Thiết kế bộ nguồn điện áp một chiều gồm hai sơ đồ chỉnh lưu hình cầu một pha mắc song song ngược cung cấp cho động cơ điện một chiều để truyền động nâng hạ điện cực lò hồ quang nấu

= 2,5. 5,5 = 13,75 ( cm ) Tương tự như thiết kế cuộn kháng cân bằng : Tiết diện trụ giữa lõi thép : Q = 1,5.= 1,5. 5,5 = 45,375 () Chiều dài đường sức từ : L = 2( m + n + l ).a = 2( 2,5 + 0,5 + 1 ). 5,5 = 44 ( cm ) Hệ số phụ thuộc để tính số vòng dây cuộn kháng : Với giá trị M như trên thì ta được ; Vậy : W = 10. ( vòng ) Lấy tròn : W = 63 (vòng ) Đường kính dây quấn : d = 1,13. = 1,13. Với mật độ dòng điện : J = 3 ( A/) Chọn d = 1,95 (mm) , S = 2,987 (mm2) 2.7. Chọn Aptomat : Aptomat (ATM) 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 thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu. Ngoài ra aptomat còn được sử dụng như một thiết bị đóng cắt nguồn cho hệ thống. Điều kiện chọn : = 14,36 (A) Tra bảng 3.9 trang 109 giáo trình Sử dụng và sữa chữa khí cụ điện hạ áp, ta chọn Aptomat có thông số sau : Kiểu ( A ) ( V ) Số cực Thời gian tác động khi quá tải Dòng cắt tức thời (A) A25-2MT 16 220 2 1,1Idm 1,35Idm 6Idm không tác động sau 1 giờ không lớn hơn 30 phút Từ 1 đến 10 giây 110 3 .Tính toán mạch điều khiển: 3.1 . TÝnh chän BAX: C¨n cø vµo xung ®iÒu khiÓn cña Thyristor lµ: U®k = 2 V, I®k = 30(m A) tx=600=6.10-4s : Độ rộng xung f=0,15 : Độ sụt biên độ xung Tỷ số biến áp xung thường là : Ta chọn n = Để đảm bảo Thyristor mở khi điện áp lưới dao động ta chọn cho 1 cuộn dây thứ cấp: = 3 V, = 45(m A)=0,045(A) Vì có hai cuộn dây thứ cấp nên công suất tăng gấp đôi nên: Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp BAX . U1 = = 3 × 3 = 9 V Dòng sơ cấp BAX : Hình 32 Lõi thép hình xuyến Chọn vật liệu sắt Ferit HM hình xuyến làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá DB = 0,3T , DH = 30(A/m) không có khe hở . Từ thẩm của lõi sắt từ : (H/m) Thể tích lõi sắt từ: Với Q là tiết diện cực giữa lõi thép . l : là chiều dài đường sức từ. Với V == 2,7 cm3 ta sẽ được các kích thước chuẩn của lõi thép ( theo bảng 1 .5 trang 120 sách Điện tử công suất - Trần văn Thịnh) : Q = 0,375cm2 , l =10,2cm ,d =2,5cm; a = 0.75 cm , b = 0,5 cm , D = 4 cm , p = 27,6(g) + Số vòng cuộn sơ cấp BAX: (vòng) + Số vòng cuộn thứ cấp BAX: W2 = W1/ 3 = 160 (vòng) Chọn J=3(A/mm2) là mật độ dòng điện của dây đồng Đường kính dây quấn sơ cấp : Đường kính dây quấn thứ cấp : Tra bảng P.5 sách Thiết kế Điện tử công suất – Nguyễn Văn Thịnh ta có : = 0,13 ( mm ) 3.2 . Tính chọn Transistor và Diode: - Chọn Diode : Tất cả các mạch điều khiển đều chọn Diode loại 1N4009 có thông số : Loại Iđm ( A) Uđm (V) Điện áp cho Diode mở thông Um (V ) 1N4009 10 25 1 - Chọn Transistor : Căn cứ vào dòng sơ cấp của biến áp xung I1 = 0,03 ( A ) . Ta chọn Transistor loại pnp A564 có thông số sau : UCB0 = 25 ( V ) , UBE0 = 7( V ) ICmax = 0,1 ( A ) , = 250 3.3. Chọn khuếch đại thuật toán : Căn cứ vào chức năng của mạch ta dùng các mạch khuếch đại thuật toán . Chọn KĐTT loại có thông số kỹ thuật sau : + Tổng trở cửa vào 250 K + Tổng trở cửa ra 150 K + Điện áp nguồn cửa tối đa 15 V + Điện áp ra tối đa 14 V + Tốc độ điện áp ra 2,5 V/s + Điện áp vào bão hoà 0,4 mA + Tần số cắt 1 MHz + Hệ số khuyếch đại IC KIC = Hình 33 Đặc tính truyền đạt của mA - 709 3.4. Tính chọn mạch tạo điện áp xung răng cưa : Ta nuôi KĐTT bằng nguồn nuôi 15 V để cho điện áp răng cưa được chính xác thì trong suốt thời gian tụ nạp ; điện áp đầu ra phải không đạt tới trị số bão hoà . = 15 ( V ) ta có : Chọn Với Ta tính toán sao cho 1WR , với thời gian: t = 1/50 ( s ) và = 12 ( V ) ; C = 0,22( ) Chọn = 100 ; 1WR = 14 ta chỉnh 1WR để đạt được : = 12 ( V ) Chọn : loại có = 14 ; = 100 3.5. Tính toán máy biến áp đồng bộ hoá : Chọn máy biến áp đồng bộ hóa cũng là máy biến áp tạo nguồn nuôi nên ta chọn máy biến áp 1 pha có 2 cuộn dây thứ cấp với điện áp đầu vào cuộn sơ cấp là 220V và điện áp ra cuộn thứ cấp là 25 V . Vì máy biến áp này cung cấp nguồn nuôi cho tất cả các IC và máy biến áp xung nên ta chọn sơ bộ công suất biến áp S = 20 ( VA ) Dòng điện sơ cấp máy biến áp : Điện áp thứ cấp máy biến áp : U2 = 25 ( V ) Dòng điện thứ cấp máy biến áp :(vì máy biến áp có 2 cuộn thứ cấp) Tỷ số máy biến áp : Tiết diện trụ giữa máy biến áp : Chọn cấu trúc mạch từ 3 trụ hình chữ E , làm bằng Tôn Silic, bề dày mỗi tấm là 0,35 ( mm ) . Dựa vào bảng II.2 - ĐTCS tác giả Nguyễn Bính ta chọn E 12x20 có : Q = 2,18 , a = 1,2 ( cm ) , h = 3 ( cm ) , c = 1,2 ( cm ) , C = 4,8 ( cm ) , H = 4,2 ( cm ) , B = 2 ( cm ) Chọn B = 1,1 T Số vòng dây cuộn sơ cấp : ( vòng ) Số vòng dây cuộn thứ cấp : ( vòng ) Chọn J = 3 ( A/) Đường kính dây sơ cấp : Chọn = 0,2 ( mm ) , = 0,03142 () Đường kính dây thứ cấp : Chọn = 0,44 ( mm ) , = 0,1521() Hệ số lấp đầy : Vậy máy biến áp thoả mãn yêu cầu. 3.6. Khâu tạo nguồn nuôi : Ta cần tạo ra nguồn điện áp 15 V để cấp nguồn nuôi cho IC ta dùng hai bộ chỉnh lưu ( CL1 và CL2 ) tạo điện áp đối xứng cung cấp cho IC ổn áp . Điện áp đầu ra IC ổn áp chọn 15 V Điện áp đầu vào IC ổn áp chọn 24 V Ta chọn IC ổn áp là 2 vi mạch 7815 và 7915 có các thông số sau : Điện áp IC 7815 có = ( 7 35 ) V IC 7915 có = (-7 - 35 ) V Điện áp ra : IC 7815 có = 15 (V ) IC 7915 có = -15 (V ) Dòng điện đầu ra : Các tụ C dùng để lọc các thành phần sóng hài bậc cao : Chọn ; U = 35 ( V ) ● Để đảm bảo chất lượng và sự làm việc ổn định của hệ thống ta phải lấy tín hiệu phản hồi và tín hiệu điều khiển để điều khiển hệ thống.Các mạch phản hồi ta dùng máy phát tốc để phản hồi tốc độ và biến dòng để phản hồi dòng điện.Khâu điện áp chủ đạo để tạo tín hiệu điều khiển khi điều khiển bằng tay. 3.7. Tính chọn khâu tạo điện áp chủ đạo: Chọn biến trở : Rcđ = 4,7 KW công suất tiêu tán trên biến trở là . 3.8. Tính chọn máy phát tốc : Máy phát tốc là một thiết bị nối đồng trục với động cơ. Dùng để lấy tín hiệu phản hồi âm tốc độ động cơ với hệ số phản hồi g. Căn cứ vào tốc độ định mức của động ta chọn máy phát tốc : Chọn theo điều kiện : Máy phát tốc có thông số kỹ thuật sau : Mã hiệu Uđm (V) Iđm ( A) nđm (v/ph) Rư( W) 7 - 100 100 0,08 1500 200 Hệ số truyền máy phát tốc : Điện áp của máy phát tốc được đưa vào bộ khuyếch đại nên ta chỉ cần lấy một phần điện áp qua chiết áp lấy = 12,5 ( V ) Hệ số truyền thực tế là : 3.9. Chọn máy biến dòng : Máy biến dòng dùng để lấy tín hiệu dòng điện phần ứng động cơ . Điều kiện chọn BI : Căn cứ vào dòng phần ứng của động cơ ta chọn máy biến dòng như sau : (bảng 3.6 tr 150-CCĐ) Loại Uđm (V) Iđm ( A) Cấp chính xác lõi thép Công suất định mức ( VA ) và phụ tải thứ cấp () khi cấp chính xác 0,5 Số cuộn dây thứ cấp TK- 0,5 500 5 300 0,5 5(VA) 0,2(W) 1 PHẦN II: ỨNG DỤNG BỘ NGUỒN ĐỂ TRUYỀN ĐỘNG NÂNG HẠ ĐIỆN CỰC LÒ HỒ QUANG Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG LÒ HỒ QUANG 1. Giới thiệu chung: 1.1. Khái niệm: Lò hồ quang là lợi dụng nhiệt của ngọn lửa hồ quang giữa các điện cực hoặc giữa điện cực với kim loại để nấu chảy kim loại. - Có rất nhiều cách phân loại lò hồ quang. Trong khuôn khổ đồ án này ta nghiên cứu ứng dụng bộ nguồn nâng hạ điện cực lò hồ quang xoay chiều 3 pha. Hình 1 : Lò hồ quang xoay chiều 3 pha - Tuỳ theo kích thước lò mà có dung lượng định mức khác nhau 0,5; 1,5; 3; 5; 12;...(tấn) 1.2. Yêu cầu bộ phận cơ khí nâng hạ điện cực: Bình thường lò hồ quang xoay chiều có 1 hoặc 3 điện cực tuỳ theo công suất của lò. Lò hồ quang ở đây ta nghiên cứu là lò hồ quang xoay chiều 3 pha với 3 điện cực tương ứng với 3 cơ cấu nâng hạ với yêu cầu chính của cơ cấu là: - Thực hiện nâng hạ điện cực điều chỉnh dòng điện và điện áp thứ cấp theo yêu cầu. - Điều chỉnh cân đối dòng điện giữa 3 điện cực. Khi động cơ quay sẽ làm cho tang quay kéo dây cáp, dây cáp sẽ nâng hạ điện cực. Nhờ có đối trọng mà tốc độ lên luôn lớn hơn tốc độ xuống để nhanh chóng ổn định chế độ điện khi dòng tăng và hạn chế gãy điện cực khi vận hành. Có hai loại thiết bị cơ khí nâng hạ điện cực: - Loại bàn trượt: có thiết bị đơn giản, dễ chế tạo nhưng do trụ cố định cần có chiều cao đủ lớn, đảm bảo nâng hết chiều dài điện cực do đó ảnh hưởng đến sự làm việc chung của không gian lò. - Loại trụ xếp: Loại này có kết cấu chắc chắn, chiều cao thấp không ảnh hưởng đến không gian làm việc của lò. Nhưng có cấu tạo phức tạp thường được dùng cho các lò trung bình và lớn. Ở khuôn khổ đồ án này ta thiết kế cho lò nhỏ nên chọn thiết bị cơ khí nâng hạ kiểu bàn trượt. 1.3. Chế độ năng lượng điện làm việc của lò hồ quang: Hình 2 Biểu đồ chế độ năng lượng trong các thời kì của lò hồ quang 1.3.1. Thời kỳ nấu chảy: Trong thời kỳ này yêu cầu công suất điện đưa vào lò là cực đại Pmax = (1,25 ¸ 1,3)Ptb (Ptb là công suất trung bình Ptb = 70 ¸ 75%Pđm). Khi mới đóng điện vào lò liệu còn đầy, hồ quang cháy tự do lên mặt liệu rắn và nắp lò cho thời kỳ đầu nấu chảy (5 ¸ 10) phút không nên đưa công suất cực đại. Sau khi liệu chảy thành 3 hố sâu dưới điện cực mới cho phép tăng dần công suất đến giá trị cực đại. 1.3.2. Thời kỳ oxy hóa: Tuỳ theo công nghệ luyện kim mà công suất đưa điện vào lò nhiều hay ít. Lúc cần tạo xỉ và nung nóng xỉ thì cần công suất điện lớn và bằng công suất trung bình, khi xỉ đã chảy lỏng, giai đoạn oxy hóa và giai đoạn sôi đã xảy ra thì lúc này cần giảm công suất nhỏ hơn công suất trung bình. 1.3.3. Thời kỳ hoàn nguyên: Trong giai đoạn này kim loại tường và nắp lò có nhiệt độ cao và ổn định. Tuỳ theo công nghệ mà cho công suất điện và thời gian hoàn nguyên không đổi. Thường đưa công suất thấp hơn công suất trung bình. Thường chia 4 giai đoạn nhỏ. - Tạo xỉ hoàn nguyên - Nấu chảy và hòa tan fêrô hợp kim. - Nung lại kim loại - Giữ kim loại lỏng trong lò. 2. Hệ thống mạch điện lò hồ quang: 2.1. Mạch điện: Hình 3 Hình 3 Mạch điện chính của lò hồ quang 2.2. Các phần tử trong mạch điện: 2.2.1. Điện cực: Là phần trực tiếp phát ra hồ quang điện nung nóng kim loại trong quá trình nấu luyện, chi phí điện cực chiếm khoảng 10% giá thành thép. Gồm có 2 loại : điện cực than và điện cực graphit. Để tiết kiệm thì điện cực được nối từng đoạn bằng khớp nối. Kích thước điện cực tuỳ theo công suất lò. Yêu cầu điện cực phải có độ dẫn điện và độ bền cơ học cao để hạn chế tổn thất và qãy trong quá trình làm việc. Tạp chất trong điện cực nhỏ, dễ sản xuất giá thành thấp. 2.2.2. Nguồn cung cấp: Nguồn điện cung cấp cho lò luyện thép lấy từ lưới điện có điện áp 6, 10 hoặc 35KV tuỳ theo công suất của lò và được đưa vào máy biến áp lò. 2.2.3. Máy biến áp lò: Để chuyển năng lượng từ điện thế cao sang điện thế thấp phù hợp với sử dụng. Vì máy biến áp lò làm việc trong điều kiện nặng nề nên có những đặc điểm sau: - Khả năng quá tải lớn. - Chịu được sự thay đổi dòng trong phạm vi rộng, cường độ dòng thứ cấp thường từ vài ngàn đến vài chục ngàn ampe. - Phạm vi thay đổi điện thế lớn. Lò nhỏ thường có khoảng 2 ¸ 4 cấp điện áp. Lò lớn có khi tới 20 ¸ 30 cấp điện áp thứ cấp. Phạm vi thay đổi khoảng từ 130V đến 400 ¸ 500V. - Biến áp lò phải có khả năng làm việc lâu dài trong điều kiện nhiệt độ cao do quá tải và hiện tượng đập mạch hồ quang. Do đó phải có biện pháp làm nguội tốt. - Công suất biến áp lò có thể xác định gần đúng từ điều kiện nhiệt trong giai đoạn nấu chảy vì ở các giai đoạn khác lò đòi hỏi công suất tiêu thụ ít hơn. - Nếu coi rằng trong giai đoạn nấu chảy tổn thất năng lượng nấu chảy trong lò hồ quang, trong biến thế lò và cuộn kháng L được bù bởi năng lượng của phản ứng tỏa nhiệt thì công suất biến áp có thể xác định theo công thức sau: SBAL = (KVA) Trong đó: Tnc là thời gian nấu chảy (giờ) Ksd là hệ số sử dụng công suất biến áp lò trong giai đoạn nấu chảy. cosj là hệ số công suất của thiết bị lò hồ quang W là năng lượng hữu ích và tổn hao nhiệt trong thời kỳ nấu chảy và dừng lò giữa 2 mẻ nấu (KWh). W = w.G Với: G là khối lượng kim loại nấu (KWh) w là suất chi phí điện năng để nấu chảy (KWh/T). Suất chi phí năng lượng giảm đối với lò lớn thường W = 400 ¸ 600 (KWh/T). - Thời gian nấu chảy được tính từ lúc cho lò làm việc đến kết thúc việc nấu chảy. Thường thì thời gian này 1 ¸ 3 giờ. - Hệ số sử dụng công suất thường 0,8 ¸ 0,9. Công suất danh nghĩa biến áp (KVA) 400, 100, 1800, 2800, 500, 9000, 1500. Cuộn thứ cấp biến thế lò thường được nối tam giác vì dòng ngắn mạch được phân 2 pha và như vậy điều kiện làm việc cuộn dây sẽ nhẹ nhàng hơn. Biến áp lò thường phải làm việc trong tình trạng ngắn mạch và phải có khả năng quá tải nên thường chế tạo to, nặng hơn các biến thế động lực cùng loại. 2.2.4. Thiết bị đóng cắt đo lường và bảo vệ: 2.2.4.1. Thiết bị đóng cắt: Dao cách li dùng để phân cách mạch động lực của lò với lưới khi cần thiết. Máy cắt MC1 dùng để bảo vệ lò hồ quang khỏi ngắn mạch sự cố. Máy cắt MC2 để đóng và cắt cuộn kháng. Máy cắt MC3 và MC4 dùng để thay đổi nối cuộn sơ cấp MBA để điều chỉnh điện áp. 2.2.4.2. Thiết bị đo lường bảo vệ: Để lấy tín hiệu từ lưới người dùng biến dòng BD1, biến điện áp BA1. Phía sơ cấp biến áp lò có đặt rơle dòng cực đại qua BD2 để tác động lên cuộn cắt MC1. Rơle này có duy trì thời gian, thời gian này giảm khi bội số quá tải dòng tăng. Nhờ vậy MC1 cắt mạch lực của lò hồ quang khi có ngắn mạch sự cố và khi ngắn mạch làm việc kéo dài không xử lý được. Với ngắn mạch trong thời gian tương đối ngắn chỉ có đèn báo và chuông. Phía sơ cấp BAL còn có các dụng cụ đo lường kiểm tra: vôn kế, ampe kế, công tơ điện, pha kế, v.v... Phía thứ cấp cũng có máy biến dòng BD3 và máy biến điện áp BA2 lấy tín hiệu hồ quang để điều khiển. 2.2.4.3. Cuộn kháng (K): Cuộn kháng điện được mắc phía cao thế trước biến áp lò, mục đích làm hồ quang cháy đều, hạn chế hiện tượng đập mạch hồ quang. Khi dòng hồ quang tương đối ổn định thì cắt cuộn kháng khỏi mạch điện để giảm tổn thất điện năng. Khi bắt đầu làm việc hay xảy ra ngắn mạch làm việc. Lúc ngắn mạch làm việc máy cắt 2MC mở ra để cuộn kháng tham gia vào mạch hạn chế dòng ngắn mạch. Khi liệu chảy hết lò cần công suất nhiệt lớn để nấu luyện, 2MC đóng lại để ngắn mạch cuộn kháng K. Ở thời kỳ hoàn nguyên công suất lò yêu cầu ít hơn thì MC lại mở ra để đưa cuộn K vào mạch, làm giảm công suất cấp cho lò. 2.2.5. Bộ phận chuyển đổi công suất cấp cho lò: Bộ phận chuyển đổi điện thế để điều chỉnh công suất biến áp lò cho phù hợp với từng thời kỳ nấu luyện. Xuất phát từ yêu cầu đó cần thay đổi lượng nhiệt bằng cách thay đổi công suất biến thế lò. Công suất mạch 3 pha được tính như sau: P = UIcosj Thực tế cho thấy để điều chỉnh công suất nên thay đổi điện áp U và có 2 phương pháp thay đổi U: - Thay đổi số vòng dây cuộn sơ cấp - Thay đổi cách nối dây giữa các cuộn sơ cấp máy biến thế Thời kỳ nấu chảy U = 240 ¸ 420V Thời kỳ oxy hóa U = 160 ¸ 300V Thời kỳ hoàn nguyên U = 110 ¸ 140V. 2.2.6. Mạch ngắn: Mạch ngắn là hệ thống tải điện từ cuộn thứ cấp của máy biến áp lò đến điện cực, nó dẫn dòng điện rất lớn tới hàng chục hàng trăm nghìn ampe. Tổn hao công suất mạch ngắn DPmn = rmn đạt tới 70% toàn bộ tổn hao trong toàn thiết bị lò hồ quang. Nên vậy có yêu cầu mạch ngắn là phải ngắn nhất có thể, ghép từ các tấm lá đồng thành các thanh mềm để có thể uốn dẻo lên xuống khi nâng hạ điện cực. Có thể chia mạch ngắn thành 3 phần như sau: - Thanh dẫn: Dẫn điện từ máy biến thế lò đến dây dẫn ở sau bức tường của phòng đặt máy biến áp lò. Thanh dẫn thường được chế tạo bằng đồng đỏ có tiết diện hình chữ nhật dẹt. - Dây cáp mềm: dẫn điện từ thanh dẫn đến ống tiếp điện đặt phía trên dầm ngang của cơ cấu nâng hạ điện cực. Cáp mềm thường được chế tạo bằng cách sợi đồng nhỏ bện lại, bên ngoài có ống cao su chịu nhiệt và được làm nguội bằng nước. - Ống tiếp điện: dẫn điện từ cáp mềm để tiếp điện cho điện cực thường được chế tạo ở dạng ống có nước làm nguội. 2.2.7. Một số thiết bị điện phụ khác: Ngoài thiết bị điện chủ yếu như đã nêu và được vẽ ở hình thì trong lò điện còn có các hệ thống điện cho các truyền động phụ phục vụ lò như: truyền động nghiêng lò, nâng nắp lò, bơm nước làm mát lò, di chuyển lò, quạt làm mát máy biến thế... các tủ điện động lực và điều kiển, bàn điều khiển hệ thống đèn báo, nút bấm. 3. Yêu cầu truyền động nâng hạ điện cực: Truyền động nâng hạ điện cực thực chất là điều chỉnh công suất hồ quang để giảm tổn thất điện năng tận dụng hết công suất máy biến thế lò, điều chỉnh nhạy hồ quang khi có sự thay đổi nhanh chóng khôi phục chế độ điện bình thường, rút ngắn thời gian nấu luyện, tăng năng suất lò, đảm bảo chất lượng thép và tuổi thọ lò. 3.1. Yêu cầu đề ra cho một bộ truyền động nâng hạ điện cực: 3.1.1. Đủ độ nhạy để đảm bảo chế độ làm việc của lò. Duy trì dòng điện hồ quang không tụt quá (4 ¸ 5)% trị số dòng điện làm việc. Vùng không nhạy của bộ điều chỉnh không quá ±(3 ¸ 6)% trong giai đoạn nấu chảy và ±(2 ¸ 4)% trong các giai đoạn khác. 3.1.2. Tác động nhanh đảm bảo khử ngắn mạch hay đứt hồ quang trong thời gian 1,5 ¸ 3s. Điều đó sẽ giảm số lần cắt của máy cắt chính, giảm sự thấm C của kim loại ... Các lò hồ quang hiện đại không cho phép ngắt máy cắt chính quá 2 lần trong giai đoạn nấu chảy. Đảm bảo yêu cầu này nhờ tốc độ dịch cực nhanh tới 2,5 ¸ 3m/ph trong giai đoạn nấu chảy (khi dùng truyền động động cơ) và 5 ¸ 6 m/ph (khi truyền động thuỷ lực). Dòng điện hồ quang càng lệch xa vị trí đặt thì tốc độ dịch cực phải càng nhanh. 3.1.3. Hạn chế tối thiểu sự dịch cực không cần thiết như khi chế độ làm việc bị phá vỡ trong thời gian rất ngắn hay trong chế độ thay đổi tính đối xứng. Yêu cầu này càng cần đối với lò 3 pha không có dây trung tính. Chế độ hồ quang của một pha nào đó bị phá huỷ sẽ dẫn theo phá huỷ chế độ hồ quang của các pha còn lại. Điện cực của các pha ở vị trí chuẩn cũng có thể bị dịch chuyển. Do vậy mỗi pha cần có hệ điều chỉnh độc lập để sự làm việc của nó không bị ảnh hưởng tới chế độ làm việc các pha khác. 3.1.4. Thay đổi công suất lò bằng phẳng trong giới hạn 20 ¸ 125% trị số định mức với sai số không quá 5%. 3.1.5. Có thể chuyển đổi nhanh từ chế độ tự động sang chế độ điều khiển bằng tay và ngược lại. 3.1.6. Tự động mồi hồ quang khi bắt đầu làm việc và sau khi hồ quang bị đứt. Khi ngắn mạch thì việc nâng điện cực không làm đứt hồ quang. 3.1.7. Dừng mọi sự dịch chuyển điện cực khi mất điện lưới. Việc duy trì công suất lò hồ quang có thể thông qua việc duy trì một trong các thông số sau: dòng điện hồ quang Ihồ quang, điện áp hồ quang Uhồ quang và tỷ số giữa điện áp và dòng điện hồ quang tức là tổng trở Zhồ quang . Bộ điều chỉnh duy trì dòng hồ quang không đổi sẽ không mồi được hồ quang tự động được. Ngoài ra, khi dòng điện trong một pha nào đó thay đổi sẽ kéo theo dòng điện 2 pha kia cũng thay đổi. Bộ điều chỉnh duy trì điện áp hồ quang không đổi có khó khăn trong việc đo thông số này. Thực tế cuộn dây đo được nối giữa thân kim loại của cửa lò và thanh cái máy biến áp lò do vậy điện áp đo được phụ thuộc vào dòng tải và sự thay đổi của dòng 1 pha sẽ ảnh hưởng 2 pha còn lại. Phương pháp tốt nhất là dùng bộ điều chỉnh duy trì Zhồ quang = const thông qua các hiệu số tín hiệu dòng và áp. aIhồ quang - bUhồ quang = bIhồ quang(Zohồ quang - Zhồ quang) a, b là hệ số phụ thuộc hệ số biến áp đo lường và điện trở chỉnh định trên mạch. Zohồ quang và Zhồ quang là giá trị đặt vào giá trị thực của tổng trở hồ quang. Như vậy việc điều chỉnh thực hiện theo độ lệch của tổng trở hồ quang so với giá trị đặt. Phương pháp này dễ mồi hồ quang, duy trì được công suất lò, ít chịu ảnh hưởng của dao động điện áp nguồn. 3.2. Đặc tính tĩnh của động cơ dịch cực: Hình 4 Đặc tính tĩnh của động cơ dịch cực Khi dòng điện Ihq tăng thì động cơ nâng điện cực lên làm việc ở đoạn ABCD của đặc tính tĩnh. Ở vùng thay đổi nhỏ của Ihq thì tốc độ nâng tỷ lệ với số gia DIhq đoạn AB. Ở vùng thay đổi lớn của Ihq thì tốc độ nâng nhảy vọt đoạn BC, và chế độ rơle đoạn CD. Khi Uhq tăng thì động cơ hạ điện cực xuống theo quy luật tuyến tính trên đoạn A'B' Đặt vùng không nhạy đoạn A'A khi Ihq thay đổi nhỏ không vượt quá giá trị vùng không nhạy này thì tín hiệu điều khiển bằng không và động cơ không quay nên điện cực không dịch chuyển làm việc ổn định. ● Để truyền động nâng hạ điện cực có thể dùng hệ truyền động biến tần, hệ Thyristor - động cơ hay hệ thuỷ lực. Trong đồ án này chúng ta dùng hệ Thyristor - động cơ vì có nhiều ưu điểm và cũng được dùng phổ biến vì động cơ một chiều kích từ độc lập có mômen khởi động lớn dải điều chỉnh rộng và bằng phẳng, dễ điều chỉnh, mở máy, hãm đảo chiều. Chương 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỆN CỦA HỆ THỐNG TRYỀN ĐỘNG NÂNG HẠ ĐIỆN CỰC Hình 5 Sơ đồ khối hệ TĐ truyền động nâng hạ điện cực 1. Xây dựng sơ đồ khối hệ truyền động nâng hạ điện cực dùng hệ T-Đ: 1.1. Sơ đồ khối: 1.2. Xây dựng mạch nguyên lý của các khối: Các khối mạch tạo xung và các bộ chỉnh lưu đã thiết kế ở phần 1 vậy ta sẽ xây dựng mạch của các khối còn lại. 1.2.1. Xây dựng mạch tổng hợp khuếch đại tín hiệu và các khâu phản hồi: Tín hiệu gồm điện áp chủ đạo Ucđ, âm tốc độ và âm dòng điện có ngắt. Để nâng cao độ cứng đặc tính cơ cũng như chất lượng động ta sử dụng phản hồi âm tốc độ và âm dòng điện có ngắt tạo hai vòng phản hồi kín cho hệ thống.Ta giả sử khâu tổng hợp khuếch đại tín hiệu và cũng là khâu điều chỉnh gồm 1 khâu tỷ lệ-tích phân và 1 khâu tỷ lệ như hình vẽ 6 và ta sẽ tìm chính xác các khâu này ở phần tổng hợp hệ thống. Hình 6 Mạch vòng phản hồi tốc độ và dòng điện 1.2.1.1. Điện áp điều khiển: Tín hiệu Uđk lấy từ Ucđ khi điều khiển bằng tay và lấy tín hiệu Uđkhq từ lò hồ quang khi điều khiển tự động. Tín hiệu này là tín hiệu một chiều nó có thể mang giá trị âm hoặc dương. Khi Uđk > 0 thì động cơ quay thuận (nâng điện cực) Khi Uđk = 0 thì động cơ dừng Khi Uđk < 0 thì động cơ quay ngược (hạ điện cực) 1.2.1.2. Phản hồi âm tốc độ(- gn): Tín hiệu phản hồi được lấy từ một máy phát tốc nối cứng với trục động cơ. Đầu ra đưa qua 1 biến trở WR1 để lấy ra tín hiệu âm đưa vào IC1. Khi động cơ quay thì máy phát tốc sẽ phát một điện áp tỷ lệ với tốc độ động cơ. Đầu vào IC1 gồm Uđk và - gn nên đầu ra IC1 là = -K1(Uđk - gn) với: K1 là hệ số khuếch đại của IC1, g là hệ số phản hồi âm tốc độ. 1.2.1.3. Phản hồi dòng điện có ngắt: Tín hiệu phản hồi được lấy từ máy biến dòng được chỉnh lưu bằng sơ đồ cầu 1 pha thành tín hiệu 1 chiều. Tín hiệu phản hồi âm dòng có ngắt được lấy từ biến trở WR3 rồi đưa đến khâu ngắt IC2 để so sánh với Ing. Bình thường thì Iư Ing thì đầu ra IC2 dương D5 thông và tín hiệu đầu ra IC2 được đưa vào hệ thống tổng hợp cùng với tín hiệu âm tốc độ. Lúc này tại đầu ra IC5 là: Uđk1 = -K2( - bI) = -K2[-K1(Uđk - gn) + b(Iư-Ing)] =K2[K1(Uđk - gn) - b(Iư-Ing)] K2 là hệ số khuếch đại của IC5, b là hệ số phản hồi âm dòng 1.2.2. Xây dựng mạch lấy tín hiệu, tổng hợp và khuếch đại tín hiệu dòng và áp hồ quang: 1.2.2.1. Khối lấy tín hiệu dòng điện hồ quang: Có nhiệm vụ lấy tín hiệu dòng điện hồ quang để thực hiện quá trình điều khiển. Đầu ra của khối này có điện áp tỷ lệ với sự thay đổi dòng điện hồ quang. Sơ đồ mạch: Hình 7 Sơ đồ mạch lấy tín hiệu dòng hồ quang Trong quá trình nấu luyện thì dòng hồ quang là rất lớn do đó để lấy tín hiệu dòng điều khiển ta thông qua máy biến dòng. Tín hiệu hồ quang thu được phải phản ánh đúng giá trị của dòng hồ quang thực, một thay đổi nhỏ của dòng hồ quang cũng phải được nhận biết do đó ta không dùng cầu chỉnh lưu điôt để lấy dòng hồ quang mà ta sử dụng cầu chỉnh lưu khuếch đại thuật toán. Tín hiệu dòng hồ quang được lấy ra từ máy biến dòng biến đổi đến giá trị thích hợp, tín hiệu này được chỉnh lưu qua IC1 và IC2 và lọc qua IC3 đưa đến đầu vào A của tổng hợp. Đầu vào IC1, IC2 có điện áp tỷ lệ với dòng hồ quang (điện áp rơi trên R1). Giả sử U1 < 0, D2 thông đầu ra IC1 có = 0 nhưng lúc này điện áp đầu ra IC2 là Khi U1 > 0 thì D2 khóa, D1 thông đầu ra IC1 xuất hiện: Đầu ra IC2 có 2 điện áp và U1 nên đầu ra sẽ là: = = Với việc phối hợp các giá trị của điện trở sẽ cho phép điện áp đầu ra IC2 luôn dương và điện áp đầu ra này tỷ lệ với dòng điện hồ quang. Tín hiệu này qua R7 (điện trở hạn chế) và đưa vào khâu lọc IC3. Đầu ra IC3 là tín hiệu Ihq dùng để điều khiển. Mặt khác tín hiệu Ihq này so sánh với điện áp chuẩn trên WR2 và đưa qua mạch lôgic IC4 để khi dòng Ihq < 5% Ihqđm thì đầu ra IC4 có điện áp dương làm cho Tr2 mở, các đầu vào đặt dòng nối đất. Điều này đảm bảo cho động cơ đứng yên khi cắt điện áp điện cực và khi đứt hồ quang chuyển động theo chiều hạ điện cực. 1.2.2.2. Khối lấy tín hiệu điều khiển điện áp hồ quang: Hình 8 Mạch lấy tín hiệu điện áp hồ quang Cũng giống như tín hiệu dòng điện hồ quang thì tín hiệu điện áp hồ quang đo được cũng phải đúng với tín hiệu điện áp hồ quang thực và khi có sai lệch nhỏ của điện áp hồ quang thì đầu ra của khâu lấy tín hiệu điện áp hồ quang phải có tín hiệu ra để đưa đến điều khiển dịch điện cực một cách kịp thời. Tín hiệu điện áp hồ quang chỉnh lưu qua IC1, IC2 lọc qua IC3 và đảo dấu qua IC4 và đưa đến đầu B khâu tổng hợp. Mặt khác đầu ra IC3 đưa đến bộ điều chỉnh tự động khi ngắn mạch. 1.2.2.3. Đặt dòng hồ quang: Mỗi khi công suất thay đổi sẽ có dòng hồ quang định mức khác nhau. Trong quá trình nấu thép sẽ yêu cầu công suất khác nhau, dòng hồ quang được xác định theo một giá trị đặt trước và giữ giá trị đó khi hồ quang cháy ổn định. Hình 9 Mạch đặt dòng hồ quang Giá trị dòng đặt trước được xác định theo % của dòng định mức (hàng chục và hàng đơn vị theo phần trăm của dòng định mức). Các giá trị đặt được thực hiện bằng mạch cộng áp IC như hình vẽ: Mức điện áp ra của IC2 và IC3 hoàn toàn như nhau nhưng nhờ các giá trị điện trở mà chúng sẽ đạt được giá trị hàng chục và hàng đơn vị. Khi chưa có dòng hồ quang hoặc khi dòng hồ quang nhỏ hơn 5% dòng định mức thì qua IC1 có tín hiệu mở Tr2 dòng đặt qua các điôt, qua Tr2 nối mát dòng đặt bằng 0 đảm bảo khi không có điện áp lò thì động cơ đứng yên. 1.2.2.4. Đặt vùng không nhạy: Vùng không nhạy là giá trị đặt trước có khả năng thay đổi theo cấp từ (0 ¸ 10)% giá trị định mức của tín hiệu điều khiển. Tuỳ theo quá trình nấu thép mà ta đặt các giá trị định mức khác nhau. Vùng không nhạy xác định khoảng sai lệch cho phép của dòng áp hồ quang. Nếu tổng hợp dòng áp hồ quang theo biểu thức DU = (a.Uhq - bIhq) lớn hơn giá trị vùng không nhạy thì tín hiệu điều khiển Uđk ¹ 0 và cho ra tín hiệu điều khiển. Khi tổng hợp tín hiệu dòng áp hồ quang nhỏ hơn giá trị vùng không nhạy (hồ quang cháy ổn định) thì động cơ không quay, tức điện cực đứng yên 1.2.2.5. Khâu tổng hợp tín hiệu: Gồm: Tín hiệu tỷ lệ với dòng điện hồ quang (đầu A) Tín hiệu tỷ lệ điện áp hồ quang (đầu B) Tín hiệu tỷ lệ với dòng điện đặt (đầu C, D) Tín hiệu tỷ lệ tín hiệu vùng không nhạy (đầu KN1, KN2) Gọi: Ig và Ug là tín hiệu dòng điện và điện áp hồ quang Tín hiệu ra ở đầu A và aIg Tín hiệu ra ở đầu B và bUg Tín hiệu đặt dòng aIgo Sơ đồ mạch như hình vẽ 10: Hình 10 Mạch tổng hợp tín hiệu Giá trị điện áp vùng không nhạy DUo Yêu cầu hạ khi dòng điện làm việc nhỏ hơn dòng định mức và sai lệch giữa dòng và áp vượt quá giá trị của vùng không nhạy. Tức là: aIg < aIgo (1) aIg - bUg < -DUo (2) (1) + (2) ® a'Ig - bUg < -DUo ® UA - UC - UB - UD + UE < 0 (*) Yêu cầu khi nâng: dòng làm việc lớn hơn dòng định mức aIg > aIgo (1) Sai lệch giữa dòng và áp vượt ngưỡng vùng không nhạy aIg - bUg > DUo (2) a'Ig - bUg - DUo - Igo > 0 ® UA - UB - UC - UD - UE > 0 (**) + Tương ứng với mạch tổng hợp IC1 là biểu thức (*) Khi đầu vào IC1 > 0 điôt D1 mở điện áp ra bằng 0. Khi điện áp đầu vào IC1 < 0, D1 khóa, D2 thông điện áp ra có giá trị: DUh = Đưa đến đầu vào IC3 + Biểu thức (**) tương ứng với mạch tổng hợp IC2. Khi đầu vào IC2 0 thì D4 khóa, D3 thông thì đầu ra IC2 sẽ có điện áp: DUn = Tín hiệu này chưa đến đầu IC3 Các tín hiệu hạ hoặc nâng từ đầu ra IC1, IC2 được lặp giá trị và đảo dấu qua IC3. Như vậy điện áp điều khiển âm khi hạ và dương khi nâng. Nếu chế độ làm việc bằng chế độ định mức (Ig = Igo) hoặc sai lệch nằm trong vùng không nhạy thì tín hiệu đầu ra IC1 và IC2 bằng không dẫn đến Uđc = 0 và điện cực không dịch chuyển. 1.2.2.6. Hạn chế tốc độ hạ điện áp điện cực: (Mạch điện hình vẽ 10) Giả sử chế độ làm việc của lò là định mức với Ig và Ug nào đó. Nếu vì một lý do nào đó chẳng hạn sụt hố liệu bao quanh đầu điện cực hay do liệu cháy không ổn định v.v... dòng hồ quang bị tắt lúc đó sai lệch: DU = a'Ig - bUg - aIgo >> 1 Nếu như không có sự hạn chế thì tốc độ hạ điện cực lớn có thể bị đập mạnh vào liệu gây gãy hay vỡ điện cực. Như vậy cần phải hạn chế tốc độ hạ cực đại. Để giải quyết vấn đề này bằng cách hạn chế tín hiệu hạ ở một mức giới hạn nào đó. Tín hiệu điều khiển Uđk lấy ra ở IC3 đưa vào đầu vào IC4 so sánh với điện áp +15V. Khi tín hiệu điều khiển tương ứng chế độ nâng (Uđk > 0) hoặc hạ nằm trong giới hạn Uđkmax < Uđk < 0 thì đầu vào IC4 có giá trị dương thì D5 thông đầu ra IC4 xấp xỉ 0. Khi Uđk > Uđkmax (tín hiệu ra) tương ứng với sai lệch DU ³ - DUmax đầu vào IC3. Đầu vào IC4 có giá trị âm, D5 khóa, C1, R18 đưa vào tạo mạch tích phân, điện áp đầu ra IC4 tăng nhanh có giá trị dương và được đưa đến đầu vào IC2 qua R30, Đ7 đầu ra IC2 có giá trị điện áp âm làm giảm tín hiệu vào IC3 và làm giảm tín hiệu hạ điện cực. Kết quả tốc độ hạ điện cực được giới hạn ở một mức nhất định tương ứng - Uđkmax. 1.2.2.7. Bộ phận điều chỉnh tự động khi bị ngắn mạch: Giả sử pha B bị ngắn mạch, điện áp - UB đầu vào IC2 giảm về 0 đầu ra IC2 = 0 điểm 5 ở mức 1. Trên pha A là pha vượt trước pha B, dòng điện lớn lên còn điện áp hồ quang thay đổi không đáng kể. Lúc này cần phát tín hiệu cấm nâng điện cực pha A. Khi đó đầu ra IC1 ở mức 1 nên tín hiệu điểm 7 ở mức 0 qua điện trở R25 và D6(hình 10) điện áp - 15V được đưa đến đầu vào IC2(hình 10) Hình 11 Mạch điều chỉnh tự động khi ngắn mạch Hình 12 Giản đồ vectơ dòng điện Nguyên lý làm việc của mạch tự động điều chỉnh khi ngắn mạch như sau: Các chế độ trong các pha (ngắn mạch) Tín hiệu ra trên các điểm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Bình thường 1 1 1 0 0 0 1 1 1 A 0 1 1 1 0 0 1 1 0 B 1 0 1 0 1 0 0 1 1 C 1 1 0 0 0 1 1 0 1 A & B 0 0 1 1 1 0 1 1 0 A & C 0 1 0 1 0 1 1 0 1 B & C 1 0 0 0 1 1 0 1 1 A & B & C 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1.2.2.8. Chế độ làm việc rơle: (Hình 11) Từ đầu ra IC2 tín hiệu nâng điện cực được so sánh với điện áp lấy ra trên biến trở WR1 (xác định điểm đầu tích phân đối với quá trình quá độ chuyển sang chế độ rơle) đưa đến đầu vào IC5. Khi IC5 lật ngưỡng nếu không có tín hiệu cấm nâng điện cực từ pha tiếp theo đầu ra NA2 (điểm 7) ở mức 1 đầu ra NA1 bằng 0 Transistor (T) khóa và bộ tích phân IC6 bắt đầu làm việc. Khi đầu ra IC6 đạt giá trị 1 qua N1 sẽ ở mức 0. Qua R19 và D8 điện áp - 15V được đưa đến IC3 và chuyển IC3 đến chế độ bão hòa đầu ra IC3 ở mức cực đại, điện cực được nâng lên với tốc độ không đổi cực đại. Thời gian duy trì từ thời điểm tác động của IC5 đến thời điểm chuyển bộ điều chỉnh vào chế độ rơle phụ thuộc vào trị số tín hiệu nâng điện cực, trị số R24, C2 và điện áp tác động NA1. 2. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển và sơ đồ mạch lấy tín hiệu hồ quang tạo tín hiệu điều khiển tự động: Từ sơ đồ mạch nguyên lý của các khối đã xây dựng ở trên bây giờ ta tổng hợp thành mạch hoàn chỉnh như các hình vẽ dưới đây: 3. Nguyên lý làm việc: Sau khi đã thực hiện xong công việc nạp liệu thực hiện đóng điện cho các thiết bị. Đóng điện MC1 để cấp điện cho máy biến áp lò. Đóng MC3 để cho máy biến áp lò làm việc ở chế độ D/D cho đến quá trình hoàn nguyên thì đóng MC4 (cắt MC3) máy biến áp lò làm việc ở chế độ Y/D Sau khi luyện khoảng 15 phút thì ấn MC2 để loại cuộn kháng ra khỏi cuộn sơ cấp của máy biến áp lò. Đóng áptômat để cấp điện cho bộ biến đổi. Hệ thống này có thể làm việc chế độ bằng tay hay tự động ● Ở chế độ tự động, tự động mồi hồ quang tự động duy trì công suất hồ quang theo giá trị đặt, tự động mồi lại hồ quang khi hồ quang tắt và loại trừ ngắn mạch làm việc khi xảy ra ngắn mạch. Tự động mồi hồ quang khi khởi động: Giả sử điện cực chưa tiếp xúc với kim loại khi đó Uhồ quang đạt giá trị cực đại còn Ihq = 0 Þ DU = aIhq - bUhq < 0 có tín hiệu Uđkhạ lớn dẫn tới động cơ sẽ quay tốc độ tương đối lớn để hạ điện cực. Khi 2 trong 3 điện cực tiếp xúc với kim loại thì xảy ra ngắn mạch giữa 2 pha. Lúc này dòng hồ quang lớn điện áp hồ quang về bằng 0 làm cho: DU = aIhq - bUhq = aIhq > 0 và có giá trị lớn và Uđk nâng lớn động cơ quay nâng điện cực nhanh ra khỏi bề mặt kim loại làm xuất hiện hồ quang. Pha còn lại cũng hạ xuống chạm mặt kim loại xảy ra ngắn mạch với Ihq lớn nên động cơ pha này cũng sẽ nâng điện cực này lên tạo ra hồ quang. Khi điện cực tách ra khỏi kim loại và nâng lên dần và dòng hồ quang sẽ giảm dần nên Uđk nâng cũng giảm dần là cho tốc độ động cơ cũng giảm dần. Quá trình nâng điện cực giảm dần làm cho tốc độ động cơ giảm dần để tránh hiện tượng trượt hồ quang và khi điện cực nâng lên đến giá trị nào đó thì Uđk = 0 (do Ihq giảm dần về bằng giá trị đặt) hệ thống sẽ đạt trạng thái cân bằng, động cơ sẽ ngừng quay và hồ quang cháy ổn định. Với những thay đổi nhỏ của Ihq và Uhq mà tín hiệu ra nằm trong vùng không nhạy thì động cơ vẫn không làm việc. Tự động loại trừ ngắn mạch: Giả sử hệ thống làm việc mà vì lý do nào đó (ví dụ như sập liệu vào điện cực) làm xuất hiện ngắn mạch làm việc khi đó Uhq = 0, DU = aIhq rất lớn làm nâng nhanh điện cực đã nói ở trên. Tự động mồi hồ quang khi mất hồ quang: Giả sử hệ thống đang làm việc mà xảy ra hiện tượng sập liệu thì xảy ra mất hồ quang khi đó Ihq = 0 DU = -bUhq rất lớn nên Uđk rất lớn điều khiển động cơ quay hạ điện cực xuống để mồi lại hồ quang. Khi cần thay đổi công suất lò ta cần thực hiện: - Thay đổi cách đổi nối máy biến áp lò D/D hay Y/D - Thay đổi điện áp thứ cấp máy biến áp theo các nấc. - Thay đổi dòng điện đặt. ● Chế độ bằng tay chỉ dùng khi chế độ tự động hỏng hoặc sửa chữa chuẩn bị cho quá trình nấu. Thực hiện bằng cách thay đổi điện áp chủ đạo để điều khiển động cơ nâng hoặc hạ như chế độ tự động. Trong mạch còn sử dụng bộ logic để hạn chế sự dịch chuyển không cần thiết tránh sự ảnh hưởng của dòng hồ quang pha này lên pha khác. Ngoài ra còn có các mạch tạo chế độ rơle để nâng hạ nhanh điện cực. Khâu tạo vùng không nhạy tín hiệu điều khiển thuộc vùng này thì động cơ không quay vẫn duy trì hồ quang. Tín hiệu điều khiển cùng với phản hồi âm tốc độ và phản hồi dòng điện có ngắt tổng hợp thành Uđk điều khiển bộ biến đổi thông qua góc mở a. Việc đưa phản hồi âm tốc độ vào hệ thống để đảm bảo độ cứng đặc tính cơ và nâng cao chất lượng của hệ truyền động.Với một lượng tín hiệu đặt trước thì ta có động cơ quay một tốc độ nhất định trong quá trình làm việc thì tốc độ có thể thay đổi do nhiều nguyên nhân nên lượng phản hồi tốc độ cũng thay đổi làm cho tín hiệu điều khiển thay đổi kéo theo góc a thay đổi dẫn đến điện áp ra thay đổi và tốc độ được ổn định.Còn khâu phản hồi dòng điện có ngắt để hạn chế quá tải cho động cơ dịch cực trong trường hợp liệu đè lên điện cực hoặc khi thép vụn rơi vào bánh răng.Khi đó mômen cản lớn làm cho dòng điện động cơ tăng lên và lượng phản hồi dòng điện về sẽ làm giảm tín hiệu điều khiển làm cho điện áp ra cung cấp cho động cơ giảm nên tốc độ động cơ giảm xuống tới khi Iư=Inm=2,5Iđm thì động cơ sẽ dừng lại.Quá trình xảy ra tượng tự đối với khi động cơ bắt đầu quay. Khi thực hiện đổi chiều dịch cực cũng chính là sự đổi chiều dòng điện động cơ và đã được trình bày cụ thể ở phần 2.1. Điều khiển đảo chiều theo phương pháp khống chế tuyến tính phụ thuộc, ở chương 1, phần I. Sau khi tổng hợp được Uđk được đưa đến bộ so sánh với điện áp răng cưa, đầu ra khâu so sánh ta được xung và qua mạch sửa xung, truyền xung được đưa đến bộ biến đổi để có điện áp đầu ra theo mong muốn điều khiển động cơ. Các nguyên lý hoạt động của từng khối đã được trình bày cụ thể ở các phần trước. Chương 3: XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH TĨNH 1. Đặt vấn đề : Xây dựng đặc tính tĩnh của hệ thống là xây dựng đặc tính n = ¦(I) hoặc n = ¦(M) qua đó kiểm tra được độ sụt tốc độ, tức là đánh giá được sai lệch tĩnh của hệ thống xem có đảm bảo yêu cầu đặt ra của công nghệ hay không ; đồng thời cũng kiểm tra các giá trị dòng điện ngắt, dòng điện dừng xem có đảm bảo an toàn cho hệ thống hay không. Từ đó đánh giá được năng lực quá tải của hệ thống ; khả năng tác động nhanh của hệ thống cũng như độ an toàn của hệ thống trong quá trình làm việc . Do động cơ một chiều kích từ độc lập có đặc tính n = ¦(I) và n = ¦(M) đồng dạng nhau tức là có thể suy ra đặc tính n= ¦(M) từ đặc tính n= ¦(I) do đó ta chỉ xây dựng quan hệ n = ¦(I) và gọi là đặc tính cơ của hệ thống . Khi xây dựng quan hệ này do các hệ thống đều có tính phi tuyến nên ta đưa ra các giả thiết sau: + Động cơ làm việc ở chế độ dài hạn. + Hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi là hằng số. + Thyristor là phần tử bán dẫn tác động nhanh không có quán tính. + Điện trở phần ứng động cơ không thay đổi trong suốt quá trình làm việc. + Điện cảm phần ứng của động cơ và các cuộn kháng đủ lớn để duy trì dòng điện tải là liên tục. Với giả thiết như trên ta chỉ tiến hành xây dựng đặc tính tĩnh của hệ thống với trạng thái dòng điện phần ứng của động cơ là liên tục và xây dựng đặc tính cơ ở chế độ quay thuận của động cơ ; còn ở chế độ quay ngược thì lấy ngược lại nghĩa là đặc tính của hành trình thuận ở góc phần tư thứ thứ I còn đặc tính của hành trình ngược ở góc phần tư thứ III . 2. Xây dựng biểu thức đường đặc tính của hệ thống : Để xây dựng đặc tính của hệ thống ta phải thiết lập sơ đồ của hệ thống ở chế độ tĩnh . Như ta đã biết chế độ tĩnh là chế độ mà đạo hàm của mọi tín hiệu vào bằng 0 hay toán tử p = 0 .Do đó ta có sơ đồ cấu trúc của hệ thống như sau : Sơ đồ khối : Hình 15 : Sơ đồ khối hệ thống ở chế độ tĩnh. : Tín hiệu điều khiển . : Hệ số khuếch đại khâu ổn định tốc độ . : Hệ số khuếch đại khâu ổn định dòng điện . : Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi . : Hệ số khuếch đại của động cơ . : Hệ số phản hồi âm dòng điện . : Hệ số phản hồi âm tốc độ . K =... : Hệ số khuếch đại của hệ thống. 2.1 . Xây dựng đặc tính khi chỉ có khâu phản hồi âm tốc độ tác động : (đường đặc tính I ) Sơ đồ khối như trên nhưng ta bỏ qua mạch vòng phản hồi dòng điện. Từ sơ đồ ta có : n= Eư .KD = (Uư –Iư .Rư).KD =(UdkI .K–Iư .Rư).KD =(Udk KI.K–Iư .Rư).KD =((Udk -)KI.K–Iư .Rư).KD Iư .Rư.KD Iư .Rư.( đường đặc tính I ) 2.2. Xây dựng đặc tính khi có cả hai khâu cùng tác động : ( đường đặc tính II ) Khi phụ tải tăng tới giá trị thì khâu hạn chế dòng bắt đầu tham gia , đồng thời khâu phản hồi tốc độ vẫn làm việc. Sơ đồ khối như hình 15. Từ sơ đồ ta có : n= Eư .KD = (Uư –Iư .Rư).KD =(UdkI .K–Iư .Rư).KD =(((Udk - (Iư –Ing ))KI.K–Iư .Rư).KD =(((Udk -)- (Iư –Ing ))KI.K–Iư .Rư).KD (Iư –Ing )-Iư.Rư.KD ( (Iư –Ing ) +Iư .Rư).( đường đặc tính II ) 2.3. Xây dựng đặc tính cơ khi chỉ có khâu ngắt dòng điện tham gia còn khâu phản hồi tốc độ đã bão hoà :( đường đặc tính III ) Sơ đồ khối như hình 15 nhưng ta bỏ qua mạch vòng phản hồi tốc độ và khối K còn đầu vào hệ thống là Ubh vì khi tín hiệu âm dòng điện đạt tới mức bão hòa thì lúc đó : Từ sơ đồ ta có phương trình : n= Eư .KD = (Uư –Iư .Rư).KD =(UdkI .K–Iư .Rư).KD =(((Ubh - (Iư –Ing ))KI.K–Iư .Rư).KD ( đường đặc tính III ) 3. Xây dựng hệ số khuếch đại của các khâu :3.1. Tính hệ số khuếch đại của bộ biến đổi : Để xác định hệ số khuếch đại của BBĐ ta xây dựng quan hệ : Hình 16 Quan hệ Udk và Ta xác định quan hệ giữa Udk và : : Góc điều khiển . Udk: Điện áp điều khiển. Theo giản đồ trên ta có : Với =12V Từ 2 quan hệ trên : Với = (0-6) V Ta có bảng sau : Udk (V ) 0 1 2 3 4 5 6 0 ( V ) 0 74,57 144,05 203,72 249,5 278,28 288,1 X©y dùng : Hình 17 Quan hệ Ud và Udk Từ quan hệ trên ta thấy quan hệ này là phi tuyến để đơn giản ta tuyến tính hóa đoạn đặc tính làm việc có dạng như hình vẽ nên ta được hệ số khuếch đại của bộ biến đổi : Vậy : = 58,31 . Hệ số khuếch đại trung gian : Hệ số khuếch đại của hệ thống được tính theo đường đặc tính cơ thấp nhất và sai lệch tĩnh yêu cầu. Gọi là độ sụt tốc tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất . Khi khâu phản hồi dòng điện chưa tham gia ta có: Iư .Rư.( đường đặc tính I ) K :là hệ số khuếch đại của hệ thống : K = . Độ sụt tốc tốc độ : = Iư .Rư.(1) Mặt khác ta có : mà D = (2) (với D là dãi điều chỉnh theo yêu cầu D= 300) (3) Thay (3) vào (2) ta được : ( 4) Từ ( 1 ) và ( 4 ) ta có : (Iư .Rư -1) Với = 7,69 hệ số khuếch đại của động cơ = 5% = 1500 v/ph D = 300 dải điều chỉnh = 0,0097 Hệ số phản hồi âm tốc độ = 9( A ) dòng điện định mức của động cơ Rư = 2,775 Điện trở phần ứng của động cơ Thay số ta được : Vậy K = 75136,03 Suy ra : Mà : 4. Xây dựng đặc tính cơ của hệ thống : Để xây dựng họ đặc tính của hệ thống ta chỉ cần xây dựng đặc tính cơ có tốc độ lớn nhất và đặc tính cơ có tốc độ nhỏ nhất . 4.1. Xây dựng đường đặc tính cơ cao nhất : Tốc độ lớn nhất của động cơ ( ) thường được giới hạn bởi độ bền cơ học của phần quay máy điện, ở tốc độ này các bộ phận của động cơ chịu lực tác động khá lớn nên dễ bị hư hỏng . Mặt khác động cơ trong hệ thống này là động cơ một chiều kích từ độc lập nên tốc độ lớn nhất còn phụ thuộc vào điều kiện chuyển mạch vì tốc độ lớn nhất thì xuất hiện tia lửa điện ở cổ góp chổi than sẽ lớn quá mức cho phép và bị hao mòn nhanh . Để đảm bảo tính an toàn cho hệ thống thì ta lấy tốc độ lớn nhất của động cơ lấy bằng tốc độ định mức = = 1500 ( v/ph ) và điện áp điều khiển vào đầu vào bộ khuếch đại là lớn nhất Udk = Udkmax . Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy đường đặc tính cơ ở vùng làm việc đều là bậc nhất giữa tốc độ và dòng điện . Nên chỉ cần xây dựng 2 điểm là đủ . 4.1.1. Xây dựng đặc tính cơ khi chỉ có khâu phản hồi âm tốc độ tham gia : ( đoạn đặc tính I) Iư .Rư. Khi động cơ làm việc ở chế độ định mức thì Udk = Udkmax + Iư .Rư. = Điểm không tải lý tưởng ( I = 0 ) : Vậy ta xác định được 2 điểm : A (nodm ;0 ) = (1500,313; 0) B (ndm ;Idm ) = (1500; 9 ) Từ A ; B xây dựng được đoạn đặc tính ở vùng khâu ngắt chưa tác động (đoạn đặc tính I) . 4.1.2. Xây dựng đặc tính cơ khi cả hai khâu cùng tham gia :( đoạn đặc tính II) Ở hệ thống này ta chọn giá trị dòng điện mà tại đó khâu ngắt bắt đầu tác động . Ing = 1,2.Idm = 1,2.9 = 10,8 ( A ) Và chọn giá trị dòng mà tại đó tốc độ bằng không ( n = 0 ) . Iu = 2,5.Idm = 2,5.9 = 22,5 ( A ) Khi dòng điện phần ứng tăng đến I = Ing thì khâu phản hồi âm dòng bắt đầu tác động . Lúc này khâu phản hồi âm tốc độ vẫn đang tác động . Gọi C là điểm phân biệt giữa đoạn đặc tính ( I ) và ( II ) thì C (nng ;Ing). Thay Ing vào phương trình đặc tính cơ ( I ) ta có : - Ing .Rư. = Vậy C = (1499,997 ;10,8) Gọi D là điểm phân biệt giữa vùng đặc tính ( II ) và ( III ) : D (nbh ;Ibh) . Tính KI , : Chọn hệ số phản hồi dòng điện = 1,0085 ; Ubh = 14 ( V ) Tại điểm có nD = 0 ; Iư = 2,5.Idm = 2,5.9 = 22,5 ( A ) nằm trên đường đặc tính (III) . n = 0 = ((Ubh-( Iư-Ing))KIK- Iư .Rư)KD Iư .Rư/[(Ubh-( Iư-Ing)) K] = Mà KTG = KI . = 167,56 Vậy = Tại điểm bắt đầu bão hoà thì đầu ra của bộ tổng hợp khuếch đại khâu phản hồi âm tốc độ là Ubh = 14 ( V ) . Khi đó ta có phương trình : Tại nbh = 1498,176 ( v/ph ) thay vào phương trình đặc tính ( III ) ta có : [((Ubh - (Iưbh –Ing ))KI.K–Iưbh .Rư].KD - Iưbh .KI.K-.Ing.KI.K -Iưbh .Rư Iưbh =( +.Ing . KI.K-)/(.KI.K+ Rư ) Iưbh =16,3(A) Vậy D ( 1498,176;16,3 ) 4.1.3. Xây dựng đặc tính cơ khi chỉ có khâu phản hồi âm cùng tham gia :( đoạn đặc tính III) Ta đã xác dịnh được điểm D ở trên thuộc đường đặc tính ( II ) và ( III ) . Mặt khác E ( 0;Id ) = ( 0;22,5) 4.2 . Xây dựng đường đặc tính cơ thấp nhất : 4.2.1. Xây dựng đặc tính cơ khi chỉ có khâu phản hồi âm tốc độ tham gia: Gọi điểm làm việc định mức ở đường đặc tính cơ này là B’ (ndmmin ;Idm) . Với yêu cầu dải điều chỉnh D = 300 . Vậy B’ = ( 5 ; 9 ) Mặt khác ta có : + Iư .Rư. = Điểm không tải lý tưởng thấp nhất : Vậy A’ (;0) = (5,261; 0) 4.2.2. Xây dựng đặc tính cơ khi cả hai khâu tham gia : Gọi C’ ( ) thuộc đoạn đặc tính ( I ) và ( II ) . Ta có : - Ing .Rư. = Vậy C’ ( 4,945;10,8 ) Tương tự gọi điểm D’ ( ) . Ta có : Ibh=[]/[(.KI.K+ Rư )KD] = Vậy D’ (1,073 ; 22,497) 4.2.3. Xây dựng đặc tính cơ khi chỉ có khâu phản hồi âm dòng tham gia : Điểm D’ thuộc vùng đặc tính ( II ) và ( III ) . Ta xác định thêm điểm E’ mà tại đó tốc độ bằng không ( n = 0 ) trùng với điểm E Vậy E = (0 ;22,5) * Từ các điểm đã xác định ở trên : A = (1500,313; 0) A’= (5,261; 0) B = (1500; 9 ) B’ = ( 5 ; 9 ) C = (1499,997 ;10,8) C’ ( 4,945;10,8 ) D ( 1498,176;16,3 ) D’ (1,073 ; 22,497) E = (0 ;22,5) Ta vẽ được n = f(Iư ) Hình 18 Đặc tính tĩnh của hệ thống 5. Kiểm tra chất lượng tĩnh của hệ thống : Vậy = 4,961% < 5% .Do đó hệ thống đạt yêu cầu ổn định tĩnh. Chương 4: TỔNG HỢP BỘ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG NÂNG HẠ ĐIỆN CỰC LÒ HỒ QUANG 1. Đặt vấn đề : Hệ thống điều khiển dịch điện cực lò hồ quang là hệ thống điều chỉnh tự động.Vị trí của điện cực được điều chỉnh phụ thuộc vào sai lệch tổng trở hồ quang mà sai lệch này lại biến thiên tùy ý. Yêu cầu đặt ra là phải xây dựng được các mạch vòng điều chỉnh sao cho hệ thống ổn định và nâng cao được các chỉ tiêu chất lượng của hệ điều chỉnh.Các mạch vòng điều chỉnh gồm : Mạch vòng điều chỉnh dòng điện (Ri) và mạch vòng điều chỉnh tốc độ (R). Việc tổng hợp Ri, R đều được tiến hành theo 2 tiêu chuẩn : Tiêu chuẩn modul tối ưu và tiêu chuẩn modul đối xứng.Trong chương này ta tiến hành tổng hợp Ri, R theo tiêu chuẩn môdul tối ưu và tổng hợp Ri trước sau đó tới tổng hợp R sau. 2. Xây dựng hàm truyền của từng khâu : Hình 19 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống ● Sơ đồ cấu trúc của hệ thống : 2.1 . Hàm truyền của động cơ : ● Sơ đồ thay thế : Hình 20 Sơ đồ thay thế động cơ Phương trình mạch phần ứng : U(p) = Rư .I(p) + Lư .p. I(p)+E(p) I(p) = [(1/ Rư)/(1+p Lư/ Rư)].( U(p)- E(p)) (1/ Rư)/(1+p Lư/ Rư) Phương trình truyền động : Vậy ta có sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi : Hình 21 Sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi Khi ta quan tâm đến đầu vào động cơ là U(p) thì ta xem MC(p) , E(p) là nhiễu . Đặt : WD1=(1/ Rư ). Trong đó : =(1/ Rư ) = 1/2,775 = 0,36 TD = Lư /Rư Ta có : (kGm2) 2.2 . Hàm truyền của bộ biến đổi : Ta có : Khai triển Furier ta có : Vậy Trong đó : : Hằng số thời gian của BBĐ m : Hệ số đập mạch điện áp lưới : Tần số điện áp xoay chiều ( = 50 Hz ) = 58,31 : Hệ số khuếch đại BBĐ 2.3. Hàm truyền của khâu phản hồi tốc độ : Trong đó : : Hệ số phản hồi tốc độ. = 0,005 (s) : Hằng số thời gian máy phát tốc. 2.4 .Hàm truyền khâu phản hồi dòng điện: Trong đó : : Hệ số phản hồi âm dòng điện . : Hằng số thời gian của khâu biến dòng . 3. Tổng hợp bộ điều chỉnh : 3.1. Tổng hợp bộ điều chỉnh Ri :( mạch vòng phản hồi trong ) ● Sơ đồ cấu trúc : Để tiến hành tổng hợp tìm ra các bộ điều chỉnh ta tiến hành tổng hợp từ mạch vòng trong (mạch vòng dòng điện) của hệ thống kín. Hình 22 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng phản hồi trong Để đơn giản khi hiệu chỉnh ta chỉ hiệu chỉnh cho các phần tử ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của hệ thống đó là các khâu có hằng số thời gian lớn còn các khâu có hằng số thời gian nhỏ coi như chúng bằng không.Ta quy ước T<10-3 được coi là rất nhỏ có thể bỏ qua. Theo tiêu chuẩn môdul tối ưu ta có : = F0tư(p) Vì WphI= có Ti = 0,44.10-3 < 10-3 (s) quá nhỏ nên bỏ qua . Vậy : Ti.P + 1 1 Gọi : Đặt K1 = K.=58,31.1,0085=58,806 = Vậy : Ri = F0tư(p) Với : = Hình 23 Mạch nguyên lý khâu PI Vậy : Vậy RI là khâu tích phân tỷ lệ : Trong đó : = 0,0346 ( s ) = 0,0163 ( s ) Chọn 3.2 . Tổng hợp bộ điều chỉnh Rw: ( mạch vòng phản hồi ngoài ) ● Sơ đồ cấu trúc : Sau khi tổng hợp được khâu Ri ta tiến hành tổng hợp tiếp mạch vòng tốc độ (mạch vòng phản hồi ngoài ) Với : : Hàm truyền của mạch vòng phản hồi trong (mạch vòng phản hồi dòng điện) khi đã có khâu hiệu chỉnh Ri. Hình 24 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng phản hồi ngoài Theo tiêu chuẩn môdul tối ưu ta có : =F0tư(p) (với TRi.T=1,7.10-4<10-3) Gọi : Trong đó : =Tp+1 Vậy : R = F0tư(p) Với : =T= Thay số vào ta được: Hình 25 Mạch nguyên lý khâu P Vậy R là khâu tỷ lệ : Trong đó : = 8,245 ( s ) Chọn Như vậy với 2 khâu P, PI đã chọn thì hệ thống sẽ làm việc ổn định và đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh.Từ sơ đồ cấu trúc đã nêu trên ta biểu diễn các hàm truyền của hệ thống như sau : Kết luận : Ngày nay việc ứng dụng hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ (T-D) với mạch vòng phản hồi kín đã đãm bảo tốt các chỉ tiêu tĩnh và động của hệ thống nên hệ thống đã được sử dụng phổ biến,nó có khả năng ứng dụng cho hệ truyền động có công suất nhỏ đến hệ truyền động có công suất lớn.Nhưng hệ thống vẫn còn có một số nhược điểm như là : động cơ một chiều có cấu tạo phức tạp, đặc biệt là có vành góp chổi than gây phóng điện nên tuổi thọ động cơ thấp mà giá thành lại cao.Nên hiện nay đang nghiên cứu và ứng dụng hệ truyền động dùng biến tần -động cơ không đồng bộ rô to dây quấn có nhiều ưu điểm hơn dẫu vậy hệ truyền động T-D vẫn đang được dùng rộng rãi trong các hệ thống tự động hoá. Với kiến thức, tài liệu và thời gian còn hạn chế nên đồ án này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy, cô giáo để cho bản đồ án của em được hoàn thiện hơn. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Võ Quang Lạp cùng các thầy cô giáo trong khoa đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Kỹ thuật biến đổi PGS.TS Võ Quang Lạp. ThS. Trần Xuân Minh. 2. Điện tử công suất Nguyễn Bính 3. Điện tử công suất Nguyễn Minh Chính 4.Cơ sở truyền động điện tự động Bùi Quốc Khánh Nguyễn Văn Liễn Nguyễn Thị Hiền 5. Lý thuyết điều khiển tự động Phạm Công Ngô 6. Tính toán thiết kế thiết bị điện điện tử công suất Trần Văn Thịnh 7.Sử dụng và sửa chữa khí cụ điện hạ thế Tô Đằng Nguyễn Xuân Phú 8.Trang bị điện-điện tử máy công nghiệp dùng chung Vũ Quang Hồi Nguyễn Văn Chất Nguyễn Thị Liên Anh