ nguyên lý Nguyên lý làm việc Tín hiệu phản hồi âm dòng - b.Iư được đưa vào đầu vào đảo của IC4 thông qua điện trở R23.Tín hiệu phản hồi dòng điện b.Iư qua điện trở R23 . * Khi làm việc bình thường thì (Ucđ - b.Iư< 0)chưa xẩy ra quá tải thì khâu phản hồi dòng không làm việc cho nên không tác động vào hệ thống . Khi xẩy ra quá tải lớn thì b.Iư tăng lên cho Udk=Ucđ - b.Iư giảm làm cho góc điều khiển tăng mà ud = f(a) hay điện áp đặt lên phần ứng động cơ giảm do đó tốc độ động cơ giảm để giữ ổn định. 2.6. Mạch tạo nguồn nuôi và tín hiệu chủ đạo Để tạo điện áp một chiều ổn định cung cấp cho mạch điều khiển và mạch tạo điện áp chủ đạo .Ta thiết kế mạch như sau . Mạch tạo nguồn nuôi ta sử dụng hai sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha bằng điôt.Điện áp sau khi được chỉnh thành điện áp một chiều được lọc qua tụ C13 , C15 sau đó được ổn áp bằng 2 IC ổn áp 7815 (+15V) và7915 (-15V) .Tín hiệu này tiếp tục được lọc nhờ tụ C14 , C16 sau khi qua bộ lọc ta được tín hiệu điện áp nguồn nuôi là (+15V) và (-15V) . Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ (H.43) *) Kết luận : Từ các sơ đồ khối trên ta có sơ đồ nguyên lý 1 kênh phát xung điều khiển như sau : PHẦN III TỔNG HỢP CÁC MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ VÀ DÒNG ĐIỆN Nội dung chính của phần III I. Giới thiệu chung II. Mô hình toán học hệ chấp hành T-Đ 3.2.1. Mô hình toán học động cơ một chiều, kích từ độc lập 3.2.2. Mô hình toán học bộ chỉnh lưu có điều khiển III. Cấu trúc hệ điều khiển và phương pháp tổng hợp các mạch vòng 3.3.1.Tổng hợp mạch vòng dòng điện 3.3.2.Tổng hợp mạch vòng tốc độ. IV. Kết luận I. Giới thiệu chung Ngày nay các hệ điều khiển tốc độ, đặc biệt là các hệ điều khiển công suất lớn, hệ truyền động một chiều kiểu T-Đ đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi vì nó đảm bảo tốt các chỉ tiêu tĩnh và động của hệ thống, dễ dàng thực hiện các truyền động có công suất lớn và tính bền vững cao. Cấu trúc chung của hệ điều khiển tốc độ gồm hai mạch vòng từ trong ra ngoài là: mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ như sau: Hình 3 - 0 Sơ đồ cấu trúc chung của hệ điều chỉnh tốc độ sử dụng hệ chấp hành T-Đ II. Mô hình toán học hệ chấp hành T - Đ 3.2.1. Mô hình toán học động cơ một chiều, kích từ độc lập Sơ đồ mạch thay thế động cơ một chiều kích từ độc lập được đưa ra như trên hình 3-2. Trong đó : Uk , Ik : Điện áp và dòng điện kích từ. Ruđ, Lưđ : Điện trở, điện cảm phần ứng. M : Mômen của động cơ một chiều. Mc : Mômen tải. Hình 3 – 2: Sơ đồ mạch thay thế động cơ một chiều. Điện áp và dòng điện kích từ tính theo các công thức sau: Uk =Rk . ik + Lk . (2 - 1) I(p) = (2 - 2) Trong đó : Tk = : Hằng số thời gian mạch kích từ , thông thường Tk =100 (ms) đến 600 (ms) Trên hình 3 - 3 là sơ đồ thay thế mạch điện phần ứng : U – E = R . ( 1 + p . Tư ) . I (2 - 3) Hình 3 – 3 : Là sơ đồ thay thế mạch điện phần ứng động cơ. Tư = : hằng số thời gian phần ứng. Hình 3-4: Là mô hình tuyến tính hóa động cơ điện một chiều Khi = const: Dùng khâu khuyếch đại K thay cho khối nhân phi tuyến: Hình 3-5: Mô hình tuyến tính Đặt: Cu = K= const ta có mô hình tuyến tính như trên hình 3-5. Từ mô hình trên hình 1-5 ta tính được: U – Cu. = R.I(1+p.Tư) (2-4) = U - (Cu.I – Mc) = R.I(1+p.Tư) U + = R.I(1+p.Tư + ) = Vậy ta có: I = (2-5) Hình 3 – 6: Mô hình tuyến tính hoá mô phỏng động cơ một chiều kích từ độc lập Gọi Tc = là hằng số thời gian điện cơ, ta có mô hình dòng điện của động cơ một chiều như trên hình 3-6. 3.2.2. Mô hình toán học bộ chỉnh lưu có điều khiển Mô hình toán học của bộ chỉnh lưu có điều khiển. Mạch điều khiển biến đổi điện áp một chiều Uđk thành xung điện áp có góc a thích hợp đưa vào mở thyristor cấp nguồn cho động cơ. Hình 2-7:Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu có điều khiển Khi ở đầu vào biến thiên một lượng DUđk thì ở đầu ra biến thiên một lượng DUd . Tín hiệu ra bị trễ so với tín hiệu vào Dt = Uđ(t) = Kcl . Uđk . I [t –Tv ] (2-6) Trong đó: w : tốc độ góc của điện áp lưới. Tv : thời gian trễ của van. Hàm truyền của bộ chỉnh lưu có điều khiển khi bỏ qua phần phi tuyến: Wd(p) = = Kcl. = (2-7) III. Cấu trúc hệ điều khiển và phương pháp tổng hợp các mạch vòng Trong hệ điều chỉnh có hai mạch vòng: Mạch vòng dòng điện, mạch vòng tốc độ. Hệ thống truyền động này bắt buộc phải đảo ngược chiều được. Quan hệ giữa w và j : j = j0 + dt (2-8) 3.3.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện Trên hình 3-8 là sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện . Trong đó : Tư:Hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng . R=Rb+Rk+Rưd+Rs L=Lb+Lk+Lưd Ki=Rs: Điện trở của sensor Ti=R.C: Hằng số thời gian của sensor dòng điện Từ sơ đồ trên hình3-8 và hình 3-9 ta có hàm truyền của đối tượng điều khiển của mạch vòng điều chỉnh dòng điện. ; (2-9) Trong đó: Tđk » 100 ms , Tv » 2,5ms , Ti » 2 ms , Tư » 100 ms Thay Tsi=Ti+Tv+Tđk<< Tư , bỏ qua các hệ số bậc cao ta có : (2-10) Hình 3-8 Là sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Viết gọn lại ta có sơ đồ như trên hình 3-9 Hình 3 – 9 Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu mô đun ta có hàm truyền của hệ thống kín: FoMi(p) = (2-11) Mặt khác trên hình 2-10 ta có: Ri(p)= Chọn ts = min(Tsi,Tư) = Tsi Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện: (2-12) Ri(p) là khâu tỉ lệ – tích phân(PI). Kết quả khi tổng hợp mạch vòng dòng điện bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có công thức (2 -13) như sau: Hình 3-10 Vậy sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh còn lại như hình 3-10, trong đó ta lấy hàm truyền đạt của mạch vòng dòng điện là khâu quán tính bậc nhất , bỏ qua các bậc cao. 3.3.2. Tổng hợp mạch vòng tốc độ Viết gọn sơ đồ hình 3-10 ta có sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ như trên hình 3-11: (2-14) Với Tsw=2.Tsi+Tw® Tsw rất nhỏ. Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môdun : Hình 3-12 Chọn ts=Tsw Ta có: (2-16) Vậy Rw(p) là khâu tỷ lệ của (p). Tiêu chuẩn này được sử dụng khi hệ thống khởi động đã mang tải, lúc đó ta không coi ic là nhiễu nữa. Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng : (2-17) Chọn ts=Tsw ta có: (2-18) Vậy Rw là khâu tỷ lệ _ tích phân (pI). Đó là khâu vô sai cấp hai đối vơi đại lượng dặt và vô sai cấp một đối với đại lượng nhiễu Ic. IV. Kết luận : Qua phần 3 đã cho ta cách nhìn tổng quan về hệ điều khiển tốc độ sự ứng dụng rộng rãi và phổ biến của hệ điều khiển tốc độ trong công nghiệp . Hệ điều khiển tốc độ tuyến tính được thiết kế theo phương pháp kinh điển đó đã được tổng hợp dựa vào các tiêu chuẩn tối ưu môdunl và tối ưu đối xứng nhằm đạt được chất lượng điều khiển tốt nhất đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng cao và rất cao về thời gian quá độ ngắn, độ chính xác cao… trong yêu cầu công nghệ hệ truyền động một chiều có đảo chiều quay động cơ một chiều kích từ độc lập. PHẦN IV TÍNH CHỌN THIẾT BỊ *) Đặt vấn đề. Để hệ thống làm việc một cách an toàn tin cậy và chắc chắn đảm bảo được yêu cầu công nghệ ngoài việc thiết kế , tính chọn phương án truyền động thì việc tính chọn thiết bị trong hệ thống có ý nghĩa rất quan trọng thiết kế hệ thống truyền động điện .Việc tính chọn thiết bị có ảnh hưởng đến tuổi thọ của các thiết bị ,chất lượng làm việc của hệ thống giúp hệ thống làm việc đảm bảo an toàn tin cậy trong mọi chế độ .Do đó ta phải tính chọn các thiết bị cho hệ thống một cách chính xác đảm bảo yêu cầu kỹ thuật thiết kế . Mục lục của phần IV I. Tính chọn mạch động lực 4.1.1.Tính chọn động cơ truyền động điện 4.1.2.Chọn máy biến áp. 4.1.3.Tính chọn tiristor. 4.1.4.Tính chọn cuộn kháng san bằng. 4.1.5.Tính chọn mạch R-C bảo vệ cho các Tiristo. 4.1.6.Tính chọn áptômát. 4.1.7.Tính chọn máy phát tốc II. Tính chọn mạch điều khiển. 4.2.1. Tính chọn hệ số khuyếch đại của bộ KĐTG 4.2.2. Tính chọn biến áp xung 4.2.3. Tính chọn tầng khuếch đại cuối cùng 4.2.4. Tính chọn khâu đồng bộ hoá 4.2.5. Tính chọn mạch phát sóng răng cưa. Sau đây ta đi vào chi tiết cụ thể : I. TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC 4.1.1 Tính chọn động cơ truyền động điện Công suất định mức của động cơ truyền động chính là: PĐ = 11 (KW) Tra tài liệu ta chọn động cơ có số liệu kỷ thuật như sau : Kí hiệu U I P n Lư Rư GD2 V A KW v/ph H W KG P 61 220 59.5 11 1500 0.0140 0.197 0.56 4.1.2 Tính chọn máy biến áp động lực (BAL) Máy biến áp động lực nhiệm vụ cung cấp điện cho mạch chỉnh lưu với số pha và số cấp điện áp phù hợp .Trong hệ thống này ta sử dụng máy biến áp động lực 3 pha 3 trụ có tổ nối dây Y/Y . 1.Công suất tính toán của máy biến áp Stt =1,355.Ud.Id =1,355. 220 .59,5 =17737 (VA) =17,737(KVA) 2.Điện áp định mức cuộn dây thứ cấp MBA U2đm ³ Uđm.Ku .Ka.KR.Ksđ Trong đó : Uđm : điện áp định mức động cơ Ku: là hệ số xét tới ảnh hưởng khả năng ảnh hưởng dao động trong phạm vi cho phép của điện áp lưới. thường lấy Ku = 1,05 ¸ 1,1 , ta chọn Ku = 1,1. Ka : là hệ số kể đến góc điều khiển nhỏ nhất (amin) nhằm đảm bảo chắc chắn hệ thống không rơi vào trạng thái lật nhào nghịch lưu, ta chọn : amin = 300 Þ amax = 1500 Þ KR : là hệ số xét đến sụt áp trên điện trở thuần của máy biến áp,trên điện cảm cuộn dây thứ cấp máy biến áp, do chuyển mạch, sụt áp trên dây nối và cuộn kháng, trên các van. KR thường được chọn : KR = 1,15 ¸ 1,25, ta chọn : KR = 1,15. Ksđ: là hệ số phụ thuộc sơ đồ chỉnh lưu Ksđ = Thay số vào ta có : U2đm ³ 220.1,1.1,15.1,15.0,43 =137,6 (V) Chọn U2đm = 140 (V) 3.Chọn điện áp sơ cấp MBA Từ sơ đồ đấu dây cuộn sơ cấp MBA ta chọn U1đm = 220 (V) Kba = 4.Dòng điện hiệu dụng cuộn dây thứ cấp 5. Gi¸ trÞ hiÖu dông dßng ch¶y qua cuén s¬ cÊp: I1 = I2 .m = 34,35.0,816 = 28 (A) 6.Điện trở cuộn dây MBA Trong đó K=2,5 : hệ số phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu s =3 : số trụ của MBA Bm =1,1T : độ tự cảm f =50 (Hz) . 7.Điện kháng tản cuộn dây MBA Trong đó K1=0,1.10-3 : hệ số phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu phụ tải s =3 : số trụ của MBA Bm =1,1T : độ tự cảm f =50 (Hz) . 8.Điện áp rơi trên điện trở MBA DUR = Iđm.Rba = 59,5. 0,056 = 3,332 (V) 9.Điện áp rơi trên cuộn kháng MBA DUL = 2.p.f.Iđm.Rba =2.3,14.50.59,5.0,02.10-3 = 0,37366 (V) 10.Điện áp chỉnh lưu khi đầy tải Ud = Udo -SDU SDU =DUR +DUL = 3,332+ 0,37366= 3,70566 (V) Udo = 1,17. U2đm = 1,17 .140 =163,8 (V) Ud = 163,8 – 3,70566 = 160,09434 (V) 4.1.3 Tính chọn Tiristo Tiristo được chọn theo hai điều kiện chủ yếu sau: Điều kiện về dòng điện: [ ITtb ] ³ Ki ITtbmax Điều kiện về điện áp : [ UTngmax ] ³ KuT UTngmax [ UTthmax ] ³ KuT UTthmax Trong đó: Ki =(1,4 ¸ 4) là hệ số dự trữ về dòng điện của Tiristo, ta lấy Ki = 2 Ku =(1,5 ¸ 2,5) là hệ số dự trữ về điện áp của Tiristo, ta lấy Ku = 2 [ ITtb ] ³ Ki ITtbmax= 2 .19,833 =39,667 (A) UTngmax = UTthmax = U2 = 140 = 342,9 (V) [ UTngmax ] = [ UTngmax ] ³ 2.342,9 = 685,8 (V) Tra bảng B.13 Điện tử công suất ta chọn Tiristo có thông số như sau Kí hiệu Itb Ungmax DU toff IG UG di/dt du/dt A KV V ms A V A/ms V/ms T-150 150 0,05¸2 0,75 200 0,3 7 10 200 Tính chọn cuộn kháng lọc san bằng Cuộn kháng san bằng được nối tiếp với phần ứng động cơ có tác dụng làm nhỏ thành phần xoay chiều của điện áp đầu ra BBĐ . Do đó cuộn kháng san bằng được chọn theo những yêu cầu sau . Đảm bảo cho bộ chỉnh lưu làm việc liên tục trong một giới hạn cho phép Hạn chế dòng xoay chiều bậc cao không quá (3 ¸ 5)%Iđm . Điện kháng tổng Trong đó P =2m :tần số đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ nguồn xoay chiều . w = 314 (rad/s) : Tàn số góccủa sóng hài cơ bản bậc 1 Io = 5% Iđm . U12 : Biên độ sóng hài cơ bản của điện áp chỉnh lưu Lck = LS - Lư – Lba =0,025 – 0.0140 – 0,02.10-3 =0,01098 (H) Điện trở cuộn kháng san bằng ; 4.1.5 Tính chọn mạch R-C bảo vệ cho các Tiristo Quá trình chuyển đổi giữa các van có thể gây ra sự thay đổi đột ngột giữa điện áp du/dt và di/dt .Để bảo vệ các van khỏi bị đánh thủng ta dùng mạch R –C mắc song song với các van .Với cách mắc này khi có sự thay đổi trong van thì sự thay đổi của điện áp du/dt sẽ được hạn chế giảm nhỏ thông qua mạch R-C . Mạch R-C có tác dụng rẽ mạch dòng điện ngược đặt lên van khi đó dòng điện ngược sẽ phóng qua tụ C và tiêu tán trên điện trở R. Trị số của R – C được chọn theo công thức như sau : Năng lượng tích luỹ trên phần ứng động cơ Ixm : Dòng điện gia tốc trong mạch thường lấy Ixm = Iđm =59,5 (A) Tụ C thường dược chọn theo công thức : Wc : Năng lượng trên tụ C thường lấy Wc =0.4 (J) UTthmax = U2 = 140 = 342,9 (V) Hiệu quả ngăn chặn sự cố của mạch R-C được đặc trưng bởi tỉ sốtheo kinh ngiệm ta chọn = 0,65 4.1.6 Tính chọn áptômát Áptômát được sử dụng để đóng cắt nguồn ngoài ra nó còn có tác dụng bảo vệ sự cố ngắn mạch hoặc quá tải có thể xẩy ra trong hệ thống. Điều kiện chọn như sau : IđmAT ³ Ilvmax = 1,4.I1đm = 1,4.30,9437 = 43,32118 (A) UđmAT ³ Uđmmạng =380 (V) Tra bảng PL 3.5/T352-Thiết kế cung cấp điện ta chọn áptômát có thông sô kỷ thuật như sau : Loại Kiểu Số cực Iđm (A) Uđm (V) IN (KA) 50AF ABE53a 3 50 600 2,5 4.1.7 Tính chọn máy phát tốc Máy phát tốc được dùng trong hệ thống dễ làm khâu phản hồi âm tốc độ .Nó được nối cứng với trục động cơ chấp hành hoặc qua hộp tốc độ . Dựa theo yêu cầu công nghệ ta chọn máy phát tốc có thông số như sau Loại Pđm Uđm Iđm nđm RưS W V A v/ph W PT32/1B4Y 115 230 0,5 1000 7,34 Ta có tỉ số truyền giữa máy phát tốc và động cơ : Hệ số khuyếch đại của máy phát tốc Ta lấy một phần điện áp ra của máy phát tốc đưa tới bộ khuyếch đại trung gian (KĐTG) làm tín hiệu phản hồi âm tốc độ . Ta chọn Uph = 12 (V) .Khi tốc độ định mức thì hệ số phản hồi được tính (V.ph/vg) II.TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.2.1 Tính chọn hệ số khuyếch đại của bộ KĐTG a) Xác định hệ số khuyếch đại của hệ thống Từ sơ đồ nguyên lý ta có sơ đồ cấu trúc của hệ thống (chỉ có mạch vòng phản hồi âm tốc độ như sau ). Phương trình đặc tính cơ của hệ thống n = [(ucđ - gn).kTG.kBBĐ - RưS.Iư)].kĐ = ((ucđ - gn).k. - RưS.Iư.kĐ (1) Trong đó : k=kTG.kBBĐ.kĐ :hệ số khuyếch đại của hệ thống kTG : hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại trung gian kBBĐ : hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi kĐ : hệ số khuyếch đại của động cơ Hệ số khuyếch đại k của hệ thống được xác định như sau : Ta có (2) [St] :là lương sai lệch tĩnh cho phép của hệ thống [St] £3% D : là dải điều chỉnh Mặt khác : (3) thay (3) vào (2) ta được : từ (1) ta có Trong đó : g = 0,008 : là hệ số phản hồi âm tốc độ RưS = Rư +Rba +Rck =0,197 + 0,056 + 0,11 = 0,363 (W) D = 150 ;[St] =3% ; Iư = 59,5 (A); Xác định hệ số khuyếch đại của BBĐ Để xác định hệ số khuyếch đại của BBĐ ta có: Ud =Udm+20% ® Ud = 220 +220.0,2=264 (v) Udk= 10 (v) Vậy : Ta có : k=kTG.kBBĐ.kĐ Nên Vậy hệ số khuyếch đại của bộ KĐTG là : kTG = 330 4.2.2 Tính chọn biến áp xung Yêu cầu đối với biến áp xung là phải tạo được xung theo yêu cầu, cách ly mạch điều khiển với mạch lực dể dàng phân bố xung tới các cực điều khiển để mở các Tiristo . Chọn tỉ số máy biến áp xung Thông thường máy biến áp xung được thiết kế có tỉ số niến áp là n = 2¸3 vậy ta chọn n = 2. Khi tính chọn ta chọn Tiristo có Uđk = 7 (V) ; Ig = 0,3 (A) nên ta chọn U2 = 7 (V) ; I2 = 0,3 (A). Do đó điện áp đặt lên cuộn sơ cấp là : U1 = 2U2 = 14 (V) Mạch từ của BAX chọn vật liệu là Э330 hình chử E có 3 trụ làm việc trên một phần đặc tính từ hoá DB = 0,7(tesla), DH=50(A/m). Độ từ thẩm của lõi sắt từ : Vì có khe hở nên phải tính từ thẩm trung bình sơ bộ chiều dài đường sức từ l= 0,1(m) khe hở lkh = 10-5(m) Thể tích lõi sắt từ : (cm3) Trong đó : Q : là tiết diện lõi sắt :là dòng thứ cấp quy đổi về phía sơ cấp BAX Tra bảng II-2 Điện tử công suất ta chọn kích thước chuẩn của máy biến áp xung như sau. Q = 9,22 (cm2) l =10,03 (cm) a= 1,2 (cm) c= 1,2 (cm) h= 3 (cm) H = 4,2 (cm) C = 4,8 (cm) B = 1(cm) P = 5 (W) Số vòng dây cuộn sơ cấp BAX (vòng) Với k = 0,76 :là hệ số lấp đầy ® Số vòng dây cuộn thứ cấp BAX (vòng) 4.2.3 Tính chọn tầng khuyếch đại cuối cùng Tầng khuyếch đại xung sử dụng 2 Tranzitor mắc theo sơ đồ Darlington. Một có công suất lớn ,một có hệ số khuyếch đại dòng lớn . Chọn Tr8 = P605 làm việc ở chế độ xung có UCE =40 (V) ,Icmax = 1.5(A) ,b = 20¸60 chọn ,Ic =0,3 (A) ,b = 20 . (mA) Nếu dòng Ic càng nhỏ thì các xung ít mất đối xứng vì vậy ta thường chọn thêm tầng khuyếch đại trung gian .Chọn Tr7 =MP25 có UCE =40 (V) ,Icmax = 300 (mA) , b = 13¸25, Ic =30(mA) ,b = 15 (mA) 4.2.4 Tính chọn khâu đồng bộ hoá Ở hệ thống này ta thiết kế 3 kênh điều khiển dùng máy biến áp đồng bộ 3 pha và kết hợp với mạch dịch pha . Máy biến áp đồng bộ là máy biến áp 3 pha nối Y/Yo có điện áp thứ cấp là U2đm = 24 (V) .Trên biến áp có đặt thêm 3 cuộn dây thứ cấp để lấy điện áp nguồn nuôi .Ta đã chọn công suất mỗi máy BAX là 5(W) trong sơ đồ ta sử dụng 12 BAX ,và tính toán đến công suất nguồn nuôi cho các khối khác .Như vậy chọn sơ bộ công suất của máy biến áp đồng bộ là 100 (W) Mạch dịch pha để dịch pha điện áp đồng bộ Uđb chậm sau điện áp đồng bộ Udbo một góc 30o .Mạch này sử dụng các linh kiện Ro,R1 ,Co để tạo góc lệch pha 30o .Ta chọn Ro=2,7 (KW) , R1=4,7 (KW) , Co = 1(mF) . 4.2.5 Tính chọn mạch phát sóng răng cưa Ta có : (V) ® Với Ucc=15 (V) ;Urc = 12 (V) ;tn = 0,01 (s) (s) Chọn C1 =10-6 (F) (W) Chọn R7 = 10000 (W) ,WR1 = 2500 (W). Khuyếch đại thuật toán chọn loại mA741 thông số như sau : Ao 100 Hệ số khuyếch đại điện áp hở mạch Zmin 1MW Trở nháy vào Zo 150W Trở nháy ra Ib 200mA Dòng điện phía cực vào UminV Điện áp vào cực đại UminR Điện áp ra vào cực đại Uco 2(mV) Điện áp lệch đầu vào Ung Ngưỡng điện áp bảo hoà USmax Điện áp nguồn cực đại fo 1Mhz Tần số cắt III. Thông số tính toán Pđm Công suất định mức =11 (Kw) nđm Tốc độ định mức = 1500 (v/ph) Uđm Điện áp phần ứng định mức = 220 (V) Iđm Dòng điện định mức động cơ = 59,5 (A) Lưå Điện cảm phần ứng động cơ = 0,014 (H) Rưå Điện trở phần ứng động cơ = 0,197 (W) Ti Hằng số thời gian của khâu phản hồi dòng = 0,002 (s) Tv Hằng số thời gian bộ chỉnh lưu = 0,0033 (s) Tđk Hằng số thời gian mạch điều khiển bộ chỉnh lưu = 0,0025 (s) Tw Hằng số thời gian máy phát tốc = 0,003 (s) : Hệ số cấu tạo của động cơ GD2 = 0,56 (kg.m2) Tốc độ góc w = wđm = (rad/s) Ke = 1,05.K Mđm = Pđm/wđm = 11000/157 =70,06 (Nm) Cu = Mđm/Iđm =70,06/59,5 =1,17 Tư = J = Từ sơ đồ cấu trúc điều khiển ta có Uđ = Kcl.Uđk Chọn Uđk = 10 (V) Kcl = 26,4 Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện Tsi = Ti + Tv + Tđk =2ms + 3,3ms + 2,5ms =7,8.10-3s Tư = 0,071(s) Rư = 0,197(W) Kcl = 26,4 Chọn Uiđ = 12 (v) Với Ki = Þ Tính hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ. Từ sơ đồ cấu trúc điều khiển ta có Uđw = w.Kw Chọn Uđw = 10 (V) Þ Kw = Tsw = Tw + 2.Tsi =0,003 +2.7,8.10-3 = 0,0186 (s) Tw = 3 ms ; Tsi = 7,8.10-3 s ; (s) Rw = ó PHẦN V KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG *) Mục đích và ý nghĩa. Yêu cầu công nghệ của máy công tác đối với tính năng điều khiển sau khi đã lượng hoá và phân tích chuyển đổi có thể biểu đạt bằng các chỉ tiêu chất lượng trạng thái ổn định và trạng thái động. Khi thiết kế hệ truyền động điều khiển tốc độ cần phải khảo sát chất lượng động của nó vì vậy cần phải dựa vào chỉ tiêu chất lượng động của hệ thống. Chỉ tiêu chất lượng trạng thái động của hệ thống điều khiển tự động bao gồm hai chỉ tiêu: Tính năng bám và tính năng chống nhiễu. Dưới tác dụng của tín hiệu cho trước, tình trạng thay đổi lượng đầu ra của hệ thống có thể dùng chỉ tiêu chất lượng bám để mô tả. Lúc phương trình biểu diễn sự thay đổi tín hiệu đầu vào khác nhau, sự thích nghi ở đầu ra cũng không giống nhau. Thường lấy giá trị ra ban đầu là 0, tín hiệu cho trước với quá trình biến đổi nhảy vọt làm quá trình bám điển hình, sự thích nghi trạng thái động lúc đó gọi là sự thích nghi nhảy vọt. Hệ thống điều khiển khi đang vận hành ở trạng thái ổn định, nếu bị nhiễu thì sau một quá trình động, sẽ xuất hiện một trạng thái ổn định mới (trạng thái xác lập). Trừ sai số trạng thái ổn định, trong quá trình động lượng đầu ra biến đổi bao nhiêu? Phải mất bao lâu thời gian mới khôi phục trở lại trạng thái vận hành ổn định ? Do yêu cầu chỉ tiêu chất lượng của hệ thống như vậy ta sẽ đi khảo sát đặc tính động của hệ thống điều khiển đã thiết kế để kiểm tra hệ thống có đạt chỉ tiêu chất lượng đã đưa ra hay không. * Nội dung chính của phần V : 1. Các chỉ tiêu chất lượng động của hệ thống 2. Đánh giá chất lượng hệ thống Sau đây ta đi vào chi tiết cụ thể : 5.1. Các chỉ tiêu chất lượng động của hệ thống * Lượng quá điều chỉnh: ( dmax%) Là sai lệch lớn nhất xảy ra trong quá trình quá độ gữa đại lượng vật lý đầu ra và thực tế so với giá trị yêu cầu tính theo đơn vị % (sai lệch động). Thông số này ảnh hưởng tới tuổi thọ của thiết bị nếu dmax càng nhỏ thì hệ thống chịu chế độ nhẹ nhàng trong khi chuyển trạng thái giá trị này phải tính toán và so sánh với hệ số dự trữ * Thời gian quá độ: tp(s) là khoảng thời gian để hệ chuyển từ trạng thái xác lập này sang trạng thái xác lập khác về mặt lý thuyết thời gian quá độ này là vô cùng. Vì vậy trong kĩ thuật qui định khi đại lượng vật lý biến đổi trong khoảng ±3% giá trị yêu cầu thì ta coi hệ thống ở giá trị xác lập. Chính vì vậy thời gian quá độ tính từ thời điểm bắt đầu chuyển trạng thái đến điểm cuối cùng mà lượng ra nằm trọn trong vùng ±3%. Với thông số này nó quyết định độ nhạy của hệ và ảnh hưởng tới chất lượng của sản phẩm năng suất của máy. Đối với các hệ thống xảy ra quá trình quá độ liên tục để đảm bảo chất lượng sản phẩm và năng suất của máy phải rút ngắn tp. Với các hệ điều khiển chương trình phải đảm bảo tp rất nhỏ (điều khiển thời gian thực). Số lần dao động: Là số đỉnh nhọn hoặc số điểm cực trị của đặc tính lượng ra trong thời gian quá độ kí hiệu n (nguyên dương) Thời gian cực đại tmax: Là khoảng thời gian để hệ thống đạt được lượng ra cực đại ymax Thời gian ổn định to: Là khoảng thời gian để lượng ra đạt được giá trị ổn định lần đầu tiên. Hình 5.2 Các chỉ tiêu chất lượng động 5.2 Đánh giá chất lượng hệ thống 5.2.1.Khảo sát chất lượng ở chế độ xác lập Sau khi rút gọn sơ đồ trên ta được : Trong đó : Rw = 10,03 RI = KBBD = 26,4 KI = 0.2 KD = 7.56 RD = 0.197 (W) Sai lệch ở chế độ xác lập : = 0 5.2.2.Khảo sát chất lượng ở chế độ quá độ PHẦN VI THUYẾT MINH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ Trong phần VI này có những nội dung chính sau : Nguyên lý khởi động. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ. Nguyên lý ổn định tốc độ. Nguyên lý hãm dừng hệ thống. Sau đây ta đi vào chi tiết cụ thể : VI.1- Nguyên lý khởi động. Đóng áp tô mát cung cấp điện cho hệ thống truyền động điện (mạch kích từ, máy biến áp động lực, nguồn nuôi mạch điều khiển. Khi đó mạch tạo xung điều khiển tạo ra các xung điều khiển. Để điều khiển các xung này,chúng được đưa tới mạch phát xung để điều khiển mở các thyristor thông qua máy biến áp xung. Để tạo ra các xung điều khiển, ta phải tạo ra tín hiệu điều khiển Uđk nhờ mạch khuếch đại trung gian và tín hiệu này được so sánh với điện áp răng cưa. Do mạch khuếch đại trung gian tạo ra tín hiệu Uđk nên nó điều khiển được góc mở a của bộ chỉnh lưu . Khi khởi động dòng khởi động rất lớn nên mạch vòng dòng điện tham gia vào để tự động hạn chế dòng điện đồng thời mạch vòng phản hồi âm tốc độ bị bão hoà do UVIC3 = -Ucđ + gn rất âm ( do n nhỏ ) , động cơ được khởi độngt rên đoạn đặc tính thứ 2 , tốc độ tăng dần đến điểm D thì mạch vòng tốc độ tham gia vào để tăng độ cứng đặc tính cơ , động cơ được khởi động trên đoạn đặc tính DC , đến điểm C mạch vòng dòng điện không tham gia nữa và chỉ còn mạch vòng tốc độ , động cơ đợc khởi động trên đoạn đặc tính cơ tự nhiên và tiến tới làm việc xác lập tại điểm ứng với tải định mức . VI.2. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ . Để thay đổi tốc độ động cơ ta thay đổi điện áp chủ đạo trên biến trở WR. Khi Ucđ thay đổi làm cho góc a thay đổi dẫn đến tốc độ thay đổi. UVIC2 = -Ucđ + gn Khi thay đổi Ucđ sẽ thay đổi được góc mở a => Ud thay đổi và tốc độ cũng thay đổi theo . Ví dụ muốn tăng tốc độ ta tăng Ucđ : UVIC2 sẽ âm nhiều lên => URIC2 sẽ dương nhiều lên => URIC3 sẽ âm nhiều lên , Tr mở nhiều dẫn đến Uđk giảm nhỏ tức là góc a giảm nhỏ => Ud tăng lên và tốc độ tăng theo. Quá trinh giảm tốc cũng xảy ra tương tự khi ta giảm Ucđ sẽ làm cho góc a tăng lên và tốc độ giảm xuống. VI.3- Nguyên lý ổn định tốc độ. Giả sử động cơ đang làm việc ở một tốc độ quay nhất định, ứng với giá trị điện áp đặt nào đó.Giả sử vì một lý do nào đó tốc độ động cơ tăng đột ngột nghĩa là gn tăng làm cho Uđk tăng do đó làm cho góc mở a tăng và điện áp đặt vào phần ứng động cơ giảm để động cơ trở về giá trị ban đầu. Nếu vì một lý do nào đó làm cho tốc độ động cơ giảm thì tương tự như trên gn sẽ giảm làm cho điện áp Uđk giảm tạo ra góc a giảm, điện áp phần ứng động cơ tăng làm cho tốc độ động cơ tăng trở về giá trị ban đầu. Ví Dụ : khi tốc độ động cơ tăng , thì gn tăng lên => UVIC2 = -Ucđ + gn sẽ bớt âm đi , URIC2 bớt dương , UrIC3 bớt âm,TR mở ít nên Uđk tăng lên , góc a tăng lên dẫn đến Ud giảm nhỏ và tốc độ động cơ cũng giảm theo cho phù hợp lượng đặt ban đầu . VI.4 : Nguyên lý hãm dừng hệ thống. Khi muốn dừng hệ thống ta ấn nút dừng, cắt toàn bộ hệ thống ra khỏi nguồn cung cấp đồng thời đặt điện trở hãm vào động cơ, động cơ thực hiện hãm động năng , toàn bộ năng lượng được tích luỹ trên động cơ sẽ giải phóng qua Rh , tốc độ giảm dần , khi tốc độ gần giảmgần về 0 ta cắt Rh ra để động cơ hãm tự do . Tài liệu tham khảo STT Tên Tác giả Tên sách NXB 1 Bùi Quốc Khánh Nguyễn Văn Liễn Nguyễn Thị Hiền Truyền Động Điện KH - GD 2 Võ Quang Lạp Trần Xuân Minh Kỹ Thuật biến đổi ĐHKTCN 3 Trần Bá Thời (CB) Võ Quang Lạp(Dịch) Trần Thọ (Dịch) Cơ Sở Điều Khiển Truyên Động Truyền Động Điện KH – KT 4 Nguyễn Bính Điện Tử Công Suất KH – KT 5 Đỗ Xuân Thụ Kỹ Thuật Điện Tử GD