Thiết Kế hệ thống truyền động nâng hạ điện cực lò Hồ Quang

ay thế các linh kiện giá thành của cả hệ thống hạ đáp ứng được yêu cầu kinh tế. Nhược điểm: tuy nhiên hệ thống van-động cơ cũng có những nhược điểm cần khắc phục như sau: Do sử dụng các linh kiện bán dẫn nên mức độ chịu quá tải dòng và áp kém. Điện áp ra của bộ biến đổi đập mạch. Hệ số cos j thấp. Nhưng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thật hiện nay, công nghiệp chế tạo bán dẫn đã và đang phát triển mạnh mẽ. Nó đã đạt được các ưu điẻm nổi bật mà các linh kiện khác không thể thay thế được. Vì vậy ta chọn hệ thống van động cơ. Đ V2 V1 UL UL 3. Phương pháp đảo chiều dùng 2 bộ biến đổi van đấu song song ngược. Xét làm việc với nguyên tắc điều khiển tổng quát. Để cho động cơ quay thuận mở bộ biến đổi V1 với góc mở a1 0 đồng thời ta loại trừ tác dụng của V2. Muốn hãm tái sinh ở chiều quay thuận ta cho bộ biến đổi V2 làm việc với a2 > 900, Eb2 < 0. Chọn a2 sao cho | Eb2| < | Eb1| đồng thời loại trừ tác dụng của V1, V2làm việc ở chế độ nghịch lưu. Muốn đảo chiều động cơ từ quay thuận sang quay ngược mở tổ van V2với góc a2<900, loại trừ tác dụng của tổ van V1. Để khống chế tác dụng của các tổ van bằng các xung điều khiển ta có 2 phương án sau: * Phương pháp điều khiển chung. Khi động cơ quay thuận để loại trừ tổ van V2 thì ta tiến hành phát xung mở V2 với góc a>900. Trong lúc đó tổ van V1 có a1 |Eb1|. lúc này V2 làm việc ở chế độ nghịch lưu đợi. Dòng cân bằng chay giữa 2 tổ van là: . Suy ra: a1+a2=p. Đây là phương pháp điều khiển chung tuyến tính. Nếu a1+a2=p+x. với x<50. Đây là phương pháp điều khiển chung tuyến tính. Ta thấy rằng mặc dù Icb=0 nhưng tại thời điểm tức thời thì ebnl¹ebcl do vậy icb=¹0. Vì vậy với phương pháp này thì hệ thống cần phải được đưa thêm cuộn kháng cân băng giữa hai tổ van để hạn chế biên độ dòng cân bằng xuống giá trị cho phép. * Phương án điều khiển riêng: Nguyên tắc là để loại trừ tổ van nào thì ta ngừng việc đưa xung đến tổ van đó. Hai tổ van làm việc độc lập nhau dòng cân băng icb=0, nên không cần cuộn kháng. Tuy nhiên để đảm bảo an toàn cho hệ thống khi đảo chiều thì khi chuyển từ trạng thái của bộ van này sang bộ van kia cần phải có một khoảng thời gian trễ t để đảm bảo rằng dòng qua tổ van đang làm việc giảm về không rồi mới cho tổ van kia làm việc. Điều này cần phải làm việc một cách tin cậy. Nhận xét: Qua việc phân tích cụ thể ở trên, đồng thời dựa về yêu cầu của đề tài, ta chọn hệ thống truyền động dịch cực bằng động cơ 1 chiều kích từ độc lập dùng bộ biến đổi van có điều khiển. Do yêu cầu đảo chiều điện cực lò hồ quang cần phải nhanh và liên tục nên ta chọn phương pháp dùng 2 bộ biến đổi mắc song song ngược. Đồng thời phương pháp điều khiển 2 bộ biến đổi là phương pháp điều khiển chung tuyến tính. 2. Phân tích chọn sơ đồ chỉnh lưu: Việc sử dụng các sơ đồ một pha hay các sơ đồ bán điều khiển là điều không nên do nó có chỉ tiêu chất lượng rất kém (làm mất đối xứng điện áp lưới, dòng áp chỉnh lưu sau không băng phẳng...vv.). Vì vậy việc phân tích để chọn lựa chúng là điều không cần thiết. Ta chỉ xét 2 sơ đồ chỉnh lưu chất lượng đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật dòng-áp sau chỉnh lưu là sơ đồ 3 pha hình tia và sơ đồ 3 pha hình cầu. T1 T2 Đ Rd Ld T3 T2 T1 W2 W1 A B C iT3 iT2 iT1 BA W2 W1 A B C Đ Ld Rd T3 T1 T2 T3 BA Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha. Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha. So sánh sơ đồ hình tia và sơ đồ hình cầu ta thấy nếu các giá trị điện áp chỉnh lưu và công suất chỉnh lưu như nhau thi: - Kết cấu mạch sơ đồ hình tia đơn giản hơn, có số van ít hơn 2 lần so với sơ đồ hình cầu. - Sơ đồ hình tia có sụt áp và tổn thất công suất chỉ trên một van trong một pha nên ít hơn so với sơ đồ hình cầu (trên 2 van). Tổn thất do chuyển mạch giữa các van cũng tương tự như nhau ở cả 2 sơ đồ. - Chỉnh lưu cầu 3 pha phải có 6 kênh điều khiển và việc điều khiển mở các van là khá phức tạp do phải duy trì độ dài xung điều khiển lớn hơn 600 điện (hoặc phải phát xung hai lần cách nhau 600 trong một chu kỳ nguồn cung cấp cho mỗi Tirristor) để đảm rằng ở bất kỳ thời điểm nào cũng có 2 van cùng dẫn dòng. Còn chỉnh lưu hình tia 3 pha chỉ cần 3 kênh điều khiển và không cần mạch gửi xung. - Sơ đồ cầu có điện áp ngược đặt lên van nhỏ hơn 2 lần so với sơ đồ hình tia, do đó điện áp yêu cầu đối với van thấp hơn. - Sơ đồ cầu có dòng chỉnh lưu bằng phẳng hơn sơ đồ hình tia. - Xét về yêu cầu kinh tế thì do sơ đồ hình cầu có 6 van trong khi sơ đồ hình tia chỉ cần 3 van. Do vậy giá thành của sơ đồ cầu sẽ đắt hơn. Qua những so sánh ở trên ta có kết luận sau: Tuy sơ đồ cầu có những ưu điểm hơn so với sơ đồ hình tia, song nhược điểm của sơ đồ cầu cũng khá nhiều. Vì vậy khi xét đến yêu cầu cụ thể của hệ thống truyền động dịch cực lò điện hồ quang về kỹ thuật là sơ đồ hình tia 3 pha có khả năng đáp ứng đầy đủ. Về yêu cầu kinh tế, kỹ thuật cũng phù hợp với thực tế nơi sản xuất. Do đáp ứng được yêu cầu chất lượng của hệ thống cần thiết kế nên ta chọn sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha. 3. Giới thiệu mạch sơ đồ động lực: Sơ đồ mạch động lực như sau: Đ K K K BA R C R C T1 T2 T3 T4 T5 T6 V1 V2 RK CK BA: máy biến áp động lực dùng để biến đổi giá trị điện áp phù hợp với cấp điện áp của động cơ mà ta đã chọn. Ngoài ra còn có nhiệm vụ tạo ra số pha theo yêu cầu (trong trường hợp này là 3 pha), hạn chế dòng ngắn mạch, giảm tốc độ tăng dòng của van và cải thiện chất lượng dòng điện nhờ tính cảm kháng của cuộn dây. T1, T2, T3, T4, T5, T6- là các Tiristor được mắc theo sơ đồ nối chung ka tốt, a nốt. Đ: động cơ một chiều kích từ độc lập dùng để dịch chuyển điện cực lò hồ quang. CK: cuộn kháng cân bằng để hạn chế biên độ dòng cân bằng chạy trong hai tổ van. CL: cuộn cảm san bằng để cải thiện hình dáng dòng-áp. R,C: các phần tử bảo vệ quá áp cho các van do tích tụ điện tích do chuyển mạch gây ra. Nguyên lý làm việc: Sơ đồ gồm hai bộ biến đổi V1 và V2 đấu song song ngược với nhau và cuộn kháng cân bằng Lck. Từng bộ biến đổi có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu hoặc nghịch lưu. Nếu gọi a1 là góc mở đối với V1, a2 là góc mở đối với V2 thì sự phối hợp giá trị a1 và a2 phải được thực hiện theo quan hệ: a1+a2=1800. Giả sử ta xét nhóm van V1 có góc mở a1 đang làm việc ở chế độ chỉnh lưu. Giản đồ điện áp và nguyên lý làm việc của nhóm van V1 như sau: 0 IT4 wt 0 IT4 wt 0 IT6 wt 0 UT4 wt Uab Uac 0 V1 wt Ub V2 V3 V4 Uc Ua ] Giả thiết Lcl=¥. Và trước thời điểm U1 hệ thống đang làm việc có T6 đang dẫn dòng. Khi Ua bắt đầu lớn hơn không thì T4 được đặt điện áp thuận nhưng chưa mở do chưa có xung điều khiển. (thời điểm từ gốc toạ độ đến a=0 thì lúc đó Ua dương nhưng vẫn nhỏ hơn Uc, do T6 đang dẫn nên UT1=Ua-Uc=Uac<0. T4 bị đặt điện áp ngược, T4 khoá). Đến thời điểm U1thì có xung điều khiển và đang định thiên thuận nên T4 mở. UT4=0. UT3=Ub-Ua=Uba < 0 ® it3=0. UT6=Uc-Ua=Uca<0 ® it6=0. Dòng , áp chỉnh lưu: Ud=Ua. IT4=id=Id T4 tiếp tục dẫn dòng đến thời điểm U2 thì T5 có xung điều khiển và được định thiên thuận ® T5 mở. UT5=0. UT4=Ua-Ub=Uab<0 ® iT4=0. UT6=Uc=Ub=Ucb <0 ® iT6=0. Dòng và áp chỉnh lưu: Ud=Ub. IT5=id=Id. Tương tự như vậy đến thời điểm U3 thì T6 mở. UT6=0. UT4=Ua-Uc=Uac<0 ®iT4=0. UT5=Ub-Uc=Ubc<0 ® iT5=0. Dòng và áp chỉnh lưu: Ud=Uc IT5=id=Id. Đến thời điểm U4 thì sơ đồ lặp lại như từ U1. Nếu ta giả thiết rằng sơ đồ là làm việc xác lập trước thời điểm bắt đầu xét (wt=0) thì giai đoạn wt=0 ¸ U1. Hoàn toàn tương tự giai đoạn wt=2p¸U4 và được giả thiết T6 đang dẫn dòng như ở trên là hoàn toàn hợp lý. Ta có: Điện áp chỉn lưu trung bình: Ud=Ud0. Cos a. Ud0=.U2=1,17.U2 Ud0: điện áp chỉnh lưu trung bình khi a=0. U2: giá trị hiệu dụng của điện áp thứ cấp máy biến áp. Dòng trung bình qua Tiristor. Itb= Dòng hiệu dụng qua Tiristor. IT= Điện áp thuận ngược đặt lên Tiristor. UTTmax=UTNmax=.U2. Xét dòng cân bằng icb. Gọi a2 là góc mở nhóm U1(T1, T2, T3). a1 là góc mở nhóm U2 (T4, T5,T6). Giả sử a1=450 a2=1350 Ta có đồ thị điện áp trên các van như hình vẽ. 0 4 5 6 U wt 450 0 1 2 3 wt 1350 0 01 02 03 04 05 06 wt + T1 ,T4 cùng nối vào pha a. + T2 , T5 cùng nối vào pha b. + T 3 , T6 cùng nối vào pha c. Từ đồ thị ta thấy: Trong khoảng 01 02 thì T1,T4 cùng dẫn dòng nhưng anốt T1và ca tốt T4 cùng điện thế nên không có dòng chạy từ T1 sang T4 do đó ta có icb=0. Tương tự như vậy trong khoảng 03 04 thì T2, T5 cùng dẫn , icb=0. Trong khoảng 0506 thì T3, T6 dẫn , icb=0. Trong khoảng 0203 có T4,T2 dẫn nên có dòng gián đoạn. Giá trị cực đại của dòng cân bằng là: Ucb=Ua-Ub=.U2 sin ( Trong trường hợp này dòng cân bằng là dòng gián đoạn. giá trị cực đại của dòng cân bằng là: Icbmax= Xcb=XCK1+ XCK2+ X ngắn mạch 2 pha MBA=2 XCK +XSN. Trong một chu kỳ nguồn cung cấp có 3 xung dòng tuần hoàn ith chảy từ nhóm V2 vào nhóm V1. Ở các góc a khác nhau sẽ có dạng cân bằng khác nhau. Vì vậy việc mắc điện kháng ở hai nhóm van hạn chế dòng cân bằng là cần thiết. Đ3 MẠCH ĐIỀU KHIỂN Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh điên cực lò hồ quang dùng hệ thống Tiristor - động cơ. Trong đó: TI: là máy biến dòng, tỷ lệ với dòng hồ quang. Tu: là máy biến áp, lấy từ giá trị thực điện áp ra của lò 1V, 2V nhóm van chỉnh lưu. KN: Vùng không nhậy khi dòng áp hồ quang biến thiên sai lệch so với giá trị đặt thì đầu ra khối KN đưa tín hiệu tới khối khuyếch đại. (hình tr38) KD: khối khuếch đại tổng hợp NKD: Nguồn điều khiển khống chế sự làm việc của hai tổ van. PX1,,PX2: khâu phát xung. BA: Biến áp. Ng: Nguồn nuôi. Vmax c b d e V DU Vmax Hạ Nâng Nguyên lý điều khiển theo sai lệch của bộ điêu khiển được thực hiện theo biểu thức: a Ug- b(Ig-Id) = DU. Khi DU lớn hơn điện áp vùng không nhậy Udothì: Udk = DU- Udo. Udk được đưa tới khâu phát xung tạo xung mở Tiristor làm động cơ quay nâng hạ điện cực. Đường đặc tính điều chỉnh như hình vẽ. Khi điện cực hạ xuống, bộ điều khiển làm việc theo đặc tính tỉ lệ Dc. Khi nâng điện cực lên, bộ điều khiển làm việc theo hai vùng tỉ lệ ab và vùng rơle bc. Khi tín hiệu sai lệch DU lớn hơn đoạn of thì bộ tích phân làm việc, sau khi đủ thời gian tich phân thì tín hiệu nhẩy cấp đến giá trị tới hạn tương ứng với tốc độ cực đại để nâng điện cực. Ta có sơ đồ khối cấu trúc một pha bộ điều khiển lò như sau: NG ĐKF ĐKL Đ BBĐ Id Ig Ug Ud ĐKL: Khối điều khiển logic, tổng hợp các tín hiệu: dòng điện hồ quang, điện áp hồ quang, dòng đặt hồ quang, điện áp vùng không nhạy, đầu ra của ĐKL là điện áp điều khiển (Udk) . ĐKF: Bộ điều khiển pha: Đầu vào là điện áp điều khiển, đầu ra là các xung điều khiển đưa tới bộ biến đổi. BBD: Bộ biến đổi dùng Tiristor. Đ: Động cơ dịch cực. Phân tích và thiết kế sự làm việc của từng khối: I- Bộ diều khiển pha: Như đã biết, khi nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Tiristor chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái mở là phải có hai điều kiện là điện áp giữa A và K phải thuận và phải có tín hiệu đặt lên điện cực điều khiển và K của Tiristor. Như vậy trong thực tế ta phải thiết kế được một mạch điều khiển hay hệ thống điều khiển. Ngày nay hệ thống điều khiển đồng bộ được dùng rất phổ biến do có những ưu điểm về chất lượng. ở các hệ thống điều khiển kiểu này có dạng xung xuất hiện trên điện cực điều khiển của Tiristor với tần số bằng hoặc lớn hơn một số nguyên lần (thường là 2 lần). Tần số nguồn cung cấp xoay chiều. Như vậy về mặt tần số có thể xem tần số cuả các xung điều khiển đồng bộ với tần số nguồn cung cấp xoay chiều trong bộ chỉnh lưu. Ngoài ra các tín hiệu điều khiển trên điện cực điều khiển của Tiristor tại thời điểm mở tự nhiên một góc a xác định ở những chế độ làm việc xác định. Trong nhóm này có các hệ thống điều khiển sau: Hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha đứng. Hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha ngang. Hệ thống điều khiển bộ chinh lưu theo đi ốt hai cực gốc. Các xung điếu khiển xuất hiện trên điện cực điều khiển của Tiristor, ngoài việc phải đúng thời điểm cần thiết còn phải thoả mãn các điều kiện như: Công xuất xung , độ rộng xung tx, độ dốc sườn xung. Qua phân tích xét thấy hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha đứng đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kĩ thuật như tạo ra các xung có tần số bằng hoặc lớn hơn một số nguyên lần(thường là 2 lần) tần số nguồn cung cấp. Mặt khác hệ thống này còn có ưu điểm là các phần tử sử dụng để cấu thành hệ thống đều là những phần tử thông dụng và phổ biến. Vì vậy việc chọn hệ thống điều khiển này là hợp lí. Sơ đồ khối mạch phát xung như sau: BĐH-FSRC SS-SX TX Uđk Uđk Urc Mạch điều khiển pha (mạch phát xung) phải tạo ra những xung mở Tiristor có độ lớn đủ rộng, phân phối theo từng pha nhất định, tương ứng với nhóm chỉnh lưu và nghịch lưu theo quan hệ: a1 + a2 =p. Điện áp mở Tiristor có giá trị (2¸10)V, dòng điện nhỏ hơn 1A, độ rộng xung nhỏ hơn 10ms. Xuất phát từ những yêu cầu đã phân tích ở trên, ta thiết kế từng khâu như sau: Khâu đồng bộ hoá: Điện áp đồng bộ Udb được lấy từ máy biến áp đồng bộ, đồng pha với các điện áp đặt lên các Tiristor ở mỗi pha tương ứng do đặc điểm của bộ chỉnh lưu tia ba pha là nếu như một van nào đó đang dẫn dòng (giả sử là pha A) , nếu như bây giờ ta phát xung điều khiển mở Tiristor của pha B, nếu điện áp đặt lên van ở pha B vẫn còn nhỏ hơn pha A thì nó vẫn không thể mở được. R87 R88 C13 Udf Udb Ucl ~ 0 p U wt a 2p Kể từ khi điện áp đặt lên van sắp dẫn bắt đầu lớn hơn điện áp pha đang dẫn là a =300. Vì vậy pha B trong khoảng nhỏ hơn 300 mà có xung điều khiển thì nó cũng không thể mở được. Để tạo cho van mở tức thời ngay khi nhận xung điều khiển thì ta phải dịch gốc toạ độ đi 300 (hay làm dịch pha điện áp đồng bộ đi 300). Ta có thể thực hiện điều này nhờ phối hợp các trị số RC mắc thứ cấp đồng bộ như hình vẽ trên. Từ công thức: a = arc tg. Ta có thể xác định được trị số R,C cần thiết. * Để nhận biết các nửa chu kì âm và dương do việc phát xung thích hợp tới các nhóm (nhóm chỉnh lưu phát xung vào nửa chu kì dương, nhóm nghịch lưu phát xung vào nửa chu kì âm) ta sử dụng các Tranzistor mắc như hình vẽ: +U R92 R91 Tr6 Tr4 Tr7 Tr3 R88 R89 C13 R93 R94 -U +U -Đầu vào D1,D3 -Đầu vào D2,D4 Điện áp dịch pha Udf được đưa vào các gốc của Tranzistor Tr4 và Tr5 khi điện áp dịch pha bắt đầu dương và lớn hơn ngưỡng mở của Tranzistor Tr4 : Udf > UNt thì Tr4 mở làm ngắn mạch gốc phát của Tr6 khoá lại. Điện áp trên cực góp của Tr6 tăng lên xấp xỉ bằng +U. Đồng thời lúc này Tr5 bị đặt điện áp ngược khoá lại làm Tr7 mở , điện áp trên cực góp Tr7 bằng 0. 0 UTN Udf wt 0 UCTr6 wt 0 UCTr7 wt UTN Ở nửa chu kì âm của điện áp dịch pha thì Tr4 khoá làm cho Tr6 mở bão hoà UCTr6= 0, đồng thời lúc này Tr5 được đặt điện áp thuận mở bão hoà làm Tr7 khoá. Điện áp cực góp Tr7 là UCTr7=U. Dạng xung đầu ra của Tr6,Tr7 như hình vẽ. Như vậy ở nửa chu kì dương của điện áp dịch pha điện áp đầu vào D2,D4 ở mức cao, điện áp đầu vào D1,,D3 ở mức thấp. ở nửa chu kì âm của điện áp dịch pha thì điện áp đầu vào D2,D4 ở mức thấp cònD1,D3 ở mức cao. Khâu tạo xung điện áp răng cưa. +U D3 D4 UCTr 6 UCTr 7 R94 R95 R96 R97 Tr8 C20 A22 Uc +U -U Sơ đồ khối mạch phát xung như sau: UD4 UD3 wt p 2p Urc t1 t2 p t3 t4 2p 0 wt wt wt UC10 UD3+UD4 Tín hiệu đầu vào của khâu tạo điện áp răng cưa là các xung áp trên Tr6 và Tr7 , TCTr6, TCTr7. Chúng được đảo qua D3,D4 rồi đưa vào cực gốc của Tr8. Dạng xung đầu vào của D3,D4 và tổ hợp của chúng như hình vẽ. Các nguồn điện (+U),(-U) đưa vào Tr8, để xác định điều kiện khoá của nó. Khuyếch đại thuật toán A22 và C10 tạo thành khâu tích phân được đóng ngắt nhờ Tr8. Giả sử ban đầu Tr8 khoá và điện áp C10 bằng 0 ( thời điểm t1) điện áp -U~ đưa vào đầu vào đảo cảu A22, đầu ra A22. Có điện áp dương. Tụ C10 bắt đầu được nạp theo đường :(-U) -R97 - C10 - Uc. Điện áp trên tụ tăng tuyến tính theo thời gian tạo thành xườn trước (xườn làm việc) của điện áp răng cưa. Điện áp trên bản cực tụ chính là điện áp đầu ra của A22. Điện áp này được đặt nên cực góp của Tr8. Đến thời điểm thì xuất hiện xung dương ở cực gốc Tr8 làm nó mở ra , tụ C10 phóng điện qua Tr8, Uc giảm về 0. Khi UC10=0 thì Tr8 khoá lại, tụ C lại được tích điện, dạng của Uc tương tự như từ t1 chỉ khác là núc này điện áp đồng bộ đang ở nửa chu kỳ âm dạng của xung răng cưa như trên thực tế do ngưỡng mở của Tranzitor rất nhỏ so với Udb nên thời gian mà tụ điện C10 phóng điện nhỏ hơn rất nhiều lần thời gian nạp làm sườn sau của Uc10 trở nên rất dốc , góc điều khiển a có thể coi như thoả mãn. 0£ a£ 1800 trong một chu kỳ của điện áp đồng bộ có hai xung răng cưa được tạo ra. Đầu ra của khâu tạo xung răng cưa (A22) được đưa đến đầu vào của khâu so sánh. Khâu so sánh. R98 R99 R100 A23 R111 R112 R116 R115 A24 A25 Urc 15v Udk Urc Điện áp điều khiển đưa từ mạch tổng hợp với Urc so sánh với điện áp răng cưa Urc bằng khuyếch đại A23 và A25 . Trong một chu kỳ thì 2 xung răng cưa có dạng tương tự nhau nên để dảm bảo phát xung đến 2 nhóm van đảm bảo điều kiện: a1+ a2=1800, ta thực hiện việc nâng điện áp điều khiển cho nhóm nghịch lưu bằng chiết áp trên R111 và A24. Điện áp điều khiển khi đưa tới nhóm nghịch lưu (Uđk<0) được cộng với điện áp. Trên điện trở R111 với UR111 được điều chỉnh sao cho đúng biên độ của điện áp răng cưa. U wt p Udk Ur116 Ur111 0 a2 a1 U wt p Udk KT Udk KN 0 2p p/2 0 0 wt wt Urc UA23 UA25 Khi đó điện áp đầu ra A24 có giá trị : A24=- (UR111-Uđk)= UR116 Do vậy : a2=p-a1 (như hình vẽ trên). Giả sử cho động cơ làm việc ở góc mở a1 (nhóm CL) tương ứng với Uđkt. Khi Urc còn nhở hơn Uđk thì đầu ra A23 và A25 có giá trị âm đến khi Urc bắt đầu lớn hơn Uđk thì đầu ra A23và A25 lât trạng thái, xuất hiện điện áp dương ở đầu ra. Thời điểm A23 và A25 lật trạng thái là khác nhau( hay độ rộng xung của chúng khác nhau). Giản đồ xung ra A23 và A35 như trên. 4. Khâu sửa xung. Khâu sửa xung bao gồm các Tranzitor T,T các tụ C,C điốt V,V và các điện trở khác. +15V R R119 R114 R118 Tr10 UCTR7 UD1 UD1 +15V UA25 C12 Sơ đồ mạch sửa xung như sau: wT U25 wT wT wT wT UC12 UCT13 UCTr7 UD1 a1 0 0 0 0 Xét cho kênh thuận, xung đầu ra khâu so sánh có cực tính âm , dương có độ rộng không bằng nhau biên độ sấp xỉ nguồn cung cấp (+15V). Khi UA25> 0 , Tr10 mở dòng nạp cho tụ C12 khác 0 điện áp ra Uctr10=0. Khi UA25 đột biến âm, tụ C12 được nạp theo chiều: +15V-R118-C12-R114-UA25. Đi ốt D13 thông, Tr10 khoá lại Uctr10 ở mức cao. Do tụ C12 có trị số nhỏ nên nạp rất nhanh, khi tụ nạp đầy dòng qua tụ giảm về bằng 0, bản cực dương của tụ đặt vào Bazơ của Tr10, Tr10 mở ra, C12 phóng điện qua Tr10 về đất. Sau khi tụ phóng hết tụ lại được nạp do A25 vẫn ổn định ở mức -15V. Độ rộng của xung ra phụ thuộc vào giá trị của C12, vào thời gian đóng mở của Tr10. Xung lấy trên cực Colectơ của Tr10 đưa vào cổng NAND D1 và tổng hợp với điện áp Colec tơ của Tr7. Khi UTr10=”1” và UCTr7=”1” thì đầu ra D1 ở mức “0”. Như vậy trong một chu kỳ của điện áp đồng bộ chỉ có một xung thuận và một xung ngược được tạo thành. 5. Khuếch đại xung: Sơ đồ mạch khuếch đại xung của nhóm ka tốt chung như hình vẽ. C13 D15 D16 D19 D20 D23 D22 W2 W1 Tr11 Tr11 D21 \R122 \R121 \-12V \BAX1 \+12V \+24V \UD1 Để đảm bảo công suất xung ta dùng khâu khuếch đại xung. Mạch khuếch đại xung bao gồm các Tranzitor Tr11, Tr12, biến áp xung BAX1 cùng với các linh kiện khác như điện trở, đi ốt, tụ điện. Các bóng Tr11, Tr12 mắc theo sơ đồ Dalington nhằm tăng hệ số khuếch đại dòng. Nguồn +24V, tụ C13, D15, D16 làm nhiệm vụ cưỡng bức khoá Tr12. Điện áp lấy ra trên UD1 qua R122 đưa vào Tr12. Khi UD1>0 bóng Tr12 khoá, Tr11 khoá cuộn W1 không có dòng chạy qua, Uw2=0. Khi UD1=0 bóng R21 mở, Tr11 mở cuộng W1 có dòng chạy qua xuất hiện các sức điện động cảm ứng trên cuộn W1 và W2 với cực tính ghi trên hình vẽ, khi đó D23 mở gửi xung đến mở T1 . UW2 Ux wt wt Tx UD1 a1 Đồng thời tụ C13 cũng được nạp theo đương: +24V-C13-Tr11-W1-D22-(-12V) Giá trị của tụ C13 được chọn sao cho thời gian nạp của tụ lớn hơn thời gian tạo xung tx. Vì vậy sau khoảng thời gian tx các bóng Tr11, Tr12 có xu hướng khoá lại, tụ C13 phóng điện theo đường: + C13-R21-D15-D16-(-C13). Sụt áp dương trên D15, D16 khoá chắc Tr11, Tr12 lại, kết thúc sườn sau của xung. Biên độ Ux của xung ra phụ thuộc vào hệ số khuếch đại của Tr11, Tr12 và tham số của BAX1. Đi ốt D21 dùng để triệt tiêu sức điện động âm suất hiện trên W1 khi dòng qua Tr11, Tr12 giảm đột ngột về không D23 ngăn xung âm xuất hiện trên W2 khi dòng qua Tr11, Tr12 giảm đột ngột về không đến T1. 6-Mạch bảo vệ động cơ: Sơ đồ mạch dập xung bảo vệ quá tải động cơ như hình vẽ: Bình thường U1, U2 ở ngưỡng “1”, U3 ở ngưỡng “0” do đó U6=”1” làm D14 không mở, xung không bị dập. Khi đó U10=”1”, U9=”1”®U8=”0”. Các bóng Tr16, Tr17 khoá đèn Đ không sáng. Khi động cơ vì một lý do nào đó bị quá tải, dòng động cơ đột ngột tăng dần lên làm bóng Tr15 được phân cực thuận mở ra. U2 được nối với đất, U2=”0” làm U3=”1” và U6=’0” làm D14 thông xung ra bị dập không đến D1, D2 làm UD1 luôn luôn băng “1” đồng thời U9=”0” làm U8=”1”. Các bóng Tr16, Tr17 được mở có dòng từ +15V qua đèn Đ đèn sáng. 7. Mạch điều khiển tối ưu. Sơ đồ mạch ở hình bên. Các dòng điện trong 2 nhóm van được lấy qua máy biến dòng (biến tín hiệu một chiều sang xoay chiều), sau đó được chỉnh lưu (A26, A27, A28, A29) lọc (A30, A31) rồi đưa vào bộ tích phân A19. Mạch này hạn chế mạch điện động cơ trong quá trình đảo chiều nhanh. II-MẠCH LOGIC TỔNG HỢP TÍN HIỆU: Mạch logic tổng hợp từ các tín hiệu: - Tín hiệu tỷ lệ với dòng điện hồ quang Ig. - Tín hiệu tỷ lệ với điện áp hồ quang Ug. - Tín hiệu dòng đặt hồ quang. - Tín hiệu điện áp vùng không nhậy. Mạch logic tổng hợp tín hiệu để đưa ra xung điều khiển tạo chế độ làm việc rơ le và tự động điều chỉnh khi ngắn mạch điện cực. 1. Dòng điện hồ quang: Sơ đồ mạch lấy tín hiệu tỷ lệ dòng hồ quang như hình vẽ. Tín hiệu dòng hồ quang được lấy từ biến dòng phía thứ cấp biến áp lò, được biến đổi qua một tầng điều biến trung gian từ 5A xuống giá trị phù hợp. Dòng hồ quang qua khâu chỉnh lưu A1, A3 và lọc A5 như sơ đồ. Việc sử dụng các IC khuếch đại có ưu điểm là nó có thể rất nhậy với các tín hiệu nhỏ và cho ra giá trị mong muốn. Phân tích sự làm việc của sơ đồ chỉnh lưu A1, A3 đầu vào A1,A3 là điện áp tỷ lệ với dòng hồ quang (điện áp rơi trên R1) hay nói cách khác là tín hiệu dòng điện hồ quang qua máy biến dòng được chuyển sang tín hiệu điện áp. Giả sử khi UI < 0 thì D1 thông, điện áp đầu ra của A1 là UA1=0 nhưng lúc này điện áp đầu ra của A3 là: UA3=.U1 > 0. Khi UI>0 thì đầu ra A1 xuất hiện điện áp . UA1= .UI<0 Đầu vào A3 có 2 điện áp: Một là điện áp từ UI và hai là điện áp từ UA1. UA3=- UA3=- Việc phối hợp các giá trị điện trở sẽ cho điện áp đầu ra của A3 luôn dương. Điện áp tỷ lệ với dòng hồ quang sau chỉnh lưu qua điện trở hạn chế R8 đưa và khâu lọc A6 sau đó đưa tới khâu tổng hợp tổng hợp tín hiệu. Khi hồ quang cháy ổn định, dòng điện hồ quang đạt giá trị bằng dòng đặt. Dòng hồ quang sẽ thay đổi bằng chiều dài ngọn lửa hồ quang nghĩa là phụ thuộc vào khoảng cách giữa điện cực và liệu. Dòng điện hồ quang đạt giá trị IN. Khi mồi hồ quang đảm bảo nguyên tắc điện cực sẽ không nâng lên khi ngắn mạch giả (ngắn mạch làm việc) nhưng sẽ nâng nhanh nếu bị ngắn mạch. 2. Điện áp hồ quang: Tín hiệu điện áp được lấy từ giá trị thực của điện áp pha của từng điện cực hồ quang, được biến đổi qua kiến áp để có giá trị phù hợp. Điện áp hồ quang là điện áp xoay chiều có giá trị nhỏ được đưa vào khâu chỉnh lưu A2, A4 và khâu lọc A7 như hình vẽ trước. Trong quá trình nấu thép bằng dòng hồ quang, ứng với mỗi giai đoạn cần một công suất lò khác nhau, nên người ta phải thay đổi nhiều cấp biến áp lò. Ứng với mỗi cấp kiểm áp lò sẽ có các giá trị đầu vào khác nhau. Để đảm bảo tín hiệu hồ quang đưa đầu vào khuếch đại tổng hợp tín hiệu luôn luôn có giá trị xác định ta thiết kế hệ điều biến điện áp. Việc thay đổi các giá trị này thực hiện bằng hệ phân áp qua các cấp điện trở đầu vào khâu đảo dấu A8, đầu ra A8 được đưa vào đầu vào khối tổng hợp tín hiệu như hình vẽ trước. Các giá trị tương ứng với các cấp điện áp được lấy cố định từ ma trận cấp điện áp lò như sau. Trong thiết kế này ta đặt 12 cấp điện áp. Các tín hiệu để chuyển đổi cấp điện áp có thể lấy từ ngoài qua xenxin chuyển cấp điện áp hoặc qua thiết bị chuyển đổi cấp đặt trên biến áp lò. Cũng có thể dùng nút ấn ngay trên bàn điều khiển để đặt cấp điện áp. Vị trí của cấp điện áp được chỉ thị bằng số đặt trên bàn điều khiển. Các giá trị đặt cấp điện áp được tính toán cụ thể thông qua các điện trở đầu vào A8. 3. Đặt dòng hồ quang: Mỗi công suất lò khi thay đổi sẽ có dòng hồ quang định mức IH khác nhau. Trong quá trình nấu thép sẽ có công xuất khác nhau, dòng hồ quang được xác định theo giá trị đặt trước và giữ giá trị đó khi dòng hồ quang cháy ổn định giá trị dòng đặt, được đặt theo hai mức độ tỷ lệ của dòng định mức IH (hàng chục và hàng đơn vị tuỳ theo phần trăm của IH). Các giá trị dòng đặt được thực hiện bằng mạch cộng áp IC khuếch đại A9 và A10 như hình trước. Mức điện áp đầu của A9, A10 là hoàn toàn như nhau nhưng nhờ các giá trị điện trở nối chung với mạch tổ hợp (R26, R29, R30, R33) nên chúng sẽ đạt giá trị hàng chục (C) và hàng đơn vị (D) khác nhau. R26=10.R29 R33=10.R30 (R26=R33). Khi chưa có dòng hồ quang hoặc khi dòng hồ quang Ig£5% IH thì dòng đặt bị dập qua A5, A2 Tr1, Tr2, D bảo đảm tính năng khi không có điện áp thì động cơ đứng yên và khi đứt hồ quang sẽ hạn chế bớt tín hiệu hạ điện cực. 4. Đặt vùng không nhạy: Vùng không nhạy là vùng giá trị đặt trước có khả năng thay đổi cấp từ 0%¸10% giá trị định mức của tín hiệu điều khiển tuy theo quá trình nấu thép mà ta đặt các mức khác nhau. Vùng không nhậy xác định khoảng sai lệch cho phép của dòng áp hồ quang . Nên tổng hợp dòng áp hồ quang theo biểu thức: DU= (aUg-bIg) lớn hơn giá trị vùng không nhậy thì tín hiệu điều khiển Uđk¹0 và cho ra tín hiệu điều khiển. Khi tập hợp tín hiệu dòng hồ quang nhỏ hơn giá trị vùng không nhậy (hồ quang cháy ổn định) thì động cơ không quay tức điện cực đứng yên. Mạch đặt vùng không nhậy. 5. MẠCH TỔNG HỢP TÍN HIỆU. Các tín hiệu dòng áp hồ quang, dòng điện đặt, vùng không nhậy được đưa vào đầu vào mạch tổng hợp A14, A15 để lấy ra tín hiệu cần thiết. Đầu ra A14 lấy giá trị dương để hạ điện cực, đầu ra A15 lấy giá trị âm để nâng điện cực. Ở chế độ làm việc ổn định thì tổng hợp các giá trị đầu vào của A14, A15 là bằng không, do đó không xuất hiện xung đầu ra A14, A15. Khi tổng hợp dòng áp hồ quang thay đổi sai lệch so với điện áp đặt của vùng không nhậy thì xuất hiện giá trị điện áp trên đầu ra của A14 hoặc A15. Giá trị điện áp này đưa tới A17 để tổ hợp với khâu tạo chế độ làm việc tạo Rơle, sau đó đưa tới khâu đảo dấu A18. Đầu ra A18 có giá trị dương để hạ trị âm để nâng, qua điện trở R55 rồi cùng với khâu phản hồi dòng điện đưa vào khâu tích phân tỷ lệ A19. Đầu ra A17 được đưa tới khâu phản hồi âm để hạn chế tốc độ hạ điện cực gồm: A16, R43, R44, C7, nguồn 15V. Khi đầu ra A17 có giá trị dương (quá trình nâng điện cực) hay bằng 0 thì D5 thông, đầu ra A16=0. Khi hạ điện cực đầu ra A17 có giá trị âm, điện áp này được so sánh với điện áp trên điện trở R43 do nguồn 15V đưa đến nếu UA17 lớn hơn điện áp đó (khi mất hồ quang hay hồ quang giảm mạnh) thì đầ ra A16 có điện áp (tăng tuyến tính nhờ tụ C7) và được khuyếch đại lên và được đưa trở lại đầu vào A15 qua R45 và D6 để duy trì điện áp ra của A17 ở mức không đổi. 6. BỘ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG KHI NGẮN MẠCH. Trong quá trình làm việc yêu cầu sự dịch chuyển điện cực của mỗi pha không làm ảnh hưởng đến hai pha còn lại. Để thực hiện điều đó ta sử dụng bộ khuếch đại A12, vì mạch D5-2 , D5-3 và các linh kiện khác để tạo nên hệ tự động làm việc khi ngắn mạch bằng cách nối cụ thể tạo ra chức năng nhận biết khi điện cực nào bị ngắn mạch thì sẽ nâng điện cực pha đó mà không làm ảnh hưởng đến pha khác. Ở chế độ làm việc bình thường tín hiệu tỷ lệ với điện áp các pha đưa vào A12 có giá trị âm, trên đầu ra A12 có tín hiệu dương đưa vào cổng NAND D5-2,D5-3 các điểm 4, 5, 6 có mức không đưa tới đầu vào D5-2 với quy luật là tín hiệu của một pha đưa đến cổng D5-2 của pha vượt trước 1200 (C®B®A®C) đầu vào của D5-1 là 1 và 0® đầu ra ở mức 1. Giả sử pha B bị ngắn mạch, điện áp -UB đầu vào A12 bằng 0, đầu ra A12 bằng không, điểm 5 ở mức "1" trên pha A là pha vượt trước, dòng điện lớn lên còn điện áp chỉ thay đổi một chút. Lúc này cần phát tín hiệu cấm nâng pha A để hạn chế sự dịch cực không cần thiết. Khi đó đầu ra A12 pha A vẫn ở mức "1" đầu ra D5-2 của nó vẫn ở mức không .Qua điện trở RC và DC điện áp -15V được đưa tới đầu vào A15 của pha A, đầu ra A15 bằng không do đó không xuất hiện tín hiệu nâng điện cực đồng thời trên đầu ra D5-1 ở mức "1" ngăn cấm quá trình quá độ của bộ điều chỉnh vào chế độ rơ le. Khi ngắn mạch pha khác, bộ phận điều chỉnh tác động tương tự. 7. CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC RƠLE. Khi bình thường , nếu tín hiệu đầu ra khâu tổng hợp tín hiệu A14 , A15 bằng "0" hoặc có giá trị nhỏ thì đầu ra A11 bằng "0", đầu ra D5-1 có mức "1" qua điện trở R73 đưa tới cực gốc Tr3, làm Tr3 mở bão hoà, điện áp trên tụ C9 bằng 0, đầu ra A13 bằng "0" và cũng là cửa vào của D5-4 , đầu ra D5-4 có mức "1"làm cho D10 khoá. Lúc này tín hiệu điều khiển sẽ tương ứng với giá trị đầu ra của A14 hoặc A15. Trong quá trình nâng điện cực hay bị ngắn mạch tín hiệu đầu ra A15 lớn, giá trị này vượt quá mức điện áp dương được đưa tới trên điện trở R68 vào A11làm cho A11xuất hiện điện áp, một cổng vào của D5-1 nhận mức "1". Đồng thời lúc này nếu cổng vào kia của D5-1 không nhận tín hiệu cấm nâng (mức "1") thì đầu ra D5-1 có mức "0"đưa tới bazơ của Tr3 làm tranzitor Tr3 khoá lại. Khâu tích phân bắt đầu làm việc, sau khi đủ thời gian tích phân để đạt trị số tác động của D5-4 thì đầu ra D5-4 có mức "0" diốt D10 mở ra đưa nguồn -15V vào A17 khống chế độ cơ năng với tốc độ cực đại không đổi. Trong quá trình nâng theo chế độ Rơle thì độ sai lệch của dòng áp hồ quang giảm, sau một khoảng thời gian nào đó thì D10 sẽ khoá lại, khi mà độ sai lệch nằm trong phạm vi cho phép đảm bảo duy trì ngọn lửa hồ quang không bị đứt. Thời gian để chuyển từ chế độ làm việc tỷ lệ sang chế độ làm việc Rơle phụ thuộc vào trị số tín hiệu nâng điện cực hằng số tích phân khâu tích phân và điện áp tác động của vi mạch D5-4. Sơ đồ nguồn nuôi thiết bị điều khiển PHẦN III TÍNH CHỌN THIẾT BỊ I-Ý NGHĨA CỦA VIỆC TÍNH CHỌN Tính chọn thiết bị có một ý nghĩa rất quan trọng cả về kĩ thuật và kinh tế. Việc tính chọn thiết bị càng chính xác tỉ mỉ bao nhiêu thì hệ thống sẽ làm việc an toàn và chính xác bấy nhiêu, đồng thời đảm bảo hiệu suất cao. Nếu không tính chọn thiết bị hoặc tính chọn không đúng thì hệ thống không thể làm việc được hoặc sẽ làm việc không đảm bảo chất lượng có khả năng bị quá tải làm cháy hỏng các thiết bị trong hệ thống , điều này càng cần thiết cho thiết bị bán dẫn trong hệ thống thiết kế. II-TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC Từ cơ sở tìm hiểu trên thực tế của lò hồ quang luyện gang, thép của nhà máy cơ khí 27. Do đó các thông số của lò hồ quang đã cho biết trước như sau: 1. Số liệu diện cực: - Đường kính điện cực: d = 200(mm). - Chiều dài điện cực: l = 1500(mm). 2. Dung lượng lò:1,5 tấn. Suất chi phí năng lượng để nấu chảy: W = 535(Kwh/tấn). 3. Số liệu của máy biến áp lò: - Công suất biến áp: p = 1250(Kw). - Điện áp sơ cấp:U1 = 6(kv). - Giới hạn điện áp thứ cấp : (110- 525)(v). - Số cấp điện áp: 8 cấp. Khi máy biến áp nối D/D-O ta có số liệu đo được khi máy biến áp làm việc như sau: STT P(KW) U1(KV) U2(V) I1(A) I2(A) 1 1250 6 225 120,2 3210 2 1155 6 208 111 3210 3 1065 6 192 102,9 3210 4 995 6 179 96 3210 1.Tính chọn động cơ . Chọn động cơ dịch điện cực là động cơ một chiều kích từ độc lập có các thông số là: PH(KW) UH(A) IH(A) hH(v/ph) h% Rư+Rf GD2(Kgm2) 1 220 5,7 1000 80 2,05 0,105 2. Chọn tiristor: -Chọn tiristor cho hai điều kiện sau: + Dòng trung bình qua van. + Điện áp ngược cực đại đặt lên van. Trong đó: Dòng điện trung bình qua van chọn ứng với dòng mở máy của động cơ. Ia = Kdt.. Với m là số pha: m = 3. Kdt: Hệ số dự trữ kể đến dòng mở máy, chọn Kdt = 3. Ia = 3. = 5,7(A). Điện áp ngược cực đại đặt lên Tiristor là: Ungmax = ku.kng.uH . Ku: Hệ số dự trữ, chọn ku =1,5. Kng: Hệ số phụ thuộc sơ đồ, chọn kng =2,09. Ungmax= 1,5.2,09.220= 689(v). Từ giá trị của Ia và Ungmax tra sách “Điện tử công suất lớn” chọn Tiristor loại T-10 có các thông số ở bảng sau: Kiểu Du(V) Iđm(A) Ungmax(V) Taff(ms) Iđk(A) Uđk(V) di/dt(A/ms) di/dt(A/ms) T-10 1,4 10 1000 600 1,2 2,5 100 100 3. Thiết kế máy biến áp chỉnh lưu. Máy biến áp chỉnh lưu để cung cấp điện áp xoay chiều cho bộ biến đổi . Tính chọn máy biến áp theo các bước sau. Sức điện động dây quấn thứ cấp máy biến áp: E2=ku.ke.kr.ka.ud. Trong đó: ku: Hệ số phụ thuộc vào sơ đồ bộ biến đổi. Với sơ đồ hình tia 3 pha, chọn ku=0,85. ke: Hệ số dự trữ điện áp, chọn ke = 1,1. Kr : Hệ số kể đến sụt áp trên các điện trở cuộn dây thứ cấp máy biến áp trong quá trình chuyển đổi, chọn kr=1.05. ka: Hệ số kể đến sự dẫn dòng của van, chọn ka=1,2. Thay các số liệu vào công thức trên, ta được: E2 = 1,1.1,2.1,05.0,85.220 = 260(v). Công suất tính toán của máy biến áp: STT = KS..kl.kd.kr.UH.IH..103. Trong đó: Ks: Hệ số phụ thuộc vào sơ đồ, với sơ đồ hình tia ba pha chọn ks = 1,17. Kl: Hệ số dự trữ dòng xét đến sự sai khác của đường cong dòng anot với dạng hình chữ nhật, chọn Kl = 1,1. Do đó Stt = 1,17.1,1.1,1,1,2.220.5,7.103 = 2130(VA). Chọn máy biến áp có các thông số: U1Hfa = 220(v). U2Hfa = 260(v). Stt = 2,13(KVA). 4. Chọn cuộn kháng. a. Chọn cuộn kháng cân bằng: Lck1, Lck2. Công suất cuộn kháng cân bằng thường được chọn bằng 5% công suất chỉnh lưu: Sck = 0,05.P = 0,05.220.5,7 = 62,7(W). Điện cảm cuộn kháng được tính chọn: Lck1+Lck2 ³. Trong đó : ICB được chọn bằng 0,6(A). Lck1+Lck2=p = 0,94(H). Chọn Lck1=Lck2 = 0,47(H). b. Chọn cuộn kháng san bằng. Ta có: LS = Lck+Lck1+Lck2³. Trong đó: U12 :biên độ sóng 2 bậc cơ bản của điện áp chỉnh lưu. U12= Thay các giắ trị vào tích phan trên với a=1800=T ta được : Un=130 (V) I0=(0,03¸0,05)IH=0,885 (A) Thay giá trị tìm được vào công thức tính LS LS==0,068 (H) Điện cảm phần ứng động cơ: LĐ=g. Với động cơ đã chọn ta có: g = 5,5 , P = 1 U = 220 (V) IH = 5,7 (A) h = 1000 (v/phút) Do đó: LĐ=5,5. Vậy : LCK ³ 0,0,68-0,21=0,47 (H) Ta chọn LCK ³ 0,47 (H). 5. Chọn bảo vệ mạch động lực: TC R C Dòng điện ngược chảy qua Tiristor xuất hiện mỗi khi Tiristor chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái khoá. Dòng điện ngược xuất hiện là do các điện tích phi cơ bản tồn tại trong các lớp Bazơ tạo ra khi Tiristor mở cho dòng điện chạy qua. Dòng ngược suy giảm rất nhanh tốc độ suy giảm đạt tới 108 (A/hs). Do đó xuất hiện sự quá điện áp đối với Tiristor đang chuyển sang trạng thái khoá. Để khắc phục hiện tượng quá điện áp này người ta thường dùng mạch R - C đấu song song với Tiristor như hình vẽ. Khi Tiristor khoá dòng điện sẽ chuyển Tiristor sang bảo vệ R-C. C=( mF) R= Trong đó : Iao: Dòng qua van trước lúc chuyển đổi Iao=Kqt . KS . Kd . IH Với: Kqt: Hệ số quá tải , Kqt=1,1¸1,2. Ks: Hệ số sơ đồ , Ks=0,58. Kd: Hệ số dự trữ, Kd=1,05. Iao=1,2.0,58.1,05.5,7=4,16 (A) IaH: Dòng định mức của van IaH=10 (A) Ta tính được các giá trị : C==0,04 (mF) R==1000(W) III. TÍNH CHỌN MẠCH ĐIÊU KHIỂN 1. Tính chọn máy biến áp xung. Với các loại Tiristor đã chọn (T-10) ta dùng xung điều khiển là: Ux = 8 (V) , Ix = 1,2 (A) Độ rộng xung chọn 600 ms. a. Tính bộ khuyếch đại cuối cùng. Trong hệ thống điều khiển xung người ta thường chọn máy biến áp xung có tỉ số máy biến áp thường là 1¸3 Gọi U1 là điện áp phia sơ cấp. Khi đó Uxlà điện áp phía thứ cấp. Chọn tỉ số máy biến áp xung m=3 khi đó ta được: U1=Ux . m =8.3=24 (V) Dòng sơ cấp biến áp xung: I1==0,4 (A) Chọn Tr12 = P605 làm việc ở chế độ xung có: b = 20¸60 UCE = 40 (V) Icmax = 1,5(A) Chọn Ic = 0,4 (A) , b=20 Do đó : IB = =20 (mA) Trong mạch điều khiển dòng Ic càng nhỏ thì các xung ít mất đối xứng, vì vậy ta chọn thêm một tầng khuyếch đại trung gian. Chọn Tr12 =MP 25 có: UCE=40 (V) ICmax=300 (A) b=13¸25 Chọn Ic=40 (mA) , b=13 Do đó : IB2==3 (mA) +12v +24v UD1 Tr12 Tr11 -12V b. Chọn bộ so sánh: U2 +15V -15V A R R Udk Urc Chọn khuyếch đại thuật toán cho bộ so sánh là loại LM324 có nguồn nuôi là ±15(V). c. Tính khâu tạo diện áp răng cưa đồng pha. U2 C A Uv -15V Dùng khuyếch đại thuật toán là loại LM324, cùng với tụ điện C, điện trở R để tạo điện áp răng cưa đồng pha. Đây là mạch tích phân thực. Độ dài xung theo yêu cầu : T=P Û wt=P Þ t= =0,01 (s) Biên độ xung là U0=10 (V). Ta có: U0 = Ta chọn dung lượng tụ C=0,1(mF) Khi đó R=150 (W) d. Tính máy biến áp xung: Chọn vật liệu làm máy biến áp xung là loại sắt từ '30, lõi sát có loại hình chữ làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá: DB=0,7 (Tesla) DH= 50 (A/m) có khe hở. Từ thẩm của lõi sắt từ: m==1,4.104 Vì mạch từ có khe hở nên phải tính từ thẩm trung bình sơ bộ chọn: Chiều dài trung bình của đường sức l=0,1, khe hở lkh=10-5 (m). Thể tích lõi sắt từ: V=Q.L= Trong đó : Q: Tiết diện lõi sắt từ. I’2: Dòng điện thứ cấp biến đổi sang sơ cấp. V==16,3 (cm3) Vậy ta chọn V=16,35 (cm2). Tra bảng BII.2 ta chọn được kích thước lõi sắt từ. Q=1,63 (cm2) c=1,2(cm) l=10,03(cm) e=4,8 (cm) a=1,2 (cm) H=4,2(cm) h=3 (cm) B=1,6(cm) Kí hiệu lõi sắt ở dưới: Số vòng cuộn BAX: W1= Trong đó : Tx: Tính bằng giây. Q: Tính bằng m2. B: Tính bằng Tesla. K: Hệ số chất đầy K=0,76. c a/2 H h C B Vậy: W1= (vòng). Số vòng cuộn thứ cấp biến áp xung. W2=(vòng) 2. Chọn cổng NAND. - Vì nguồn nuôi là±15 V nên choin cổng logic loại CMOD IC4011. 3. Chọn linh kiện khâu đồng bộ hoá. - Chọn Tr4, Tr6, Tr7,là KT3156 có: Vcc=20(V), Ic=10(mA), b=70 ¸350. Tr5 là KT2035 có: Vcc=30(V), Ic=10(mA), b=30 ¸90. Chọn dòng làm việc của các Tranzitor IC=1,5 (mA). Các điện trở hạn chế: R90=R92=R93= Lấy b=70 ÞIB= PHẦN IV XÉT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG I. MẠCH ĐỘNG LỰC . 1. Máy biến áp động lực AB cung cấp điện cho bộ biến đổi, tạo ra giá trị điện áo cho phù hợp yêu cầu, hạn chế dòng ngắn mạch. 2. Bộ biến đổi là sử dụng sơ đồ hình tia pha song song ngược, nhóm ka tốt chung có các van T1, T2, T3 và nhóm a nốt chung có các van T4, T5 ,T6. Khống chế sự làm việc của 2 nhóm van bằng phương pháp điều khiển chung tuyến tính (a1+a2=p). 3. Các cuốn kháng CK1, CK2 có tác dụng hạn chế dòng tuần hoàn tức thời chạy trong 2 nhóm van mà không quá tải. Giá trị điện cảm CK1, CK2 được tính sao cho dòng tuần hoàn luôn nhỏ hơn 10% dòng định mức cả động cơ. 4. Cuộn kháng KCL là cuộn san bằng điện áp sau chỉnh lưu. 5. Đ là động cơ điện một chiều kích từ độc lập được điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện áp đặt vào phần ứng của động cơ. II. MẠCH ĐIỀU KHIỂN. 1. Tín hiệu dòng hồ quang được lấy từ biến dòng phía thứ cấp của biến áp lò, được biến đổi qua một tầng trung gian xuống giá trị phù hợp. Tín hiệu này được chỉnh lưu qua A1,A3 ; lọc qua A5 rồi đưa đến đầu vào A của khâu tổng hợp tín hiệu . Đồng thời tín hiệu này được đưa tới A5, phối hợp với gía trị dòng đặt khi dòng điện hồ quang Ig£ 5% thì dòng đặt bị dập bảo đảm tính năng khi không có điện áp là thì động cơ đứng yên 2. Tín hiệu điện áp được lấy từ điện áp pha của từng điện cực hồ quang được suy giảm qua biến áp rồi đưa vào khâu chỉnh lưu A2, A4 lọc A7. phân áp qua các điện trở đầu vào của A8. Sau đó đưa tới khâu tổng hợp tín hiệu. Trong quá trình nấu thép cần phải thay đổi nhiều cấp biến áp lò, ứng với mỗi cấp biến áp đó cần thay đổi tương ứng giá trị đầu vào của từng điều biến. 3. Điện áp vùng không nhậy: Là giá trị đặt trước có giá trị thay đổi theo cấp từ 0¸10% giá trị định mức của tín hiệu điều khiển khi lượng DU=a(Ihq- Id) - b.Uhq lớn hơn giá trị điện áp đặt của vùng không nhậy thì tín hiệu điều khiển (Udk) khác không. Tín hiệu này đến mạch phát xung tạo xung điều khiển bộ biến đổi, làm động cơ được đặt điện áp vào phần ứng® động cơ quay để nâng hạ điện cực. 4. Khâu tổng hợp tín hiệu A14 , A15 tổng hợp các tín hiệu đầu vào (tín hiệu dòng, áp hồ quang ). Và cho ra giá trị dương ở đầu ra A14 để hạ điện cực ,giá trị âm ở đầu ra A15 để nâng điện cực Hạn chế tín hiệu cực đại khi hạ điện cực thực hiện bằng A16 và các linh kiện phối hợp khác . Mạch để chuyển từ chế độ làm việc tỷ lệ sang chế độ rơle bằng A11,A13,các vi mạch D5.1, D3.4 ; Tr3, R, C. - Mạch điều khiển tự động khi điện cực bị ngắn mạch bằng A12, vi mạch D5.2, D5.3, R. 5. mạch điều khiển tối ưu. Các dòng điện trong 2 nhóm van được lấy qua máy biến dòng (biến tín hiệu 1 chiều sang tín hiệu xoay chiều). Sau đó được chỉnh lưu (A26,A27, A28, A29) và lọc ( A30, A31) rồi đưa vào đầu vào bộ tích phân A19. Nhờ bộ tổng hợp tín hiệu này để hạn chế dòng điện động cơ trong quá trình đảo chiều nhanh. 6. Bộ điều khiển pha. Tạo xung răng cưa đồng bộ với các pha bằng các Tranzitor, NAND, A22 rồi so sánh với điện áp điều khiển ở đầu ra A21 cho ra xung điều khiển mở Tranzitor. Kênh tạo xung còn lại tương tự. Bộ điều khiển pha phải thoả mãn điều kiện khi không có tín hiệu điều khiển thì động cơ đứng yên, khi có xung điều khiển thì việc tạo xung mở các nhóm van thoả mãn điều kiện. a1+a2=p III-NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: Khi bắt đầu mồi hồ quang (đưa lò vào hoạt động) giả sử đã đặt trước chế độ làm việc (bằng dòng đặt) dòng hồ quang lúc này bằng không, điện áp hồ quang đạt giá trị cực đại. Các sai lệch tín hiệu dòng áp hồ quang đưa vào khâu tổng hợp tín hiệu là lớn nhất và có giá trị âm do chỉ có tín hiệu áp và giá trị vùng không nhậy được đưa tới đầu vào A14, A15. Đầu ra A14 có điện áp dương đưa điện áp này qua A17, A18, A19, A20, tới mạch điều khiển pha (một phần điện áp này được phản hồi lại qua A16) mạch điều khiển pha phát xung mở nhóm van cấp điện cho động cơ quay hạ điện cực do có một lượng điện cực phản hồi âm làm giảm điện áp điều khiển, góc mở van tăng. Động cơ quay hạ điện cực từ từ tránh hiện tượng gãy điện cực khi chạm liệu. Khi điện cực chạm liệu thì điện áp hồ quang gần như bằng không, đầu ra A8 gần sấp sỉ giá trị không dòng hồ quang xuất hiện khi điện cực bắt đầu được nâng lên. Dòng hồ quang sẽ được ổn định khi có giá trị bằng giá trị đặt. Khi đó tổ hợp dòng áp đưa đến mở các van bộ biến đổi có góc bằng làm cho điện áp chỉnh lưu 2 nhóm van có giá trị bằng không. Động cơ đứng yên, tức điện cực không dịch chuyển, dòng hồ quang cháy ổn định. Khi hồ quang cháy thì điện cực bị mòn dần làm khoảng cách giữa các điện cực và liệu bị cách xa hơn, tức dòng điện hồ quang bị giảm. lúc này nếu tổ hợp dòng áp hồ quang đưa tới đầu vào A14, A15 động cơ vẫn không quay, điện cực đứng yên. Giả sử dòng hồ quang nhỏ hơn dòng định mức, làm cho tổ hợp dòng áp hồ quang lớn hơn điện áp vùng không nhậy, xuất hiện điện áp điều khiển đầu ra A14 đưa tơi mạch phát xung để đưa tới các van, tạo điện áp bắt động cơ quay hạ điện cực xuống tới khi dòng hồ quang ổn định ở dòng định mức, quá trình dòng hồ quang lớn hơn dòng đặt hồ quang xẩy ra ngược lại. Nếu vì một lý do nào đó dòng hồ quang tăng quá lớn, hoặc xẩy ra hiện tượng ngắn mạch thì điện cực được nâng lên với tốc độ cực đại nhờ mạch điều khiển tạo chế độ rơ le. Khi đó điện áp đầu ra A17 đạt giá trị lớn nhất đưa tới mạch phát xung, góc mở a bộ chỉnh lưu bằng không, động cơ được đặt điện áp lớn nhất khi dòng hồ quang giảm về dòng định mức thì hồ quang cháy ổn định nhờ điện cực đứng yên. PHẦN V THUYẾT MINH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ I. ĐẶT VẤN ĐỀ: Một hệ thống truyền động điện có thể ổn định hoặc không ổn định. Một hệ thống ổn định nếu khi một trạng thái cân bằng của hệ bị phá vỡ. Thì hệ sẽ trải qua một quá trình quá độ nhất định rồi đạt tới trị số xác lập mới. Ngược lại, hệ thống không ổn định thì sau khi trạng thái cân bằng của nó bị phá vỡ, thì các đại lượng của nó tăng vô hạn hoặc giảm về không mà không thể lập lại trạng thái cân bằng mới. Đối với hệ thống truyền động điện người ta đưa ra làm hai khái nệm là ổn định tĩnh và ổn định động . II. ỔN ĐỊNH TĨNH: Khái niệm ổn định tĩnh được sử dụng khi sự chuyển biến của hệ từ trạng thái nay sang trạng thái khác xảy ra tương đối chậm đến mức vai trò của các khâu quán tính và điện cảm trong hệ thống không có ý nghĩa. Tức trong trường hợp nay có thể bỏ qua tốc độ biến thiên năng lượng điện từ và động năng tích luỹ trong hệ. Do đặc điểm trên khi xét ổn định tĩnh ta căn cứ vào trạng thái làm việc ban đầu và trạng thái cuối của hệ thống mà không cần quan tâm đến quá trình điều biến trung gian giữa hai trạng thái. Trạng thái ban đầu và trạng thái cuối cùng của hệ thống đều là trạng thái xác lập và được xác lập bởi sự tương quan giữa đặc tính cơ của hệ thống và đặc tính của máy sản xuất hay đặc tính của phụ tải. Ta biết rằng trong hệ thống nếu hệ số góc của đặc tính cơ của hệ thống nhỏ hơn hệ số góc đặc tính phụ tải thì hệ thống xẽ được đảm bảo ổn định tĩnh. III. ỔN ĐỊNH ĐỘNG: Khái niệm này sử dụng khi sự chuyển biến trạnh thái của hệ thống xảy ra mặt cắt đột ngột hoặc cắt nhanh mà tốc độ biến thiên của năng lượng điện từ hoặc năng lượng điện cơ là không thể bỏ qua. Nghĩa là các khâu quán tính đóng vai trò quan trọng trong sự dao động của hệ thống. Khi nghiên cứu ổn định động cần nghiên cứu đặc điểm động của hệ thống trong thời gian chuyển từ trạng thái xác lập này sang trạng thái xác lập khác. Hệ thống sẽ ổn định khi quá trình quá độ này tắt dần theo thời gian. Để khảo sát sự ổn định của hệ thống ta thành lập sơ đồ cấu trúc của hệ thống sau đó sử dụng các tiêu chuẩn. Xét ổn định xem hệ thống đã ổn định hay chưa. * Nếu hệ thống đã ổn định thí phải nâng cao độ ổn định cho hệ thống. * Nếu hệ thống chưa ổn định thì phải chỉnh hệ thống để nó ổn định. IV. XÉT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG: RS WA2 Wp W1 g W2 b WA1 W Uwt (-) Iư Thành lập sơ đồ cấu trúc và hàm truyền hệ thống sơ đồ cấu trúc của hệ thống như sau: Trong đó: - WA1: Hàm truyền của phần tử khuyếch đại thuật toán. A1: WA1 = KA1 =895,69 - WA2: Hàm truyền của phần tử khuyếch đại thuật toán. A2: WA2= KA2= 0,72 - Wp: Hàm truyền của bộ biến đổi. Wp= Kp W1 . W2= Ws hàm truyền của động cơ một chiều kích từ độc lập. - W1: Hàm truyền của khâu biến đổi từ điện áp đặt vào phản ứng động cơ sang dòng điện chạy trong phần ứng động cơ. - W2: Hàm truyền của khâu biến đổi từ dòng phần ứng động cơ sang tốc độ trên trục động cơ. W1= W1= b: Hệ số truyền của khâu phản hồi âm dòng điện b=0,85. g: Hệ số phản hồi của khâu phản hồi âm tốc độ. g=0,0053 - Ta tiến hành tính hàm truyền của hệ thống wHT vì wA2 , wp, wA1 được bao bởi hệ số phản hồi dòng b nên hàm truyền tổng của khâu này như sau: wtđ= w1, wtđ, w2 được bao bởi hệ số phản hồi âm tốc độ g ta có: wHT== = = = Vậy ta có phương trình trạng thái của hệ: A(P)=T'.Tm.P2+(Tm+.KA2.Kp.Tm).P+gK+1 Trong đó ta có: Tp===0,0067 Tm==0,00098 T'==0,006 Thay số ta có: A(P)=0,288.10-5.P2+0,3544.P+1199,5=a0p2+a1p+a2 Xét sự ổn định của hệ thống theo tiêu chuẩn Routh lập bảng Routh: Tất cả số hạng ở cột thứ nhất đều dương, vậy hệ thống đã ổn định. Để nâng cao chất lượng ổn định của hệ ta hiệu chỉnh lại hệ thống theo phương pháp mođul tối ưu. PHẦN VI HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG Hiệu chỉnh hệ thống theo phương pháp môđul tối ưu. 1. Khái niệm và nội dung phương pháp môđul tối ưu. a. Khái niệm: Hiệu chỉnh hệ thống theo phương pháp modul tối ưu là phương pháp áp dụng để tính toán thông số của khâu hiệu chỉnh trong hệ thống truyền động điện để lùi lại hoặc khử mất sự không ổn định của hệ thống. Phương pháp này giúp ta tính toán dễ dàng số liệu tin cậy phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong kỹ thuật. b. Nội dung của phương pháp: Xuất phát từ điều kiện, nếu hệ thống kín ổn định thì môđul của nó tiến tới 1 khi mà w tiến tới ¥ ; Khi đó đạo hàm bậc 1,2...n tiến tới 0. Giải các phương trình trên sẽ tìm được hàm truyền của hệ hở, khi hệ kín ổn định vì đã biết cấu trúc của hệ thống truyền động điện nên việc tìm hàm truyền của khâu hiệu chỉnh rất đơn gỉn hàm truyền này được xác định bằng cách lấy kết quả của khâu đã hiệu chỉnh hệ thống hố tối ưu chia cho hàm truyền của khâu đã biêt. whe(P)= w*h(P) wA(P) Trong đó: whe(P): Hàm truyền của khâu hiệu chỉnh. w*h(P): Hàm truyền của hệ thống hố tối ưu. wA(P): Hàm truyền của khâu đã biết. Áp dụng phương pháp môđul tối ưu và xuất phát từ sơ đồ cấu trúc ta chọn 2 khâu hiệu chỉnh: + Hiệu chỉnh mạch vòng trong (mạch vòng dòng điện). + Hiệu chỉnh mạch vòng ngoài. Từ sơ đồ cấu trúc hệ thống khi bỏ qua nhiễu loạn. WA2 Wp W1 g W2 b W WA1 Uwt (-) (-) Ta tiến hành hiệu chỉnh hệ thống theo từng mạch vòng. 1. Hiệu chỉnh mạch vòng trong. Uwt Wp W1 b Uwt S01 Sơ đồ mạch vòng: Biến đổi sơ đồ về dạng: S01= Đưa vào mạch vòng này một khâu hiệu chỉnh tích phân. F(P)== Sơ đồ nguyên lý: Ta có: 48.10-5=R1C2 chọn R1=10W ®C2=48mF Khi đó ta có mạch vòng: Uwt S’01 Ir Biến đổi sơ đồ cấu trúc hệ thống về dạng. Uwt S02 Ir S02= Hiệu chỉnh vào mạch vòng này một khâu hiệu chỉnh tích phân. K(P)= Sơ đồ nguyên lý hiệu chỉnh: Trong đó: KR=R1.C2=0,184 Chọn R1=100 (W) ® C2=1840 mF S’02= = Trong đó: 49.10-3 là hằng số thời gian nhỏ nên ta bỏ qua. Ta có: S’02(P)= Theo phương pháp hàm chuẩn modul tối ưu thì khi cham vào bộ điều chỉnh là khâu tích phân tỷ lệ thì hãn hiệu chỉnh có dạng S’01(P)=S0= = Theo phương pháp hàm chuẩn Modul tối ưu thì khi chọn bộ điều chỉnh là khâu tích phân tỷ lệ thì hàm có dạng: R(P1)= Sơ đồ nguyên lý khâu hiệu chỉnh Trong đó : 0,184=. Chọn R1=100 (W). ® R2=18,4 (W). 0,342=R1.C2 ® C2=342(mF) Mạch vòng sau khi điều chỉnh sẽ có sơ đồ cấu trúc như sau: Uwt S01 F(P) R(A) (-) 2. Hiệu chỉnh mạch vòng ngoài. Sơ đồ có cấu trúc của hệ thống sau khi đã được hiệu chỉnh mạch vòng dòng điện có dạng: F(P) So1(P) R1(P) g W2 W RO2(P) Uwt (-) (-) Phương trình của hệ thống sau khi đã hiệu chỉnh: A(P)=78.10-11.P3+0,00083.P2+0,0097P+4,91 = a0.p3+a1.p2+a2.p+a3 Xét ổn định cảu hệ thống theo tiêu chuẩn Routh bảng Routh : Tất cả các số hạng ở cột thứ nhất của bảng Routh đều dương. Vậy hệ thống sau khi hiệu chỉnh vẫn ổn định.