Thiết kế hệ thống truyền động van - Động cơ một chiều kích từ độc lập không đảo chiều quay - Cầu 1 pha - Động cơ pi42

ệt để kể cả khi không tải lý tưỡng và điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào . I.1.2.3 Thay đổi từ thông kích từ a) Sơ đồ nguyên lý (H.7) Khi thay đổi từ thông kích từ động cơ một chiều kích từ độc lập chính là điều chỉnh mô men điện từ của động cơ M =K.Iư và điều chỉnh sức điện động quay E =K.w của động cơ .Do kết cấu của máy điện nên ta thường giảm từ thông . Giả thiết : U = Uđm = const R = const = Var Phương trình đặc tính cơ Tốc độ không tải lý tưỡng : Độ cứng đặc tính cơ : b = Ở đặc tính cơ điện : Inm = = const Dạng đặc tính cơ Đặc tính cơ ( H 8 ) Đặc tính cơ điện ( H 9 ) d). Nhận xét: Ta thấy rằng mạch kích từ của động cơ một chiều kích từ độc lập là mạch phi tuyến cho nên hệ điều chỉnh từ thông củng là phi tuyến .Khi giảm từ thông ở một mức độ nào đó thì tốc độ động cơ tăng lênvà đồng thờiphải đảm bảo điều kiện chuyển mạch cổ góp. Nhưng nếu giảm từ thông f quá nhiều vì khi giảm f do quán tính tốc độ w sẽ thay đổi chậm hơn so với từ thông f nên E = Kf.w giảm ® Iư tăng lên ® M = Kf.Iư tăng lên. Mặt khác khi f giảm quá nhiều thì Iư tăng quá lớn gây nên sụt áp trong mạch phần ứng tăng lên ® công suất động cơ giảm ® tốc độ giảm Như vậy khi điều chỉnh giảm từ thông f thì độ cứng đặc tính cơ giảm b = ¯¯ Sai lệch tĩnh tăng lên Hệ thống có giải điều chỉnh hẹp Phương pháp thay đổi từ thông phù hợp với tải Pc = U.I = const Mc = var * Tuy nhiên phương pháp này lại có chỉ tiêu kinh tế cao ,tổn thất năng lượng nhỏ . I.1.2.4 Nhận xét chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ Qua những phân tích cụ thể 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ trên ta thấy mỗi phương pháp điều chỉnh đều có những ưu nhược điểm riêng phù hợp với từng yêu cầu công nghệ .Căn cứ công nghệ của đề tài ta thấy phương pháp thay đổi tốc độ bằng cách điều chỉnh điện áp mạch phần ứng động cơ có nhiều ưu điểm như Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng Điều chỉnh trơn và điều chỉnh vô cấp Sai lệch tĩnh nhỏ , b=const trong toàn dải điều chỉnh Dể thực hiện tự động hoá Mức độ phù hợp tải Mc = const Pc = var Do đó ta chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp mạch phần ứng động cơ . I.1.3 PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG PHÁP HÃM DỪNG ĐỘNG CƠ Hãm là trạng thái động cơ sinh ra mô men quay ngược chiều với tốc độ quay của rô to .Trong tất cả các trạng thái hãm động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát .Như ở phần trước ta đã chọn cơ một chiều kích từ độc lập đối với lọai động cơ này có 3 trạng thái hãm là : - Hãm tái sinh - Hãm ngược - Hãm động năng Sau đây ta lần lượt phân tích từng trạng thái hãm. I.1.3.1.Hãm tái sinh Hãm tái sinh là trạng thái máy phát mà động cơ biến cơ năng đã tích luỹ được thành điện năng trã về lưới điện . Hãm tái sinh xẩy ra khi tốc độ của rôto lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng (w > wo).Khi hãm tái sinh Eư > Uư động cơ làm việc như một máy phát nối song song với lưới.So với chế độ động cơ ở chế độ hãm tái sinh dòng điện và mô men đổi chiều được xác định theo biểu thức sau. Mh=kfIh < 0 Phương trình đặc tính cơ ở đoạn hãm tái sinh là: Ở trạng thái hãm tái sinh Ih < 0 đổi chiều và công suất được trả về lưới là P = (U-E).I ,đây là phương pháp hãm hữu ích về kinh tế vì động cơ sinh ra điện năng hửu ích Tuy nhiên hệ thống truyền động van động cơ (T-Đ) chỉ dẩn dòng theo một chiều nhất định nên khi động cơ sinh ra năng lượng trả về lưới thì các van không cho phép dẩn ngược .Nên phương pháp hãm này không phù hợp với yêu cầu công nghệ . I.1.3.2. Hãm ngược Hãm ngược là trạng thái máy phát của động cơ khi rôto quay ngược chiều với chiều quay tương ứng của từ trường do điện áp nguồn gây ra. Mặt khác phụ tải mang tính chất phản kháng nên ta chỉ xét trường hợp đảo chiều điện áp phần ứng khi động cơ đang quay. Giả sử động cơ đang làm việc xác lập tại điểm a trên đặc tính tự nhiên với phụ tải Mc1 .Ta đổi chiều điện áp phần ứng và đưa thêm điên trở phụ Rf vào mạch phần ứng động cơ sẽ chuyển sang làm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở chiều quay ngược.Tại b do quán tính nên rôto vẩn quay theo chiều củ còn mô men đã đổi chiều chống lại chiều quay nên tốc độ giảm nhanh theo đoạn bc .Tại c tốc độ bằng không nếu cắt phần ứng khỏi lưới động cơ sẽ dừng lại.Còn nếu vẩn tiếp tục đóng phần ứng vào lưới và nếu tại c mô men của động cơ lớn hơn mô men cản Mc2 thì động cơ sẽ quay ngược cuối cùng làm việc tại điểm d .Trên đoạn hãm ngược bc vì điện áp đổi cực tính nên dấu ‘ – ‘ biểu thị dòng điện ngược chiều với trạng thái củ Mh = kf.Ih < 0 Ta thấy hãm ngược thường đưa thêm điện trở phụ Rf vào để hạn chế dòng điện hãm .Do đó trạng thái hãm này thường gây tổn thất lớn làm giảm đáng kể tuổi thọ động cơ và không khắc phục được sự cố như mất điện . I.1.3.3. Hãm động năng Ta xét trường hợp hãm động năng kích từ độc lập Sơ đồ nguyên lý (H.21) Nguyên lý làm việc. Hãm động năng kích từ độc lập xẩy ra khi động cơ đang quay ta cắt phần ứngđộng cơ ra khỏi lưới điện một chiều rồi đóng kín qua một điện trở hãm Rh còn mạch kích từ vẩn giử nguyên f =const . Tại thời điểm cắt phần ứng khỏi lưới điện do động năng tích luỷ được ở quá trình làm việc trước đó nên rôto vẩn quay theo chiều củ với tốc độ ban đầu Ebđ = k.f.wbđ Vì phần ứng được khép mạch qua điện trở hãm Rh nên sức điện động ban đầu sinh ra dòng điện hãm ban đầu được xác định . Mhbđ =k.f.wbđ < 0 .Mô men ngược chiều với tốc độ .Mặt khác điện áp lúc đầu đặt vào phần ứng động cơ lúc hãm bằng không nên ta có phương trình đặc tính cơ khi hãm là . Với Ih ,Mh< 0 .Đây là phương trình đường thẳng đi qua gốc toạ độ dạng của chúng được biểu diển như trên hình (H.22). Ta có : Độ cứng phụ thuộc vào Rh khi Rh càng nhỏ thì đặc tính cơ càng cứng ,mô men hãm càng lớn hãm càng nhanh.Tuy nhiên phải chọn Rh sao cho Ihbđ £ (2¸2.5)Iđm. Khi hãm động năng kích từ độc lập tiêu thụ ít năng lượng từ lưới .Năng lượng chủ yếu được tạo ra do động năng của động cơ tích được trong quá trình làm việc .Trong quá trình hãm động cơ chỉ tiêu thụ công suất kích từ rất nhỏ Pkt=(1¸5)%Pđm . I.1.3.4. Đánh giá chọn phương pháp hãm dừng động cơ Từ những phân tích cụ thể của từng phương pháp hãm ta thấy Phương pháp hãm ngược hãm nhanh có hiệu quả tuy nhiên tổn thất năng lượng lớn làm phát nóng động cơ ảnh hương đến tuổi thọ thiết bị .Còn phương pháp hãm động năng có hiệu quả kém hơn phương pháp hãm ngược khi có cùng tốc độ ban đầu và mô men cản Mc .Tuy nhiên hãm động năng lại ưu việt hơn về mặt năng lượng tiêu thụ rất ít năng lượng từ lưới và mạch điều khiển củng đơn giản hơn .Do đó ta chọn phương pháp hãm động năng để hãm dừng động cơ. I.1.4 PHÂN TÍCH CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU Từ những phân tích ta đã chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp mạch phần ứng .Phương pháp này là phải dùng bộ biến đổi (BBĐ) .BBĐ là một khâu quan trọng của hệ thống truyền động điện là một trong những yếu tố quyết định đến chất lượng của hệ thống . Theo yêu cầu của đề tài ở đây ta lựa chọn BBĐ chỉnh lưu là hệ thống van đông cơ (T-Đ) I.1.4.1 Hệ thống van động cơ (T-Đ) Sơ đồ khối a)Nguyên lý làm việc Bộ biến đổi biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều .Khi thay đổi giá trị điện áp Uđk ta thay đổi được góc điều khiển a nhờ đó thay đổi được sức điện động của bộ biến đổi Eb = Ebm.cosa ® thay đổi được điện áp đặt vào mạch phần ứng động cơ Ud = f(a) ® thay đổi được tốc độ động cơ. b)Phương trình đặc tính cơ Khi bỏ qua sụt áp thuận trên 1 van ®DUV = 0 Trong đó : : Sức điện động của bộ biến đổi Rb, Rư , Rck : Điện trở của bộ biến đổi ,phần ứng động cơ ,cuộn kháng c)Dạng đặc tính cơ Khi thay đổi giá trị góc điều khiển a=0¸1800 thì Eb =-Ebm¸ Ebm khi đó ta nhận được một họ đường thẳng song song với nhau bố trí trên nửa mặt phẳng bên phải của hệ trục (M ,w) như hình vẽ bên (H .12). d)Nhận xét ưu nhược điểm của BBĐ van-động cơ Ưu điểm : Điều chỉnh trơn và điều chỉnh vô cấp Dể dàng điều chỉnh ,tác động nhanh Phạm vi điều chỉnh rộng BBĐ gọn nhẹ ,chắc chắn không cần nền móng Dể tự động hoá và van có hệ số công suất cao Nhược điểm : Kém linh hoạt chuyển đổi Điều khiển kém độ nhạy khi tín hiệu điều khiển lớn Đảo chiều gặp khó khăn Đặc tính mềm hơn hệ F-Đ I.1.5 MẠCH PHẢN HỒI Trong thực tế nhiều máy sản xuất ngoài yêu cầu điều chỉnh tốc độ vô cấp,còn có yêu cầu cao với sai lệch tĩnh.Điều này đối với hệ thống hở không thể thực hiện được,nó chỉ thực hiện điều chỉnh trong 1 phạm vi nhất định.Vậy để giải quyết vấn đề này ta sử dụng hệ thống điều khiển mạch vòng kín có phản hồi Với những yêu cầu mà đề tài đã đưa ra,ở đây ta sử dụng mạch phản hồi âm tốc độ và phản hồi âm dòng điện I.1.5.1 Phản hồi âm tốc độ - Trong sơ đồ dùng phản hồi âm tốc độ bằng máy phát tốc, ưu điểm điểm của nó là lượng vào và lượng ra có quan hệ tuyến tính, không gây nhiễu loạn, làm việc êm, kích thước và trọng lượng nhỏ. Dùng phản hồi này có tác dụng làm tăng hệ thống khuếch đại của hệ thồng,làm tăng độ cứng của đặc tính cơ, tức là làm tăng độ ổn định của tốc độ động cơ. Sơ đồ nguyên lý khâu phản hồi âm tốc độ dùng máy phát tốc như hình vẽ R1 -¡n Ft I.1.5.2 Phản hồi âm dòng điện Trong quá trình quá độ phải luôn giữ được dòng điện (hoặc momen điện từ) ở giá trị tối đa cho phép,làm cho hệ thống truyền động điện đạt được gia tốc tối đa cho phép khi khởi động,sau khi tốc độ đạt đạt tới trạng thái ổn định,lại làm cho dòng điện lập tức giảm xuống để momen cân bằng với phụ tải.Muốn đạt được như vậy ở đây ta dung phản hồi âm dòng điện là có thể nhận được quá trình dòng điện gần như không đổi. I.1.6 MÁY PHÁT TỐC * Vai trò của máy phát tốc. Máy phát tốc làm nhiệm vụ đo tốc độ của động cơ để lấy tín hiệu áp đầu ra để khống chế tín hiệu vào giữ cho động cơ luôn quay với tốc độ ổn định.nguyên lý làm việc đơn giản như máy phát điện một chiều .Trục của động cơ nối cứng với máy trục của máy fát tốc khi động cơ quay kéo trục của máy fát tốc fát ra ở đầu ra sức điện động .Phải chọn máy phát tốc sao cho khi động cơ quay với tốc độ ổn định thì Sđđ ở đầu ra bằng không. I.1.7 BỘ KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU TRUNG GIAN Để đáp ứng yêu cầu về độ cứng tính cơ, phạm vi điều chỉnh tốc độ, độ nhạy, độ tác động nhanh của hệ thống và tăng hiệu quả hệ thống,ta dùng khâu khuếch đại trung gian Bộ khuếch đại có ưu điểm là: - Nâng cao khả năng khuếch đại của hệ thống để đạt được hệ số khuếch đại yêu cầu. - Có khả năng khống chế các rơ le, các công tắc tơ và khống chế các mạch đầu vào của bộ khuếch đại . Kết quả là để năng cao được độ bền của các thiết bị khống chế rơ le, công tắc tơ. I.2 XÂY DỰNG HỆ THỐNG I.2.1 Sơ đồ hệ thống điều tốc 2 mạch vòng tốc độ quay và dòng điện Với: Rw : bộ điều chỉnh tốc độ quay ; RI: bộ điều chỉnh dòng điện FT: máy phát tốc Fx: mạch phát xung điều khiển các T của BBĐ CBD:cảm biến dòng điện Ucđ : điện áp chủ đạo gn: phản hồi tốc độ bI:phản hồi dòng điện Đ:là động cơ một chiều kích từ độc lập. I.2.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều chỉnh tốc độ 2 mạch vòng âm tốc độ và âm dòng điện Kw: hệ số phản hồi tốc độ KI: hệ số phản hồi dòng điện KBBĐ: là hệ số khuếch đại của BBĐ KD:hệ số khuếch đại của đọng cơ * Kết luận : Qua phân tích các ưu, nhược điểm của các phương án ở trên em đã chọn ra được phương án tối ưu nhất để phù hợp với yêu cầu của đề tài. 1.Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập. 2.Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cấp cho mạch phần ứng động cơ. 3.Hãm động năng để hãm dừng động cơ. 4.Mạch phản hồi dùng phản hồi âm tốc độ và phàn hồi âm dòng điện. Kết quả của phần I được sử dụng ở phần II,III,IV,V tiếp theo PHẦN II THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ * Đặt vấn đề - Căn cứ vào kết quả ở phần I và sơ đồ cấu trúc của hệ thống.Ở phần 2 này ta thiết kế sơ đồ nguyên lý Sơ đồ ngyên lý hệ thống truyền động điện bao gồm 2 phần chính: Thiết kế mạch động lực. Thiết kế mạch điều khiển. Mạch động lực : là khâu trực tiếp thực hiện các quá trình biến đổi năng lượng theo yêu cầu công nghệ. Mạch điều khiển : là khâu có chức năng điều khiển khống chế mạch động lực thực hiện các quá trình biến đổi đó -Nội dung chính của phần II này gồm Chương I. Thiết kế sơ đồ mạch động lực II.1.1 Sơ đồ mạch lực II.1.2 Giới thiệu sơ đô mạch lực II.1.3 Nguyên lý làm việc của BBĐ Chương II. Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển I.Giới thiệu chung II Thiết kế mạch điều khiển 1. Khối đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa. 2. Khối so sánh. 3. Khối tạo xung. 4. Khối tổng hợp và khuếch đại trung gian. 5. Mạch tạo nguồn nuôi và tín hiệu điều khiển. CHƯƠNG I THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH ĐÔNG LỰC II.1.1 Sơ đồ mạch lực (Hình2.2) Hình 2.2:Sơ đồ mạch mạch lực II.1.2 Giới thiệu sơ đồ mạch động lực Mạch động lực bao gồm các phần tử: sơ đồ chỉnh lưu, cuộn kháng, máy biến áp động lực, các phần tử bảo vệ cho các Thyristor. Theo phương án đã chọn thì động cơ là động cơ một chiều kích từ độc lập. Như vậy, việc thiết kế sơ đồ mạch động lực chỉ còn là lựa chọn các phần tử khác cho phù hợp mà chủ yếu là sơ đồ chỉnh lưu với đề tài thiết kế là sơ đồ chỉnh lưu hình cầu một pha. II.1.3 Nguyên lý làm việc của BBĐ Giả thiết tải có Ld=¥. Cho sơ đồ làm việc với góc mở a và giả thiết sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm xét (wt=0). Ta giả thiết rằng từ wt=0 đến wt0) nên đủ hai điều kiện để mở .Van T1 mở thì điện áp trên nó giảm về không nên ta có uD1 =- u2 <0 tức là D1 bị đặt điện áp ngược và khoá lại, từ thời điểm này trong sơ đồ có hai van T1,D2 dẫn dòng,điện áp nguồn xoay chiều u2 tác động thuận chiều dẫn dòng của hai van này.Khi T1,D2 cùng dẫn dòng thì ta có: ud = u2 ; iT1 = id = Id ; iT2 =0 ; iD1 =0 ; iD2 = id = Id ; Đến wt=p thì u2=0 và bắt đầu chuyển sang âm ,u2 bắt đầu được đặt thuận lên T2 va D1 do T2 chưa có tín hiệu điều khiển nên T2 chưa mở còn D1 là điôt nên D1 sẽ mở. Van D1 mở thì điện áp trên giảm xuống không ,và ta có uT2 = u2 mà ta có uT2 = u2 , mà tại wt = p thì u2 đang chuyển sang âm nên T1 sẽ bị đặt điện áp ngược ud = 0 ; it1 = 0 ; iT2 = 0 ; iD1 = id = Id ; iD2 = id = Id ; uT1 = u2 ; uT2 = -u2 ; uD1 = uD2 = 0 ; T ại wt =u2 =p + a thì van T2 Có Tín hiệu điều khiển , lúc đó T2 đang có điện áp thuận , T2 mở . Van T2 mở thì u2 giảm về bằng không nên uD2 = u2 < 0 ,tức là D2 bị đặt điện áp ngược và sẽ khoá lại do vậy từ wt=u2 trong sơ đồ cầu chỉ có hai van T2 và D2 dẫn dòng khi hai van T1 và D2 cùng dẫn dòng thì ta có: ud = -u2 ; iT1 =iD = Id ; iD1 =iD = Id ; iD2 = 0; uT1 =u2 ; uT2 = 0 ; uD1 = uD2 = 0 Đến wt = 2p thì u2 = 0 và bắt đầu chuyển sang dương u2 bắt đầu đặt điện áp thuận lên T1 và D2 do T1 chưa có tín hiện điều khiển nên chưa mở còn D2 là điôt nên D2 sẽ mở van D2 mở thì điện áp trên nó giảm về không và ta có uT2 = - u2 mà tại wt = 2p thì u2 đang chuyển sang nửa chu kì dương nên T2 bị đặt điện áp ngược và sẽ khoá lại vậy từ wt = 2p trong sơ đồ có 2 van dẫn dòng khi điôt cùng làm việc thì ta lại có : ud = 0 ; iT1 = iT2 = 0 ; iD1 = iD2 = Id uT1 =u2 ; uT2 =-u2 ; uD1 = uD2 = 0 ; Tại wt= 2p + a thì van T1 có tín hiệu điều khiển lúc đó T1 đang được đạt điện áp thuận T1 mở .Van T1 mở thì uT1 giảm về bằng không nên uD1 = -u2<0 tức là D1 bị đặt điện áp ngược và sẽ khoá lại do vậy từ wt = u3 trong sờ đồ chỉ có hai van T1 và D2 dẫn dòng sờ đồ lặp lại trạng thái làm việc giống như wt = u1 Các biểu thức tính toán cơ bản : Ud =Ud0(1 + cosa)/2 ITtb = Id(p - a)/2 ; IT =Id(p-a)/2p UTthmax=2.U2 ; UNthmax=2.U2 IDth= Id(p+ a)/2p ; ID= Id(p+ a)/2p ; UDngmax=2.U2 CHƯƠNG II THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN II.2.1 . Giới thiệu chung Để cho các van của hai bộ biến đổi mở tại những thời điểm mong muốn thì ngoài điều kiện tại thời điểm đó trên van phải có điện áp thuận thì trên cực điều khiển phải có một điện áp điều khiển (còn gọi là tín hiệu điều khiển hay xung điều khiển) .Để có hệ thống các xung điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu mở van thì ta cần phải có một mạch điện để tạo ra xung điều khiển đó .Mạch điện tạo ra hệ thống xung điều khiển đó gọi là mạch điều khiển . Hệ thống tạo xung điều khiển có nhiệm vụ tạo ra - 3 kênh điều khiển - Góc điều khiển thay đổi rộng - Thông số xung các kênh phải như nhau Xung điều khiển phải thoả mản các yêu cầu cơ bản như công suất ,biên độ cũng như thời gian tồn tại xung để mở chắc chắn các van đối với mọi loại phụ tải .Thông thường độ dài xung nằm trong khoảng (200¸600)ms là đảm bảo mở chắc chắn các van . Hiện nay thường sử dụng 3 hệ thống tạo xung cơ bản sau - Hệ thống điều khiển pha đứng - Hệ thống điều khiển pha ngang - Hệ thống điều khiển dùng điôt 2 cực gốc II.2.1.1Hệ thống điều khiển pha đứng 1.Sơ đồ khối hệ thống điều khiển theo pha đứng (Hình 2.1) 1 5 4 3 2 UGT u1 ĐBH Điện áp tựa (Sóng răng cưa) So sánh Tạo xung Phân chia xung Uđk Hình 2.1. Sơ đồ khối điều khiển theo pha đứng - Khối 1 là khối đồng bộ hoá (ĐBH): Tín hiệu điện áp đưa vào khối này cũng chính là tín hiệu cấp cho mạch động lực của bộ chỉnh lưu (u1). Khối này ta thường sử dụng biến áp đồng bộ hoá để điện áp ra sau khối này có dạng sin với tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và trùng pha hoặc lệch pha 1 góc xác định so với điện áp nguồn - Khối 2 là khối tạo sóng răng cưa (điện áp tựa): Sau khối 1, điện áp đồng bộ (uđb) được đưa vào khối 2 để tạo ra điện áp dạng xung răng cưa (urc). Điện áp răng cưa urc là điện áp chuẩn để so sánh với Uđk của khối 3. - Khối 3 là khối so sánh: Qua khối này urc và Uđk được so sánh với nhau. Uđk là điện áp 1 chiều. Gia điểm của điện áp này với urc quyết định góc điều khiển α. - Khối 4 là khối tạo xung: Tín hiệu ra sau khối so sánh có dạng số (có tín hiệu “1” và không có tín hiệu “0”). Tuy nhiên xung này hầu như chưa đáp ứng được yêu cầu về biên độ xung, độ rộng xung, độ dốc xung,... Vì vậy cần phải có khối tạo xung để điều chỉnh các thông số này cho phù hợp. - Khối 5 là khối phân chia xung: Khối này để dẫn xung và phân chia xung cho Thyristor. Ta thường dùng biến áp xung (BAX) để thực hiện việc này. Trên thực tế lắp ráp mạch điều khiển theo pha đứng này người ta thường ghép khối 1 với khối 2 và khối 4 với khối 5. Vậy sơ đồ lắp ráp thực tế như (hình 2.2). khối3 khối 2 khối 1 UGT u1 ĐBH & PSRC So sánh Tạo xung & phân chia xung Uđk Hình 2.2. Sơ đồ khối điều khiển theo pha đứng thực tế ul : điện áp lưới (nguồn) xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu uđk : điện áp điều khiển đây là điện áp một chiều lấy từ đầu ra của khối(TH-KĐTG) dùng để điều khiển giá trị góc a . uđkT : điện áp điều khiển Tiristo ,là chuổi các xung điều khiển lấy từ đầu ra hệ thống điều khiển và được truyền đến cực điều khiển (G) và Katôt (K) của Tiristo . 2.Nguyên lý cơ bản của hệ thống điều khiển theo nguyên tắc pha đứng Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực chỉnh lưu được đưa đến mạch đồng bộ hoá của khối 1 và trên đầu ra của mạch đồng bộ hoá ta có các điện áp thường có dạng hình sin với tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và trùng pha hoặc lệnh pha một gócpha xác định nào đó so với điện áp nguồn .Điện áp này gọi là điện áp đồng bộ và ký hiệu là uđb .Các diện áp đồng bộ được đưa vào mạc phát điện áp răng cưa để khống chế sự làm việc của mạch điện này, kết quả là trên đầu ra của mạch phát điện áp răng cưa có một hệ thống các điện áp dạng hình răng cưa đồng bộ về tần số và góc pha với các điện áp đồng bộ .Các điện áp này gọi là điện áp răng cưa urc .Các điện áp răng cưa được đưa vào khối so sánh (SS) và ở đó còn có một tín hiệu khác nữa gọi là điện áp điều khiển uđk .Hai tín hiệu này được mắc với cực tính sao cho tác động của chúng lên mạch SS là ngược chiều nhau .Khối SS làm nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu này và tại những thời điểm 2 tín hiệu này có giá trị tuyệt đối bằng nhau thì đầu ra khối SS sẽ thay đổi trạng thái .Như vậy khối SS là một mạch điện hoạt động theo nguyên tắc biến đổi tương tự-số(Analog-Digital) .Do tín hiệu ra của mạch SS là dạng tín hiệu số nên chỉ có hai giá trị có ‘1’ hoặc không ‘0’.Tín hiệu ra cua khối SS là các xung xuất hiện với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa ,nếu thời điểm bắt đầu xuất hiện của một xung nằm trong vùng sườn xung nào của urc tài sườn xung ấy của urc được gọi là sườn sử dụng .Điều này có nghĩa là :Tại thời điểm êurc ê=êuđkêở phần sườn sử dụng trong một chu kỳ của điện áp răng cưa thìo trên đầu ra của khối SS sẽ bắt đầu xuất hiện một xung điện áp .Từ đó ta thấy có thể thay đổi được thời điểm xuất hiện xung đầu ra của khối so sánh bằng cách thay đổi giá trị của uđk khi giữ nguyên dạng của urc .Trong một số trường hợp thì xung ra của khối SS được đưa đến cực điều khiển của Tiristo nhưng đa số các trường hợp thì xung ra của khối SS chưa đủ các yêu cầu cần thiết đối với tín hiệu điều khiển Tiristo .Để có tín hiệu đủ yêu cầu thì người ta phải thực hiện việc sửa xung ,khuyếch đại xung ..vv .Các nhiệm vụ này được thực hiện ở mạch tạo xung (TX) cuối cùng trên đầu ra khỗiT là một chuổi xung điều khiển uđkT có đủ thông số yêu cầu về công suất ,biên độ ,độ dài xung vv…mà thời điểm bắt đầu xuất hiện của các xung thì hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối SS .Vậy thời diểm xuất hiện của tín hiệu điều khiển trên điện cực điều khiển và Katôt của Tiristo chính củng là thời điểm xuất hiện xung đầu ra khối SS , tức là khối SS đóng vai trò xác định giá trị góc điều khiển a .Như đã nêu ở trên ,ta có thể thay đổi thời điểm xuât hiện xung ra khối so sánh bằng cách thay đổi giá trị uđk .Vậy điều khiển giá tri điện áp điều khiển uđk ta điều khiển được giá trị góc mở a . Hệ thống điều khiển pha đứng tuy có mạch phát xung khá phức tạp nhưng các xung được tạo ra đáp ứng được yêu cầu như Phạm vi điều chỉnh góc mở a rộng a = (0 ¸ 1800) Tổng hợp tín hiệu dể dàng Công suất ,biên độ ,độ rộng xung đảm bảo yêu cầu mở Tiristo Dể tự động hoá và tự động hoá ở trình độ cao II.2.1.2 Hệ thống điều khiển pha ngang Ở phương pháp này người ta tạo ra điện áp điều khiển hình sin có tần số bằng tần số của điện áp nguồn và góc pha điều khiển được.Thời điểm xuât hiện xung trùng với góc pha đầu của điện áp điều khiển.Phương pháp này có mạch điều khiển khá đơn giản nhưng lại có một số nhược điểm sau Phạm vi điều chỉnh góc mở a hẹp a <1800 Khó tổng hợp tín hiệu Rất nhạy với sự thay đổi của điện áp nguồn II.2.1.3 Hệ thống điều khiển dùng điốt 2 cực gốc Phương pháp này cũng tạo ra các xung nhờ việc so sánh giữa điện áp răng cưa xuất hiện theo chu kỳ điện áp nguồn xoay chiều với điện áp mở của UJT.Phương pháp này khá đơn giản tuy nhiên no có một số nhược điểm sau. Phạm vi điều chỉnh góc mở a hẹp a <1800 Trong một chu kỳ điện áp nguồn hệ thống thường tạo ra nhiều xung điều khiển gây tổn thất phụ trong mạch điều khiển Đảo chiều khó khăn chỉ phù hợp hệ thống có công suất nhỏ II.2.1.4 Đánh giá chọn hệ thống điều khiển Từ những phân tích cụ thể đối với từng hệ thống điều khiển .Ta thấy hệ thống điều khiển pha đứng có nhiều ưu điểm phù hợp với công nghệ của đề tài .Do đó ta chọn hệ thống điều khiển pha đứng để thiết kế cho hệ thống . II.2.2 THIẾT KẾ MẠCH ĐIẾU KHIỂN II.2.2.1 Khối đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa (ĐBH-FSRC) a) Mạch đồng bộ hoá và mạch phát sóng răng cưa Sơ đồ nguyên lý: b) Nguyên lý hoạt động: Sơ đồ này sử dụng khuếch đại thuật toán(KĐTT) ghép với tụ C tạo thành một mạch tích phân,hoạt động của khâu này như sau: giả thiết Tr khoá tụ C được nạp bởi dòng đầu ra của (KĐTT) dòng nạp được xác định (ic=-i1+iv) nếu (KĐTT) là lý tưởng thì điện trở của nó bằng vô cùng dẫn đến dòng iv và iv+ bằng không do vậy ic=-i1 mặt khác i1 I = const . Điều này nghĩa là khi Tr khoá thì tụ C được nạp với dòng không đổi có giá trị I Từ w t=0 thì Uđb=0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương dẫn đến D mở mạch gốc phát bị đặt điện áp ngược Tr khoá tụ C được nạp với dòng không đổi . Điện áp trên tụ tăng dần theo quy luật tuyến tính Đến w t=p và bắt đầu chuển sang âm D khoa Tr mở tụ C phóng điện nhanh qua Tr đến điện áp bằng không và giữ nguyên giá trị băng không cho tới khi w t=2p . Tai w t=2p điện áp đồng bộ bằng không và bắt đầu chuyển sang dương D lại mở Tr lại khoá tụ C được nạp điện như khi w t=0 Hình : Giản đồ điện áp khâu phát sóng răng cưa c) Nhận xét: Sơ đồ này có ưu điểm là dạng điện áp tựa rất chính xác , dung lượng của tụ C cần rất nhỏ nên không cần điện trở bảo vệ Tr. Mặt khác, do điện trở đầu ra của IC nhỏ nên dạng điện áp ra hầu như không phụ thuộc vào điện trở tải mắc ở đầu ra của IC . Điện áp ra có dạng gần lý tưởng. II.2.2.2 Mạch so sánh Khối so sánh dựng để so sánh tớn hiệu điện áp ra sau kii ĐBH&PSRC (urc) với điện áp điều khiển một chiều (Uđk). Hai tín hiệu này đựơc mắc sao cho tác dụng của chúng đối với đầu vào khâu so sánh là ngược chiều nhau. Chính qua khối này sẽ quyết định thời điểm xuất hiện xung để kích mở Thyristor. Cụ thể thực hiện khối so sánh theo nhiều mạch khác nhau nhưng phổ biến nhất hiện nay là các sơ đồ so sánh dựng Transistor và dựng bộ khuếch đại thuật toán bằng vi điện tử. Ta có mạch so sánh sau: Kết quả đầu ra khối so sánh ta thu được dạng xung điện áp ra như hình 2.8. Hình 2.8. II.2.2.3Khối tạo xung (TX) Mạch sửa xung Sơ đồ nguyên lý (H.35) * Nguyên lý làm việc Giả thiết sơ đồ làm việc xác lập trước thời điểm xét . Từ t=0¸t1 xung vào có giá trị dương trước đó tụ C2 đã được nạp đầy đến trị số.trong quá trình này Tr6 luôn mở cho nên usx nhận giá trị logic ‘0’ và điện áp trên tụ giử nguyên giá trị cho đến t1 . Từ t =t1¸t2 xung vào có giá trị âm tụ C2 phóng điện theo đường : +C2®R11 ®D1 ®- C2 khi D1 thông Tr6 bị phân cực ngược nên ubeT6 0 và Tr6 mở bảo hoà và mất xung ra usx nhận giá tri lôgic ‘0’ điện áp trên tụ giử nguyên giá trị cho đến t2 . Từ t = t2¸ t3 xung vào có giá trị dương tụ C2 phóng điện theo đường: +C2 ® RbeT6 ® nguồn ® IC2 ® R11 ®-C2 điện áp trên tụ giảm về không và được nạp theo cực tính ngược lại dòng nạp cho tụ C2 : +ucc ® IC2 ®R11 ®C2 ®RbeT6 ® mass .điện áp trên tụ tăng dần đến trị số.trong quá trình này Tr6 luôn mở cho nên usx nhận giá trị logic ‘0’ và điện áp trên tụ giử nguyên giá trị cho đến t3 . Từ t =t3¸t4 xuất hiện xung âm quá trình làm việc lặp lại giống như thời điểm từ t =t1¸t2. 4. Mạch khuyếch đại và truyền xung Sơ đồ nguyên lý (H.38) Giới thiệu sơ đồ BAX : Biến áp xung Tr7,Tr8 : Hai Tranzitor mắc theo sơ đồ darlington tương đương vơi 1 Tranzitor có hệ số khuyếch đại b =b1. b2 D4 ,D5 : Là các điôt bảo vệ Tranzitor và biến áp xung D6 : Để dẩn xung dương. Nguyên lý làm việc ² Từ t=0¸t < t1 chưa có xung vào nên Tr7 và Tr8 chưa làm việc .Không có dòng điện nào chạy trong cuộn sơ cấp BAX nên không có xung điện áp trên cuộn thứ cấp BAX nên uđkT =0 . ² Tại t=t1 xuất hiện một xung điện áp dương dẩn đến Tr7 và Tr8 mở (giả thiết là mở bảo hoà ).Trên cuộn sơ cấp W1 của BAX đột ngột được đặt điện áp =ucc.Xuất hiện dòng điện qua cuộn sơ cấp W1 của BAX tăng dần (dòng đi qua cuộn W1 từ phía cực tính có dấu ‘*’ sang phía không ‘*’dẩn đến trên cuộn thứ cấp W2 xuất hiện mmột xung điện áp có cựcc tính dương ở ‘*’ .Xung trên cuộn thứ cấp W2 đặt thuận lên D6 và truyền xung qua D6 đến cực điều khiển G và Katôt K của Tiristo hay uđkT > 0 . ² Đến t=t’1= t1+tsx thì mất xung vào Tr7 và Tr8 cùng khoá lại dòng qua cuộn sơ cấp giảm về không .Do sự giảm qua cuộn sơ cấp BAX nên từ thông trong lỏi thép BAX biến thiên theo chiều ngược lại với lúc Tr7 và Tr8 mở dẩn đến trong các cuộn dây BAX xuất hiện sức điện động (Sđđ) với cực tính ngược lại . Sđđ tự cảm này chống lại sự biến thiên của dòng điện qua cuộn sơ cấp BAX . Xung trên cuộn thứ cấp phân cực ngược làm cho D6 khoá,điện áp uđkT = 0 xung náy được dập tắt trên điôt D5 .Lúc này trên cuộn sơ cấp BAX điot D4 được phân cực thuận nhờ Sđđ tự cảm sinh ra nên D4 thông dập tắt ngay Sđđ tự cảm sinh ra trên cuộn sơ cấp BAX .Ở trường hợp này độ rộng xung ra bằng độ rộng xung vào : txr = tsx . 5.Khối tổng hợp và khuyếch đại trung gian (KĐTG) Do yêu cầu công nghệ là phải có chất lượng cao nên ta phải sử dụng các mạch vòng phản hồi vì vậy cần phải có mạch vòng tổng hợp các tín hiệu . Mặt khác để nâng cao độ cứng đặc tính cơ hệ kín nên cần phải khuyếch đại tín hiệu . Khâu tổng hợp khuyếch đại tín hiệu bao gồm : Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm tốc độ Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm dòng có ngắt a) Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm tốc độ Sơ đồ nguyên lý Để lấy tín hiệu phản hồi ta sử dụng máy phát tốc FT nối với động cơ một chiều Đ và bộ phân áp WR và R20 để đo điện áp một chiều như hình vẽ Tín hiệu phản hồi này được đưa vào khâu tổng hợp tín hiệu cùng tín hiệu chủ đạo . Mạch tổng hợp này bao gồm các vi mạch khuyếch đại thuật toán IC3 và các phần tử khác phục vụ cho khâu tổng hợp như hình vẽ Nguyên lý làm việc Đầu vào khâu khuyếch đại bao gồm tín hiệu chủ đạo ucđ và tín hiệu phản hồi âm tốc độ uph = gn, UvIC3=Ucđ - .Tín hiệu này được đưa vào đầu vào đảo IC3 sau đó được khuyếch đại .tín hiệu ra IC3 ngược dấu với tín hiệu vào IC3 .Tín hiệu ra được đưa đến điều khiển chỉnh lưu uđk . Vậy ta có: UvIC3 = Ucđ- gn ; UIC3 = -K3.(ucđ- gn ) = Udk với K3 là hệ số khuếch đại của IC3. Với hệ điều tốc vòng kín có phản hồi âm tốc độ(g ≠ 0) thì độ sụt tốc độ sẽ giảm khi tăng g.K, tức tăng hệ số phản hồi hoặc tăng hệ số khuếch đại hệ thống hở.Nếu đạt điều kiện g.K ®¥ thì Dn®0 (không còn sai lệch và đặc tính tuyệt đối cứng). Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm dòng Sơ đồ nguyên lý Nguyên lý làm việc Tín hiệu phản hồi âm dòng - b.Iư được đưa vào đầu vào đảo của IC4 thông qua điện trở R23.Tín hiệu phản hồi dòng điện b.Iư qua điện trở R23 . Tín hiệu đặt được so sánh -ucđ qua điện trở R22. * Khi làm việc bình thường thì (Ucđ - b.Iư< 0)chưa xẩy ra quá tải thì khâu phản hồi dòng không làm việc cho nên không tác động vào hệ thống . Khi xẩy ra quá tải lớn thì b.Iư tăng lên cho Udk=Ucđ - b.Iư giảm làm cho góc điều khiển tăng mà ud = f(a) hay điện áp đặt lên phần ứng động cơ giảm do đó tốc độ động cơ giảm để giữ ổn định. 5. Mạch tạo nguồn nuôi và tín hiệu chủ đạo Để tạo điện áp một chiều ổn định cung cấp cho mạch điều khiển và mạch tạo điện áp chủ đạo .Ta thiết kế mạch như sau . Mạch tạo nguồn nuôi ta sử dụng hai sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha bằng điôt.Điện áp sau khi được chỉnh thành điện áp một chiều được lọc qua tụ C13 , C15 sau đó được ổn áp bằng 2 IC ổn áp 7815 (+15V) và7915 (-15V) .Tín hiệu này tiếp tục được lọc nhờ tụ C14 , C16 sau khi qua bộ lọc ta được tín hiệu điện áp nguồn nuôi là (+15V) và (-15V) . Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ (H.43) PHẦN III TỔNG HỢP CÁC MẠCH VÒNG TỐC ĐỘ VÀ DÒNG ĐIỆN Nội dung chính của phần III 1) Giới thiệu chung 2) Mô hình toán học hệ chấp hành T-Đ 1. Mô hình toán học động cơ một chiều, kích từ độc lập 2. Mô hình toán học bộ chỉnh lưu có điều khiển 3) Cấu trúc hệ điều khiển và phương pháp tổng hợp các mạch vòng 1.Tổng hợp mạch vòng dòng điện 2.Tổng hợp mạch vòng tốc độ. 4) Kết luận III.1. Giới thiệu chung Ngày nay các hệ điều khiển tốc độ, đặc biệt là các hệ điều khiển công suất lớn, hệ truyền động một chiều kiểu T-Đ đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi vì nó đảm bảo tốt các chỉ tiêu tĩnh và động của hệ thống, dễ dàng thực hiện các truyền động có công suất lớn và tính bền vững cao. Cấu trúc chung của hệ điều khiển tốc độ gồm hai mạch vòng từ trong ra ngoài là: mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ như sau: Hình 3 - 0 Sơ đồ cấu trúc chung của hệ điều chỉnh tốc độ sử dụng hệ chấp hành T-Đ III.2. Mô hình toán học hệ chấp hành T - Đ III.2.1. Mô hình toán học động cơ một chiều, kích từ độc lập Sơ đồ mạch thay thế động cơ một chiều kích từ độc lập được đưa ra như trên hình 3-2. Trong đó : Uk , Ik : Điện áp và dòng điện kích từ. Ruđ, Lưđ : Điện trở, điện cảm phần ứng. M : Mômen của động cơ một chiều. Mc : Mômen tải. Hình 3 – 2: Sơ đồ mạch thay thế động cơ một chiều. Điện áp và dòng điện kích từ tính theo các công thức sau: Uk =Rk . ik + Lk . (2 - 1) I(p) = (2 - 2) Trong đó : Tk = : Hằng số thời gian mạch kích từ , thông thường Tk =100 (ms) đến 600 (ms) Trên hình 3 - 3 là sơ đồ thay thế mạch điện phần ứng : U – E = R . ( 1 + p . Tư ) . I (2 - 3) Hình 3 – 3 : Là sơ đồ thay thế mạch điện phần ứng động cơ. Tư = : hằng số thời gian phần ứng. Hình 3-4: Là mô hình tuyến tính hóa động cơ điện một chiều Khi = const: Dùng khâu khuyếch đại K thay cho khối nhân phi tuyến: Hình 3-5: Mô hình tuyến tính Đặt: Cu = K= const ta có mô hình tuyến tính như trên hình 3-5. Từ mô hình trên hình 1-5 ta tính được: U – Cu. = R.I(1+p.Tư) (2-4) = U - (Cu.I – Mc) = R.I(1+p.Tư) U + = R.I(1+p.Tư + ) = Vậy ta có: I = (2-5) Hình 3 – 6: Mô hình tuyến tính hoá mô phỏng động cơ một chiều kích từ độc lập Gọi Tc = là hằng số thời gian điện cơ, ta có mô hình dòng điện của động cơ một chiều như trên hình 3-6. III.2.2. Mô hình toán học bộ chỉnh lưu có điều khiển Mô hình toán học của bộ chỉnh lưu có điều khiển. Mạch điều khiển biến đổi điện áp một chiều Uđk thành xung điện áp có góc a thích hợp đưa vào mở thyristor cấp nguồn cho động cơ. Hình 2-7:Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu có điều khiển Khi ở đầu vào biến thiên một lượng DUđk thì ở đầu ra biến thiên một lượng DUd . Tín hiệu ra bị trễ so với tín hiệu vào Dt = Uđ(t) = Kcl . Uđk . I [t –Tv ] (2-6) Trong đó: w : tốc độ góc của điện áp lưới. Tv : thời gian trễ của van. Hàm truyền của bộ chỉnh lưu có điều khiển khi bỏ qua phần phi tuyến: Wd(p) = = Kcl. = (2-7) III.3. Cấu trúc hệ điều khiển và phương pháp tổng hợp các mạch vòng Trong hệ điều chỉnh có hai mạch vòng: Mạch vòng dòng điện, mạch vòng tốc độ. Hệ thống truyền động này bắt buộc phải đảo ngược chiều được. Quan hệ giữa w và j : j = j0 + dt (2-8) III.3.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện Trên hình 3-8 là sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện . Trong đó : Tư:Hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng . R=Rb+Rk+Rưd+Rs L=Lb+Lk+Lưd Ki=Rs: Điện trở của sensor Ti=R.C: Hằng số thời gian của sensor dòng điện Từ sơ đồ trên hình3-8 và hình 3-9 ta có hàm truyền của đối tượng điều khiển của mạch vòng điều chỉnh dòng điện. ; (2-9) Trong đó: Tđk » 100 ms , Tv » 2,5ms , Ti » 2 ms , Tư » 100 ms Thay Tsi=Ti+Tv+Tđk<< Tư , bỏ qua các hệ số bậc cao ta có : (2-10) Hình 3-8 Là sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Viết gọn lại ta có sơ đồ như trên hình 3-9 Hình 3 – 9 Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu mô đun ta có hàm truyền của hệ thống kín: FoMi(p) = (2-11) Mặt khác trên hình 2-10 ta có: Ri(p)= Chọn ts = min(Tsi,Tư) = Tsi Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện: (2-12) Ri(p) là khâu tỉ lệ – tích phân(PI). Kết quả khi tổng hợp mạch vòng dòng điện bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có công thức (2 -13) như sau: Hình 3-10 Vậy sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh còn lại như hình 3-10, trong đó ta lấy hàm truyền đạt của mạch vòng dòng điện là khâu quán tính bậc nhất , bỏ qua các bậc cao. III.3. Tổng hợp mạch vòng tốc độ Viết gọn sơ đồ hình 3-10 ta có sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ như trên hình 3-11: (2-14) Với Tsw=2.Tsi+Tw® Tsw rất nhỏ. Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môdun : Hình 3-12 Chọn ts=Tsw Ta có: (2-16) Vậy Rw(p) là khâu tỷ lệ của (p). Tiêu chuẩn này được sử dụng khi hệ thống khởi động đã mang tải, lúc đó ta không coi ic là nhiễu nữa. Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng : (2-17) Chọn ts=Tsw ta có: (2-18) Vậy Rw là khâu tỷ lệ _ tích phân (pI). Đó là khâu vô sai cấp hai đối vơi đại lượng dặt và vô sai cấp một đối với đại lượng nhiễu Ic. III.4. Kết luận Qua phần 3 đã cho ta cách nhìn tổng quan về hệ điều khiển tốc độ sự ứng dụng rộng rãi và phổ biến của hệ điều khiển tốc độ trong công nghiệp . Hệ điều khiển tốc độ tuyến tính được thiết kế theo phương pháp kinh điển đó đã được tổng hợp dựa vào các tiêu chuẩn tối ưu môdunl và tối ưu đối xứng nhằm đạt được chất lượng điều khiển tốt nhất đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng cao và rất cao về thời gian quá độ ngắn, độ chính xác cao… trong yêu cầu công nghệ hệ truyền động một chiều có đảo chiều quay động cơ một chiều kích từ độc lập. PHẦN IV TÍNH CHỌN THIẾT BỊ Trong việc chọn thiết bị ở các hệ thống truyền động điện có ý nghĩa rất quan trọng. Mục đích của nó là để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống với vốn đầu tư tối thiểu. Trong đó việc chọn công suất động cơ có ý nghĩa quan trong. Nếu chọn công suất động cơ lớn hơn công suất yêu cầu thì làm tăng vốn đầu tư, động cơ làm việc non tải không tận dụng được hết khả năng phát nhiệt (chịu nhiệt) dẫn đến làm giảm hiệu xuất của hệ thống, hệ số công suất cos j thấp làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Ngoài ra việc chọn các thiết bị khác cũng phải phản ảnh được chế độ làm việc và đảm bảo các tính năng kinh tế và kỹ thuật tận dụng khả năng làm việc của các thiết bị. I. Chọn động cơ Theo đề tài đã cho ta có số liệu động cơ như sau: Mã hiệu Pđm (kw) Uđm (V) Iđm (A) n(v/p) RưS(W) LưS(mH) GD2(Kg.m2) p-42 4,5 220 25,4 1500 0,795 0,0329 0,18 II. Chọn máy biến áp cung cấp Trong các thiết bị chỉnh lưu người ta dùng máy biến áp (MBA) để tạo ra điện áp thích hợp, tao ra số pha cần thiết, cách li phụ tải với lưới điện, cải thiện dòng điện sơ cấp hạn chế dòng ngắn mạch. Để chọn MBA chỉnh lưu dựa vào sức điện động thứ cấp, điện áp sơ cấp và công suất tính toán cần thiết. Điện áp sơ cấp lấy theo lưới điện, sức điện động thứ cấp và công suất tính toán được xác định từ điện áp dòng điện chỉnh lưu và sơ đồ nối van. Các bước tính toán: -Chọn điện áp thứ cấp máy biến áp: U2đm ³ k1.k2.k3.k4.Uđm Trong đó: k1: Hệ số sơ đồ, với sơ đồ cầu một pha k1 = k2= (1,05 ¸ 1,1), chọn k2 =1,1 k3= (1 ¸ 1,15) là hệ số tính đến amin = (00 ¸ 300) , chọn k3=1 k4: Hệ số tính đến sụt áp tổng trong bộ biến đổi tương ứng với tải cực đại cho phép, k4 =(1,1 ¸ 1,2) chọn k4 =1,2. ÞU2đm ³ k1.k2.k3.k4.Uđm = 1,11.1,1.1.1,2.220 » 322 (V) Chọn U2đm = 320 (V) -Dòng thứ cấp: Với dòng tải định mức là Iđm = 25,4 (A) I2tt= (A) I2đm ³ kdt.Itt =1,2. Itt Với kdt =1,2 tính đến tổn thất phụ do các thành phần dòng xoay chiều trong phụ tải gây nên. -Điện áp sơ cấp chọn bằng điện áp dây của đường dây 3 pha: U1đm =380 (V). -Dòng sơ cấp: I1đm= Công suất phía sơ cấp MBA S1=U1đmI1đm= kBAU2đmI1đm= =1,11Pd Công suất phía thứ cấp MBA S2=U2I2= U2I2= =1,11Pd Công suất tính toán MBA S= = (kVA) Tỉ số máy biến áp kba= = 0,84 Điện trở quy đổi về phía thứ cấp của máy biến áp là: RBA III. Chọn van Thyristor và điốt Thyristor và điốt là phần tử dùng để biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều. Chúng là thiết bị bán dẫn khả năng quá tải kém. Đối với Thyristor, nó bị hạn chế bởi sự đốt nóng tiếp giáp n-p. Vì vậy việc chọn Thyristor phải thoả mãn điều kiện: Van được chọn theo dòng điện trung bình dài hạn qua nó và điện áp ngược cực đại đặt lên van. Khi biết dòng điện và điện áp của phụ tải ta xác định được dòng điện và điện áp ngược yêu cầu đối với Thyristor tuỳ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu. Để tăng độ tin cậy khi tính chọn phải chú ý đến các hệ số an toàn về dòng điện (ku) và (ki) điện áp. Các bươc tính toán như sau: 1.Van không điều khiển Dòng chạy qua điốt ứng với góc mở a=p ta có = 25,4 (A) Điện áp ngược lớn nhất mỗi điôt phải chịu UDmax=Ud=.380 =537,4 (V) Chọn điốt sao cho [ ID ] ³ ki. IDmax = 1,3.25,4 = 33 (A) [ UD ] ³ ku. UDmax=1,5.537,4 = 806,1 (V) Căn cứ vào số liệu trên ta chọn được điốt Mã hiệu Umax (V) Itb (A) B-200 100¸1000 200 2.Van có điều khiển Dòng chạy qua Tiristor ứng với góc mở a=0 ta có =12,7 (A) Điện áp ngược lớn nhất mỗi van phải chịu UTng.max = Ud= .220= 311,26 (V) Chọn Thyristor sao cho [ IT ] ³ kiITmax = 1,2.12,7 = 15,24(A) [UT ng.max] ³ kuUTmax=1,5.311,26=466,89(A) Căn cứ vào số liệu trên ta chọn được Thyristor Mã It.b Ui.m DU toff Ig Ug di/dt du/dt hiệu A kV V ms A V A/ms V/ms T -50 50 0,05¸1 0,85 25-200 0,3 7 10 20 Tính chọn cuộn kháng lọc san bằng Cuộn kháng san bằng được nối tiếp với phần ứng động cơ có tác dụng làm nhỏ thành phần xoay chiều của điện áp đầu ra BBĐ . Do đó cuộn kháng san bằng được chọn theo những yêu cầu sau . Đảm bảo cho bộ chỉnh lưu làm việc liên tục trong một giới hạn cho phép Hạn chế dòng xoay chiều bậc cao không quá (3 ¸ 5)%Iđm . Điện kháng tổng Trong đó P =2m :tần số đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ nguồn xoay chiều . w = 314 (rad/s) : Tàn số góc của sóng hài cơ bản bậc 1 Io = 5% Iđm . U12 : Biên độ sóng hài cơ bản của điện áp chỉnh lưu Lck = LS - Lư – Lba =0,0604 – 0,0329 = 0,0275(H) Điện trở cuộn kháng san bằng ; 4.1.5 Tính chọn mạch R-C bảo vệ cho các Tiristo Quá trình chuyển đổi giữa các van có thể gây ra sự thay đổi đột ngột giữa điện áp du/dt và di/dt .Để bảo vệ các van khỏi bị đánh thủng ta dùng mạch R –C mắc song song với các van .Với cách mắc này khi có sự thay đổi trong van thì sự thay đổi của điện áp du/dt sẽ được hạn chế giảm nhỏ thông qua mạch R-C . Mạch R-C có tác dụng rẽ mạch dòng điện ngược đặt lên van khio đó dòng điện ngược sẽ phóng qua tụ C và tiêu tán trên điện trở R. Trị số của R – C được chọn theo công thức như sau : Năng lượng tích luỷ trên phần ứng động cơ Ixm : Dòng điện gia tốc trong mạch thường lấy Ixm = Iđm =25,4 (A) Tụ C thường dược chọn theo công thức : Wc : Năng lượng trên tụ C thường lấy Wc =0.4 (J) UTthmax = U2 = 320 = 783,836(V) Hiệu quả ngăn chặn sự cố của mạch R-C được đặc trưng bởi tỉ sốtheo kinh ngiệm ta chọn = 0,65 4.1.6 Tính chọn áptômát Áptômát được sử dụng để đóng cắt nguồn ngoài ra nó còn có tác dụng bảo vệ sự cố ngắn mạch hoặc quá tải có thể xẩy ra trong hệ thống. Điều kiện chọn như sau : IđmAT ³ Ilvmax = 1,4.I1đm = 1,4.30,238 = 42,3332 (A) UđmAT ³ Uđmmạng =380 (V) Tra bảng PL 3.5/T352-Thiết kế cung cấp điện ta chọn áptômát có thông sô kỷ thuật như sau : Loại Kiểu Số cực Iđm (A) Uđm (V) IN (KA) 50AF ABE53a 3 50 600 2,5 4.1.7 Tính chọn máy phát tốc Máy phát tốc được dùng trong hệ thống dể làm khâu phản hồi âm tốc độ .Nó được nối cứng với trục động cơ chấp hành hoạc qua hộp tốc độ . Dựa theo yêu cầu công nghệ ta chọn máy phát tốc có thông số như sau Loại Pđm Uđm Iđm nđm RưS W V A v/ph W PT32/1B4Y 115 230 0,5 1000 7,34 Ta có tỉ số truyền giữa máy phát tốc và động cơ : Hệ số khuyếch đại của máy phát tốc Ta lấy một phần điện áp ra của máy phát tốc đưa tới bộ khuyếch đại trung gian (KĐTG) làm tín hiệu phản hồi âm tốc độ . Ta chọn Uph = 12 (V) .Khi tốc độ định mức thì hệ số phản hồi được tính (V.ph/vg) II.TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.2.1 Tính chọn hệ số khuyếch đại của bộ KĐTG a) Xác định hệ số khuyếch đại của hệ thống Từ sơ đồ nguyên lý ta có sơ đồ cấu trúc của hệ thống (chỉ có mạch vòng phản hồi âm tốc độ như sau ). Phương trình đặc tính cơ của hệ thống n = [(ucđ - gn).kTG.kBBĐ - RưS.Iư)].kĐ = ((ucđ - gn).k. - RưS.Iư.kĐ (1) Trong đó : k=kTG.kBBĐ.kĐ :hệ số khuyếch đại của hệ thống kTG : hệ số khuyếch đại của bộ khuyếch đại trung gian kBBĐ : hệ số khuyếch đại của bộ biến đổi kĐ : hệ số khuyếch đại của động cơ Hệ số khuyếch đại ‘k của hệ thống được xác định như sau : Ta có (2) [St] :là lương sai lệch tĩnh cho phép của hệ thống [St] £3% D : là dải điều chỉnh Mặt khác : (3) thay (3) vào (2) ta được : từ (1) ta có Trong đó : g = 0,008 : là hệ số phản hồi âm tốc độ RưS = Rư +RBA +Rck =0,795 +0,0248+ 0,2598 = 1,0796 (W) D = 80 ;[St] =6% ; Iư = 25,4(A); Xác định hệ số khuyếch đại của BBĐ Để xác đinh hệ số khuyếch đại của BBĐ ta có: Ud =Udm+20% ® Ud = 220 +220.0,2=264 (v) Udk= 10 (v) Vậy : Ta có : k=kTG.kBBĐ.kĐ Nên Vậy hệ số khuyếch đại của bộ KĐTG là : kTG = 105,38 4.2.2 Tính chọn biến áp xung Yêu cầu đối với biến áp xung là phải tạo được xung theo yêu cầu, cách ly mạch điều khiển với mạch lực dể dàng phân bố xung tới các cực điều khiển để mở các Tiristo . Chọn tỉ số máy biến áp xung Thông thường máy biến áp xung được thiết kế có tỉ số niến áp là n = 2¸3 vậy ta chọn n = 2. Khi tính chọn ta chọn Tiristo có Uđk = 7 (V) ; Ig = 0,3 (A) nên ta chọn U2 = 7 (V) ; I2 = 0,3 (A). Do đó điện áp đặt lên cuộn sơ cấp là : U1 = 2U2 = 14 (V) Mạch từ của BAX chọn vật liệu là Э330 hình chử E có 3 trụ làm việc trên một phần đặc tính từ hoá DB = 0,7(tesla), DH=50(A/m). Độ từ thẩm của lỏi sắt từ : Vì có khe hở nên phải tính từ thẩm trung bình sơ bộ chiều dài đường sức từ l= 0,1(m) khe hở lkh = 10-5(m) Thể tích lỏi sắt từ : (cm3) Trong đó : Q : là tiết diện lỏi sắt :là dòng thứ cấp quy đổi về phía sơ cấp BAX Tra bảng II-2 Điện tử công suất ta chọn kích thước chuẩn của máy biến áp xung như sau. Q = 9,22 (cm2) l =10,03 (cm) a= 1,2 (cm) c= 1,2 (cm) h= 3 (cm) H = 4,2 (cm) C = 4,8 (cm) B = 1(cm) P = 5 (W) Số vòng dây cuộn sơ cấp BAX (vòng) Với k = 0,76 :là hệ số lấp đầy ® Số vòng dây cuộn thứ cấp BAX (vòng) 4.2.3 Tính chọn tầng khuyếch đại cuối cùng Tầng khuyếch đại xung sử dụng 2 Tranzitor mắc theo sơ đồ Darlington. Một có công suất lớn ,một có hệ số khuyếch đại dòng lớn . Chọn Tr8 = P605 làm việc ở chế độ xung có UCE =40 (V) ,Icmax = 1.5(A) ,b = 20¸60 chọn ,Ic =0,3 (A) ,b = 20 . (mA) Nếu dòng Ic càng nhỏ thì các xung ít mất đối xứng vì vậy ta thường chọn thêm tầng khuyếch đại trung gian .Chọn Tr7 =MP25 có UCE =40 (V) ,Icmax = 300 (mA) , b = 13¸25, Ic =30(mA) ,b = 15 (mA) 4.2.4 Tính chọn khâu đồng bộ hoá Ở hệ thống này ta thiết kế 3 kênh điều khiển dùng máy biến áp đồng bộ 3 pha kết. Máy biến áp đồng bộ là máy biến áp 3 pha nối Y/Yo có điện áp thứ cấp là U2đm = 24 (V) .Trên biến áp có đặt thêm 3 cuộn dây thứ cấp để lấy điện áp nguồn nuôi .Ta đã chọn công suất mổi máy BAX là 5(W) trong sơ đồ ta sử dụng 2 BAX ,và tính toán đến công suất nguồn nuôi cho các khối khác .Như vậy chọn sơ bộ công suất của máy biến áp đồng bộ là 10 (W) 4.2.5 Tính chọn mạch phát sóng răng cưa Ta có : (V) ® Với Ucc=15 (V) ;Urc = 12 (V) ;tn = 0,01 (s) (s) Chọn C1 =10-6 (F) (W) Chọn R7 = 10000 (W) ,WR1 = 2500 (W). Khuyếch đại thuật toán chọn loại mA741 thông số như sau : Ao 100 Hệ số khuyếch đại điện áp hở mạch Zmin 1MW Trở nháy vào Zo 150W Trở nháy ra Ib 200mA Dòng điện phía cực vào UminV Điện áp vào cực đại UminR Điện áp ra vào cực đại Uco 2(mV) Điện áp lệch đầu vào Ung Ngưỡng điện áp bảo hoà USmax Điện áp nguồn cực đại fo 1Mhz Tần số cắt Thông số tính toán Pđm Công suất định mức =4,5 (Kw) nđm Tốc độ định mức = 1500 (v/ph) Uđm Điện áp phần ứng định mức = 220 (V) Iđm Dòng điện định mức động cơ = 25,4(A) Lưå Điện cảm phần ứng động cơ = 0,0329 (H) Rưå Điện trở phần ứng động cơ = 0,795 (W) Ti Hằng số thời gian của khâu phản hồi dòng = 0,002 (s) Tv Hằng số thời gian bộ chỉnh lưu = 0,0033 (s) Tđk Hằng số thời gian mạch điều khiển bộ chỉnh lưu = 0,0025 (s) Tw Hằng số thời gian máy phát tốc = 0,003 (s) : Hệ số cấu tạo của động cơ GD2 =0,18 (kg.m2) Tốc độ góc w = wđm = (rad/s) Ke = 1,05.K Mđm = Pđm/wđm = 4500/157 =28,66 (Nm) Cu = Mđm/Iđm =28,66/25,4=1,12 Tư = (s) Từ sơ đồ cấu trúc điều khiển ta có Uđ = Kcl.Uđk Chọn Uđk = 10 (V) Kcl = 26,4 Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện Tsi = Ti + Tv + Tđk =2ms + 3,3ms + 2,5ms =7,8.10-3s Tư = 0,0414(s) Rư = 0,795 (W) Kcl = 26,4 Chọn Uiđ = 12 (v) Với Ki = Þ Tính hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ. Từ sơ đồ cấu trúc điều khiển ta cỳ Uđw = w.Kw Chọn Uđw = 10 (V) Þ Kw = Tsw = Tw + 2.Tsi =0,003 +2.14,5.10-3 = 0,032 (s) Tw = 3 ms Tsi =14,5.10-3 s (s) Rw = PHẦN VI THUYẾT MINH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ Máy biến áp động lực 2-Làm nhiệm vụ cung cấp điện áp phù hợp cho bộ chỉnh lưu cầu một pha. Tạo ra số pha phù hợp cho bộ biến đổi . Aptômát AB Dùng để cắt nguồn, bảo vệ quá tải, ngắn mạch cho mạch động lực. Máy phát tốc. Làm nhiệm vụ duy trì và ổn định tốc độ,tạo mạch vòng phản hồi âm tốc độ. Nâng cao độ cứng đặc tính cơ. Bộ khuếch đại trung gian. Tổng hợp tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi lượng dư được khuếch đại để điều khiển nhằm thay đổi giá trị điện áp ra của bộ biến đổi . bộ biến đổi cầu một pha (dùng 2 Tiristor+ 2 Diot) Dùng để biến điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều cung cấp cho động cơ. cuộn kháng lọc . Dùng để lọc sóng hài bậc cao sau chỉnh lưu, tạo ra dòng bằng phẳng cấp cho động cơ . động cơ chấp hành . Là đối tượng điều chỉnh đáp ứng yêu cầu công nghệ. Các bộ nguồn một chiều. Tạo ra nguồn một chiều ổn định tạo điện áp chủ đạo và nguồn nuôi cho toàn hệ thống điều khiển. Mạch tạo xung . Tạo ra các xung thích hợp về độ lớn cũng như về công suất, tạo độ lệch pha cần thiết đưa tới điều khiển các van mạch động lực. Quá trình điều chỉnh tốc độ. Để điều chỉnh tốc độ động cơ ta tiến hành điều chỉnh điện áp đặt lên phần ứng động cơ nhờ điều chỉnh góc mở của các tiristor. Như vậy, quá trình điều chỉnh tốc độ động cơ thục chất là quá trình điều chỉnh góc mở của các tiristor . Muốn thay đổi góc mở này ta thay đổi điện áp đầu vào của bộ khuếch đại trung gian (bằng cách thay đổi điện áp chủ đạo nhơ biến trở con trượt). ở chế độ tĩnh ta đặt điện áp chủ đạo bằng một giá trị nào đó tới đầu vào của bộ khuếch đại trung gian . Qua bộ khuếch đại trung gian tín hiệu sẽ đưa ra với độ khuếch đại lớn(điện áp điều khiển) và được so sánh vớ điện áp răng cưa ở khâu so sánh. Tại thời điểm mà |UĐK |³|Urc| xung ra của khâu so sánh được đưa tới mạch sửa xung, mạch khuếch đại xung và đưa tới điều khiển các tiristor . Ta thấy rằng, góc mở các tiristor lớn hay nhỏ hoàn toàn phụ thuộc vào UĐK mà không phụ thuộc vào Urc. Như vậy, khi điện áp Ucđ tăng lên sẽ làm UĐK giảm xuống(do Ucđ đặt vào cực gốc của Tr6 lớn sẽ làm Tr6 mở nhiều nên dòng qua nó lớn dẫn đến sụt áp trên cực góp Tr6 lớn. Vì vậy UĐK giảm xuống) tạo thời gian xuất hiện xung sớm hơn (góc mở tiristor giảm xuống), điện áp đặt vào phần ứng động cơ tăng (do Ud=[Ud0(1+cosa)/2] (V) )và ngược lại. Giả sử động cơ đang làm việc với tốc độ ổn định , vì một lý do nào đó làm cho tốc độ động cơ giảm xuống(hoặc tăng lên) khi đó Uph=gn giảm xuống(hoặc tăng lên) dẫn đến Uv =Ucđ- Uph tăng lên (hoặc giảm xuống) kéo theo UĐK giảm xuống (hoặc tăng lên). Lúc này, thời điểm xuất hiện góc mở của tiristor sớm (hay muộn) nên điện áp đầu ra của bộ biến đổi tăng(hay giảm) dẫn đến tốc độ động cơ tăng lên(hay giảm xuống) bù lại sự mất ổn định trên. Quá trình hãm dừng động cơ . Khi cắt điện toàn bộ hệ thống ra khỏi lưới điện thì Uưd =0 nhưng do quán tính cơ n ¹0 dẫn đến EĐ ¹0. Lúc này, điện trở hãm RH được đưa vào phần ứng động cơ cho phép dòng chạy qua và tiêu tán năng lượng tích luỹ của động cơ trước đó trên RH , quá trình hãm xảy ra nhanh hơn./.