Thiết kế hệ thống truyền động với yêu cầu máy sản xuất

®ang ngµy cµng ®¸p øng ®­îc c¸c yªu cÇu cña c¸c hÖ thèng truyÒn ®éng. ¦u ®iÓm cña viÖc sö dông c¸c linh kiÖn b¸n dÉn mµ lµm cho hÖ thèng trë nªn gän nhÑ h¬n, gi¸ thµnh thÊp h¬n vµ cã ®é chÝnh x¸c t¸c ®éng cao h¬n. Víi nhu cÇu s¶n suÊt vµ tiªu dïng nh­ hiÖn nay, th× viÖc tù ®éng ho¸ cho xÝ nghiÖp trong ®ã sö dông c¸c linh kiÖn gän nhÑ lµ mét nhu cÇu hÕt søc cÊp thiÕt. Sau gÇn 4 n¨m häc tËp vµ nghiªn cøu ë tr­êng, em ®· ®­îc lµm quen víi c¸c m«n häc thuéc ngµnh . §Ó ¸p dông lý thuyÕt víi thùc tÕ trong häc kú nµy chóng em ®­îc giao ®å ¸n m«n häc tæng hîp hÖ ®iÖn c¬ víi yªu cÇu “ ThiÕt kÕ hÖ thèng truyÒn ®éng víi yªu cÇu m¸y s¶n xuÊt “ Víi sù nç lùc cña b¶n th©n vµ sù gióp ®ì tËn t×nh cña thÇy gi¸o h­íng dÉn NguyÔn Ngäc Kiªn vµ c¸c thÇy gi¸o trong bé m«n, ®Õn nay ®å ¸n cña em ®· ®­îc hoµn thµnh. B¶n ®å ¸n cña em gåm hai phÇn chÝnh : PhÇn thuyÕt minh : gåm 8 ch­¬ng: Chương 1: Phân tích, tính toán quy đổi từ máy sản xuất về trục động cơ. Chương 2: Phân tích, chọn loại động cơ truyền động. Chương 3: Phân tích, chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ. Chương 4: Phân tích, chọn BBĐ cấp điện cho động Chương 5: Phân tích, chọn tín hiệu phản hồi và mạch tổng hợp khuếch đại trung gian. Chương 6: Tính chọn thiết bị. Chương 7: Xây dựng đặc tính cơ và kiểm tra chất lượng tĩnh. Chương 8: Thuyết minh nguyên lý làm việc của hệ thống. PhÇn b¶n vÏ : gåm 3 b¶n vÏ khæ A0 1. S¬ ®å nguyªn lý hÖ thèng. 2. Gi¶n ®å dßng, ®iÖn ¸p trªn m¹ch ®éng lùc vµ m¹ch ®iÒu khiÓn. 3. §Æc tÝnh tÜnh hÖ thèng. Do kiÕn thøc chuyªn m«n cßn h¹n chÕ, c¸c tµi liÖu tham kh¶o cã h¹n, nªn ®å ¸n cña em kh«ng tr¸nh khái nh÷ng thiÕu sãt. Em rÊt mong ®­îc sù chØ b¶o, gãp ý cña c¸c thÇy,c« gi¸o cïng c¸c b¹n ®Ó b¶n ®å ¸n cña em ®­îc hoµn thiÖn h¬n. Em xin ch©n thµnh c¶m ¬n c¸c thÇy c« gi¸o trong bé m«n, c¶m ¬n thÇy NguyÔn Ngäc Kiªn ®· gióp ®ì em ®Ó b¶n thiÕt kÕ hoµn thµnh ®óng thêi h¹n. Th¸i nguyªn ngµy Th¸ng n¨m 2007 Sinh viªn thiÕt kÕ Vò v¨n phiªn Chương 1: Phân tích, tính toán quy đổi từ máy sản xuất về trục động cơ. Xuất phát từ những yêu cầu của đề tài, cho các thông số của máy sản xuất. Để dễ dàng cho việc nghiên cứu và tính toán, người ta thường tính quy đổi tất cả các đại lượng về trục động cơ.Nguyên tắc của tính toán quy đổi là đảm bảo năng lượng của hệ trước và sau khi quy đổi không thay đổi. H1.1: Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ hàng. (1)động cơ điện, (2) hộp tốc độ, (3) tang quay, (4) tải trọng. Trong đó: -Jđ, wđ, Mđ : mômen quán tính, tốc độ quay, mômen của động cơ. -Jqđ, Mqđ : mômen quán tính và mômen quy đổi. - i, h : tỉ số và hiệu suất của bộ truyền. - Jt, wt, Mt : mômen quán tính, tốc độ quay, mômen của tang quay. - u, F : là vận tốc dài và lực cản. Theo đề tài ta có: -Mc = const, uđm = 2 m/phút, Pđm = 9 Kw, h = 95%. Ta có : nđm = -Với R : là bán kính tang quay. Ta chọn bán kính tang quay: R = 0.2m nđm = = 96 (v/phút) -Ở đây nđm : là tốc độ định mức của tang quay. a) Xác định tỉ số của bộ truyền: Ta có : i = Trong đó : - nđc = 1500 v/phút : tốc độ quay của động cơ. - nđm = 1.6 v/phút : tốc độ quay của tang quay. Þ i = = 15.625 b) Quy đổi công suất tải về trục động cơ: Ta có : Pđc = Với : Pđm = 9 Kw, h = 95% Pđc = = 9.5 Kw Chương 2: Phân tích chọn loại động cơ truyền động: Trong chương này ta sẽ đưa ra một số loại động cơ có thể được sử dụng để truyền động cho hệ thống.Ta có các loại động cơ: 1: Động cơ xoay chiều. a: Động cơ không đồng bộ : Động cơ không đồng bộ 3 pha được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công suất nhỏ, công suất trung bình và công suất lớn và chiếm tỉ lệ rất lớn trong công nghiệp. Ưu điểm: nổi bật của loại động cơ này là: Cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc; so với động cơ một chiều động cơ không đồng bộ có giá thành hạ; vận hành tin cậy, chắc chắn. Ngoài ra động cơ không đồng bộ dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo. Nhược điểm: của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và không chế các quá trình quá độ khó khăn; riêng với động cơ rôto lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu hơn. Xét về mặt cấu tạo, người ta chia động cơ không đồng bộ làm hai loại: Động cơ rôto dây quấn và động cơ rôto lồng sóc (còn gọi là động cơ rôto ngắn mạch). H2.1: Sơ đồ nguyên lý động cơ không đồng bộ a.1; Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ: M = Trong đó : R1,X1 : điện trở, điện kháng mạch stato. - , : điện trở, điện kháng mạch rôto quy đổi về stato. - Xnm = X1 + : điện kháng ngắn mạch. w1 = : tốc độ của từ trường quay, còn gọi là tốc độ đồng bộ. f1 : tần số của điện áp nguồn đặt vào stato. p : số đôi cực từ động cơ. w : tốc độ góc của động cơ. s = : độ trượt của động cơ. Các điểm cực trị của đường cong được xác định bằng cách giải: = 0 ta được: sth = ± Mth = ± Trong đó: dấu (+) ứng với chế độ động cơ và dấu (-) ứng với chế độ máy phát. H2.2: Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ w = f(M) trong chế độ động cơ a.2; Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ: Trong công nghiệp thường sử dụng bốn hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ: Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ. Điều chỉnh công suất trượt Ps. Điều chỉnh tần số nguồn cung cấp cho động cơ. Þ Tuy nhiên: do nhược điểm của loại động cơ này là điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ gặp khó khăn, mômen khởi động nhỏ, dòng khởi động lớn. Mặt khác do dạng đặc tính cơ có dạng đường cong (h2.2) nên việc ổn định tốc độ gặp khó khăn. Nếu tuyến tình hoá đoạn đặc tính làm việc thì chỉ có thể ổn định tốc độ ở điểm làm việc từ w0 đến điểm A trên hình vẽ còn đoạn đặc tính còn lại động cơ làm việc trong chế độ không ổn định. Ngoài ra do các thông số của máy điện không đồng bộ dễ bị thay đổi do ảnh hưởng của nhiệt độ, tần số… lên việc khảo sát và tính toán các quá trình quá độ của động cơ không đồng bộ gặp rất nhiều khó khăn. Trong thời gian gần đây do sự phát triển của công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kĩ thuật điện tử - tin học động cơ không đồng bộ đã khai thác được các ưu điểm của nó và trở thành hệ truyền động có khả năng hiệu quả với hệ truyền động Tiristo – Động cơ một chiều. Tuy nhiên việc ứng dụng các kỹ thuật mới này còn rất hạn chế ở nước ta do giá thành còn cao. b: Động cơ đồng bộ: Động cơ đồng bộ được sử dụng khá rộng rãi trong những truyền động công suất trung bình và lớn, yêu cầu ổn định tốc độ cao. Động cơ đồng bộ thường dùng cho các máy bơm, quạt gió, các hệ truyền động của nhà máy luyện kim và cũng thường được sử dụng làm động cơ sơ cấp trong các tổ máy phát - động cơ công suất lớn. b.1: Sơ đồ nguyên lý và phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ: Trong đó : w1: là tốc độ đồng bộ. f1: tần số của lưới xoay chiều. p: số đôi cực từ. h2.3: Sơ đồ nguyên lý động h2.4: Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ. cơ đồng bộ. Ưu điểm: của động cơ đồng bộ là có độ ổn định tốc độ cao, hệ số cosj và hiệu suất lớn, vận hành có độ tin cậy cao. Nhược điểm: Động cơ này có nhược điểm là điều chỉnh tốc độ gặp khó khăn do chỉ có phương pháp điều chỉnh duy nhất là biến tần nguồn điện. Tuy nhiên do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử thì nhược điểm này đã được khắc phục bằng các bộ biến tần công nghiệp của các hãng sản xuất thiết bị điện tử công nghiệp nổi tiếng thế giới như : SIEMENT(ĐỨC), OMRON(PHÁP)…. Nhưng do giá thành còn cao cũng như công nghệ truyền thông của nó khá phức tạp nên chúng chưa được sử dụng rộng rãi ở nước ta. 2 : Động cơ điện một chiều. a. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. Đặc điểm của động cơ một chiều kích từ nối tiếp là cuộn dây kích từ mắc nối tiếp cuộn dây phần ứng, nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng. a.1; Sơ đồ nguyên lý: h2.5: Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ nối tiếp. a.2; Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: w = = Trong đó: -A1 = -B = -Uư : điện áp phần ứng (v). -Rư : điện trở mạch phần ứng(W). -K = : hệ số cấu tạo động cơ. -C : là hệ số tỉ lệ của mạch kích từ. a.3: Đặc tính cơ: h2.6: Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp. Nhận xét: Ta thấy đặc tính cơ có dạng hyperbol và mềm ở phạm vi dòng điện có giá trị nhỏ hơn định mức. Ở vùng dòng điện lớn, do mạch từ bão hòa nên từ thông hầu như không đổi và đặc tính có dạng gần tuyến tính. Ngoài ra nhìn vào đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp và cấu tạo của nó ta có nhận xét sau: - Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp mềm và độ cứng thay đổi theo phụ tải. Do đó thông qua tốc độ của động cơ ta có thể biết được sự thay đổi của phụ tải. Tuy nhiên không nên sử dụng động cơ này cho những truyền động có yêu cầu ổn định cao. - Động cơ kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mômen. Nhờ cuộn kích từ nối tiếp nên ở vùng dòng điện phần ứng lớn hơn định mức thì từ thông động cơ lớn hơn định mức, do đó mômen của nó tăng nhanh hơn so với sự tăng của dòng điện. Như vậy với mức độ quá dòng điện như nhau thì động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quá tải về mômen và khả năng khởi động tốt hơn động cơ một chiều kích từ độc lập. Nhờ ưu điểm đó mà động cơ kích từ nối tiếp rất thích hợp cho những truyền động làm việc bình thường có quá tải lớn và yêu cầu mômen khởi động lớn như máy nâng vận chuyển, máy cán thép … - Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng nên khả năng chịu tải của động cơ không bị ảnh hưởng bởi sự sụt áp của lưới điện. Loại động cơ này thích hợp cho những truyền động dùng trong ngành giao thông có đường dây cung cấp điện dài. b. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Đặc điểm của động cơ một chiều kích từ độc lập là cuộn kích từ được cấp nguồn từ một nguồn riêng biệt, do đó khi tải thay đổi thì ít không ảnh hưởng tới kích từ của động cơ. Ta có thể điều chỉnh tốc độ động cơ ở cả mạch phần ứng và mạch kích từ. b.1; Sơ đồ nguyên lý: h2.8: Sơ đồ nguyên lý của động cơ một chiều kích từ độc lập b1.2; Phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập : w = - Trong đó: w : tốc độ góc,rad/s. Uư : điện áp phần ứng, V. K = : hệ số cấu tạo động cơ. p : số đôi cực từ chính. N : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng. f : từ thông kích từ dưới một cực từ, Wb. Rư = rư + rcf + rb + rct : điện trở của mạch phần ứng, W. + rư : điện trở cuộn dây phần ứng. + rcf : điện trở cuộn cực từ phụ. + rb : điện trở cuộn bù. + rct : điện trở tiếp xúc của chổi điện. Rf : điện trở phụ trong mạch phần ứng, W. M = Mđt = KFIư: mômen điện từ. Iư : dòng điện mạch phần ứng, A. h2.9: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thông f = const, thì phương trình đặc tính cơ là tuyến tính. Đồ thì đặc tính cơ được biểu diễn trên h2.9 là đường thẳng. Theo đồ thị trên, khi M = 0 ta có : w = = wo wo : được coi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. Còn khi w = 0 ta có : Iư = = Inm, Và Mnm = KfInm Inm, M nm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch. Trên thực tế, đặc tính của động cơ điện kích thích độc lập và kích thích song song hầu như giống nhau, nhưng khi cần công suất lớn người ta thường dùng động cơ điện kích thích độc lập để điều chỉnh dòng kích thích nối tiếp, động cơ điện kích thích độc lập để điều chỉnh dòng điện kích thích được thuận lợi và kinh tế hơn, mặc dù loại động cơ này đòi hỏi phải có thêm nguồn điện phụ bên ngoài. Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập ta có các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau: Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ. Điều chỉnh tốc độ bằng cách đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng. Nhận xét: So với động cơ một chiều kích từ nối tiếp thì ta thấy động cơ một chiều kích từ độc lập có từ thông không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ nên khả năng ổn định tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập là cao hơn. Mặt khác do đặc tính cơ của nó là đường thẳng do đó có thể ổn định ở mọi cấp tốc độ. Động cơ có dải điều chỉnh tốc độ rộng, phương pháp điều chỉnh đơn giản. Kết luận: Từ những phân tích đánh giá ở trên ta thấy động cơ một chiều kích từ độc lập có nhiều ưu điểm và có khả năng đáp ứng được yêu cầu công nghệ của tải mà ta cần truyền động.Do đó ta chọn động cơ một chiều kích từ độc lập làm động cơ truyền động cho máy sản xuất của đề tài. Chương 3: Phân tích, chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ. Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại đông cơ khác, không những nó có khả năngđiều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lạo đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh rộng. Có ba phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều: Điều chỉnh điện trở phụ phần ứng động cơ. Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ. 1.Điều chỉnh tốc độ bằng cách đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng động cơ: Giả thiết : Uư = Uđm = const và F = Fđm = const. Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng. Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng: w = = const Độ cứng của đặc tính cơ: b = = = var. Khi Rf càng lớn, b càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. Ứng với Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên: bTN = bTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đường đặc tính có điện trở phụ. H3.10: các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng. Như vậy khi thay đổi điện trở phụ Rf ta có được một họ đặc tính biến trở có dạng như h2.10. Ứng với một phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ dưới tốc độ cơ bản. Nhược điểm của phương pháp này là: - Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản bằng cách giảm độ cứng đặc tính cơ. Nó là phương pháp điều chỉnh không triệt để dải điều chỉnh phụ thuộc giá trị của mômen cản, độ chính xác duy trì tốc độ không cao, độ tính chỉnh kém. - Khi điều chỉnh tốc độ xuống thấp sai số tốc độ càng lớn và mômen ngắn mạch càng nhỏ, nghĩa là khả năng duy trì tốc độ và khả năng quá tải kém, ngoài ra số cấp điện trở có giới hạn và việc điều chỉnh không trơn. Tất cả nhưng nguyên nhân đó đều hạn chế dải điều chỉnh. - Do sử dụng điện trở phụ mắc vào mạch phần ứng động cơ dẫn đến tổn thất về năng lượng làm giảm hiệu suất của hệ thống. 2. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp mạch kích từ: Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm = const. Điện trở phụ Rf = 0 ( Rư = cost). Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ Ikt động cơ. Trong trường hợp này: Tốc độ không tải : wox = = var. Độ cứng đặc tính cơ : b(f) = = var. Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từthông.Nên khi từ thông giảm thì wox tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông. Điều chỉnh điện áp mạch kích từ thực chất là quá trình thay đổi từ thông kích thích của động cơ hay nói cách khác chính là điều chỉnh mômen điện từ của động cơ M = KfIư và sức điện động quay của động cơ Eư = Kfw. Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến: ik = + wk Trong đó : rk : điện trở dây quấn kích thích. rb : điện trở của nguồn điện áp kích thích. wk: số vòng dây của dây quấn kích thích. Trong chế độ xác lập ta có quan hệ: ik = ; f = f[ik] H3.11: đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông. Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông : Dòng điện ngắn mạch : Inm = = const. Mômen ngắn mạch : Mnm = KfxInm = var. Với dạng mômen phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên. Do khi điều chỉnh điện áp mạch kích từ thì thường giữ điện áp phần ứng và điện trở phần ứng là không đổi bằng giá trị định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức, từ thông định mức và được gọi là đặc tính cơ bản ( đôi khi chính là đặc tính tự nhiên của động cơ ). Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện. Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi, vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là mômen cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh. Ngay cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ cũng giảm rất nhanh khi giảm từ thông kích thích: b(f) = = var. Do điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm từ thông nên đối với các đông cơ mà từ thông định mức nằm ở chỗ tiếp giáp giữa vùng tuyến tính và vùng bão hoà của các đặc tính từ hoá thì có thể coi việc điều chỉnh là tuyến tính và hằng số C phụ thuộc vào thông số kết cấu của máy điện: f = C.ik = Ưu điểm : - Vì công suất mạch kích từ nhỏ nên việc điều chỉnh dễ dàng và tổn hao công suất ít. - Khả năng tự động hoá cao. Nhược điểm : - Độ cứng đặc tính cơ giảm mạnh khi từ thông giảm và tốc độ không tải lý tưởng tăng, sai lệch tĩnh tăng. - Dải điều chỉnh tốc độ khi thay đổi từ thông nói chung là không rộng. - Khi giảm từ thông để tăng tốc độ thì điều kiện chuyển mạch cổ góp xấu đi vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì đồng thời phải giảm Iư Þ mômen trên trục động cơ giảm rất nhanh. - Do điện cảm lớn lên hằng số thời gian lớn nên thời gian qua độ dài. 3. Thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Giả thiết từ thông f = fđm = const, điện trở phụ Rf= 0( Rư = cost). Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm, ta có: Tốc độ không tải: wox = = var. Độ cứng đặc tính cơ: b = = const. H3.12: Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập khi điều chỉnh điện áp. Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên. Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp ( giảm áp ) thì mômen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động. Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển v.v… Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu diều khiển Uđk vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơnên các bộ biến đổi náy có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không. Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau: Eb – Eư = Iư(Rb + Rư) w = - .Iư w = wo(Uđk) - Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để. Để xác định giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thông cũng được giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động. Khi mômen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là: wmax = womax - wmin = womin - Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm trong đó KM là hệ số quá tải về mômen. Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết: wmin= (Mnmmin - Mđm) = (KM – 1) D = = Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị womax , Mđm, KM là xác định, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng b. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó có thể tính sơ bộ được: womax. ≤ 10 Vì thế với tải có đặc tính mômen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cũng không vượt quá 10. Đối với các máy có yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống “hở” như trên là không thoả mãn được. Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơ tĩnh của truyền động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng các đặc tính cơ trong toàn dải điều chỉnh là như nhau, do đó độ sụt tốc độ tương đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh. Hay nói cách khác, nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vượt quá giá trị sai số cho phép, thì hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh. Sai số tương đố của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là: s = = s = ≤ scp Vì các giá trị womax , Mđm, scp là xác định nên có thể tính được giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vượt quá giá trị cho phép. Để làm việc này, trong đa số các trường hợp cần xây dựng các hệ truyền động điện kiểu vòng kín. Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích từ được giữ nguyên, do đó mômen tải cho phép của hệ sẽ là không đổi: Mc.cp = KfđmIđm = Mđm Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen nằm trong hình chữ nhật bao bởi các đường thẳng w = wđm, M = Mđm và các trục toạ độ. Tổn hao năng lượng chính là tổn hao trong mạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ. Eb = Eư + Iư(Rb + Rư) Iư Eb = Iư Eư + Iư2(Rb + Rư) Nếu đặt Rb + Rư = R thì hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ sẽ là: hư = = hư = Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mômen do động cơ sinh ra đúng bằng mômen tải trên trục M* = M*c và gần đúng coi đặc tính cơ của phụ tải là M*c = (w*)x thì : hư = H3.13: Quan hệ giữa hiệu suất truyền động và tốc độ với các loại tải khác nhau. H3.13 mô tả quan hệ giữa hiệu suất và tốc độ làm việc trong các trường hợp đặc tính tải khác nhau. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là rất thích hợp trong trường hợp mômen tải là hằng số trong toàn dải điều chỉnh. Cũng thấy rằng không nên nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng vì như vậy sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ. Nhận xét: Đây là phương pháp được đánh giá tốt, nó là phương án điều chỉnh triệt để, nghĩa là có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kì vùng tải nào kể cả khi không tải lý tưởng, phương pháp này đảm bảo sai số nhỏ, khả năng quá tải lớn, dải điều chỉnh rộng và tổn thất năng lượng ít. Phần tử điều khiển nằm ở mạch điều khiển bộ biến đổi nên có khả năng điều chỉnh trơn được tốc độ, thao tác nhẹ nhàng và khả năng tự động hoá cao. Khi thay đổi điện áp được các đường đặc tính cơ song song nên độ cứng đặc tính cơ không đổi. Do đó giảm được sai lệch tĩnh. Þ Tóm lại: Qua những phân tích đánh giá ở trên ta thấy phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp điều chỉnh điện áp mạch phần ứng động cơ có nhiều ưu điểm và thực hiện dễ dàng hơn cả. Do đó ở đây ta sử dụng phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng điều chỉnh điện áp mạch phần ứng. Chương 4: Phân tích, chọn BBĐ cấp điện cho động A: phân tích, chọn BBĐ: Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng bốn loại bộ biến đổi chính: Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo theo mát phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại ( KĐM ). Bộ biến đổi điện từ: khuếch đại từ ( KĐT ). Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu tiristo ( CLT ). Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito ( BBĐXA). Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như: Hệ truyền động máy phát – động cơ ( F- Đ ). Hệ truyền động máy điện khuếch đại – động cơ ( MĐKĐ – Đ ). Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ ( KĐT- Đ ). Hệ truyền động chỉnh lưu tiristo – động cơ ( T - Đ ). Hệ truyền động xung áp – động cơ ( XA - Đ ). I. Hệ thống truyền động máy phát – động cơ một chiều ( F – Đ ). Hệ thống máy phát – động cơ ( F – Đ ) là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi điện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập. Máy phát này thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha ĐK quay và coi tốc độ quay cuả máy phát là không đổi. Tính chất của máy phát điện được xác định bởi hai đặc tính: đặc tính từ hoá là sự phụ thuộc giữa sức điện động máy phát vào dòng điện kích từ và đặc tính tải là sự phụ thuộc của điện áp trên hai cực của máy phát vào dòng điện tải. Các đặc tính này nói chung là phi tuyến do tính chất của lõi sắt, do các phản ứng của dòng điện phần ứng v.v… Trong tính toán gần đúng có thể tuyến tính hoá các đặc tính này: EF = KF.FF.wF = KF.wF.C.iKF Trong đó: KF : là hệ số kết cấu của máy phát. - C = DFF/DiKF : là hệ số góc của đặc tính từ hoá. Nếu dây quấn kích thích của máy phát được cấp bởi nguồn áp lý tưởng UKF thì: iKF = Sức điện động của máy phát trong trường hợp này sẽ tỉ lệ với điện áp kích thích bởi hệ số hằng KF, như vậy có thể coi gần đúng máy phát điện một chiều kích từ độc lập là một bộ khuếch đại tuyến tính: EF = KF.UKF. H4.14: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống máy phát động cơ điện một chiều kích từ độc lập H4.15: Các đặc tính từ hoá của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Nếu đặt R = RưF + RưĐ thì ta có thể viết được phương trình các đặc tính của hệ F – Đ như sau: Các biểu thức trên chứng tỏ rằng, khi điều chỉnh dòng điện kích thích của máy phát thì điều chỉnh được tốc độ không tải của hệ thống còn độ cứng đặc tính cơ thì giữ nguyên. Cũng có thể điều chỉnh kích từ của động cơ để có dải điều chỉnh tốc độ rộng hơn. Nhận xét: - Ưu điểm : đây là một hệ thống cổ điển nhưng vẫn thương được sử dụng bởi : + Đơn giản, dễ điều chỉnh, độ tin cậy cao, ít phụ thuộc vào sự thay đổi của nhiệt độ của môi trường. + Điện áp ra bằng phẳng gần như không có sóng hài bậc cao. + Dải điều chỉnh D = 10/1 ¸ 30/1. Khi sử dụng các biện pháp ổn định tốc độ dải điều chỉnh tốc độ có thể đạt D = 100/1 ¸ 200/1. + Hệ thống điều chỉnh tốc độ vô cấp ( điều chỉnh trơn): j ® 1. + Ưu điểm nổi bật của hệ F – Đ là do không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có những đặc tính động rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc. Do vậy thường sử dụng hệ truyền động F – Đ ở các máy khai thác trong công nghiệp mỏ. + Có thể điều chỉnh tốc độ từ cả hai phía: kích thích máy phát F và kích thích động cơ Đ đảo, chiều quay bằng cách đảo chiều dòng kích thích máy phát, hãm động năng khi dòng kích thích máy phát bằng không, hãm tái sinh khi giảm tốc độ hoặc khi đảo chiều dòng kích từ, hãm ngược ở cuối đoạn hãm tái sinh khi đảo chiều hoặc khi làm việc ổn định với mômen tải có tính chất thế năng v.v … + Phù hợp với tải Mc = const. Nhược điểm : + Nhược điểm quan trọng nhất của hệ F – Đ là dùng nhiều máy điện quay, trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây tiếng ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp ba lần công suất động cơ chấp hành. + Ngoài ra do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ. II. Bộ biến đổi van từ: Sơ đồ nguyên lý: H4.16: Sơ đồ nguyên lý mạch van từ. Bằng cách thay đổi giá trị nguồn cấp cho khởi động từ ta sẽ thay đổi được giá trị điện áp ra của bộ biến đổi và thay đổi được tốc độ động cơ. Nhận xét : Ưu điểm : phạm vi điều chỉnh tốc độ tương đối rộng, dễ chế tạo, bền, giá thành hạ. Nhược điểm : + Độ linh hoạt trong điều khiển kém, đảo chiều khó khăn. + Quán tính của hệ lớn do ảnh hưởng của điện kháng khuếch đại từ. + Hệ số công suất thấp, khi điều khiển chịu ảnh hưởng của tính phi tuyến của đặc tính từ hoá mạch từ. III. Bộ biến đổi xung áp: Bộ biến đổ xung áp ( BBĐXA ) là bộ biến đổi mà điện áp nguồn được đóng, cắt vào phụ tải một cách có chu kỳ. Do đó điện áp trên tải là những xung áp một chiều ( BBĐXA một chiều ). Để đóng cắt điện áp nguồn người ta thường dùng các khoá điện tử công suất vì chúng có đặc tính tương ứng với khoá lý tưởng, tức là khi khoá dẫn điện (đóng) điện trở của nó không đáng kể; còn khi koá bị ngắt ( mở ra ) điện trở của nó lớn vô cùng ( điện áp trên tải sẽ bằng không ). Nguyên lý cơ bản của bộ biến đổi xung áp một chiều được mô tả trên h4.17. Sơ đồ nguyên lý: H4.17: Sơ đồ nguyên lý và đồ thị của bộ biến đổi xung áp. Trong khoảng thời gian 0 ÷ t1, khoá K đóng lại, điện áp trên tải UR sẽ có giá trị bằng điện áp nguồn ( UR = E ); còn trong khoảng t1 ÷ T, khoá K mở ra và UR = 0. Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ là: UR = = E = E.g Trong đó: l: Thời gian khoá K đóng. g: Hệ số điều chỉnh. T: Chu kỳ đống cắt của khoá K. Biểu thức cho thấy, để thay đổi điện áp trên tải có hai cách: Thay đổi thời gian đóng khoá K, khi giữ chu kỳ đóng cắt không đổi ( phương pháp điều chế độ rộng xung ). thay đổi tần số đóng cắt ( f = 1/T ) và giữ thời gian đóng khoá K không đổi ( l = const ). Nhận xét: Ưu điểm: + Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi không đáng kể so với các bộ biến đổi liên tục. + Độ chính xác cao cũng như ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, vì yếu tố điều chỉnh là thời gian đóng khoá K mà không phải giá trị điện trở của các phần tử điều chỉnh thường gặp trong các bộ điều chỉnh liên tục. + Chất lượng điện áp tốt hơn so với các bộ biến đổi liên tục. + Kích thước gọn, nhẹ. Nhược điểm: + Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính của bộ biến đổi khi làm việc trong hệ thống kín. + Tần số đóng cắt lớn sẽ tạo ra nhiễu cho nguồn cũng như các thiết bị điều khiển. Tuy nhiên bộ biến đổi xung áp vẫn được ứng dụng rông rãi, nhất là khi các yếu tố về độ tin cậy, dễ diều chỉnh, độ ổn định cũng như kích thước là những tiêu chí được đặt lên hàng đầu. Đối với các bộ biến đổi công xuất trung bình ( hàng chục kW ) và nhỏ ( vài kW), người ta thơng dùng các khoá điện tử là các bóng bấn dẫn lưỡng cực IGBT. Trong trường hợp công suất lớn ( vài trăm kW trở lên ) người ta sử dụng GTO hoặc tiristo. IV: Bộ biến đổi chỉnh lưu tiristo – động cơ một chiều. Sơ đồ nguyên lý: Hình 4.18: Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi T – Đ. Trong đó các van đóng vai trò là các khoá điện và các khoá này chỉ cho phép dòng điện đi theo một chiều làm nhiệm vụ biến đổi nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều có giá trị điều khiển được. Sự đóng mở của các van được quyết định bởi điện áp điều khiển Uđk, và bằng cách thay đổi giá trị của điện áp điều khiển có thể thay đổi được giá trị điện áp đầu ra của bộ biến đổi. Nguyên lý làm việc:khi điện áp đặt lên các van là điện áp thuận và có xung điều khiển thì các van sẽ mở cho dòng điện đi qua. Khi van đã mở thì van dẫn do giá trị điện áp thuận đặt lên nó, xung điều khiển không ảnh hưởng đến tính dẫn dòng của van nữa. Van khoá lại khi dòng qua nó bằng không hoặc điện áp đặt lên van là điện áp ngược. Bằng cách thay đổi giá trị của Uđk ta có thể tác động đến thời điểm mở của van và do đó làm thay đổi giá trị điện áp đầu ra của bộ biến đổi. Nhận xét: Ưu điểm; + Ưu điểm nổi bật của hệ T – Đ là độ tác động nhanh. + Không gây tiếng ồn. + Dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất cao, điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống. Nhược điểm; + Các van co tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lưu ra có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy điện, và ở các truyền động có công suất lớn còn làm xấu dạng điện áp của nguồn và lưới xoay chiều. + Hệ số công suất cosj của hệ nói chung là thấp. Kết luận: Sau khi đã phân tích sơ đồ và nguyên lý làm việc của các BBĐ nói trên em quyết định chọn BBĐCL T – Đ để cấp điện cho động cơ. Vì phương án này có nhiều ưu điểm phù hợp với yêu cầu của công nghệ. B: Phân tích chọn sơ đồ BBĐ cấp điện cho động cơ: Với BBĐ chỉnh lưu T – Đ ta có rất nhiều sơ đồ: Tia: tia 1pha, tia 2 pha, tia 3 pha, … Cầu : cầu 1 pha, cầu 3 pha,… Các sơ đồ hình cầu có ưu điểm là cho chất lượng điện áp tốt hơn sơ đồ hình tia. Nhưng có nhược điểm là sử dụng nhiều van do vậy giá thành cao hơn, đồng thời tổn thât cũng lớn hơn, mạch điều khiển cũng nhiều hơn do đó phức tạp hơn. Các sơ đồ hình tia thì có ưu điểm là sử dụng ít van hơn do đó về giá thành là rẻ hơn, tổn thất ít hơn, số kênh điều khiển ít đơn giản hơn. Nhược điểm là chất lượng điện áp kém hơn hình cầu. Căn cứ vào công suất, tính chất làm việc của động cơ theo yêu cầu của phụ tải ta chọn sơ đồ tia 3 pha 2 bộ mắc song song ngược để cấp điện cho động cơ. 1. Sơ đồ nguyên lý của mạch động lực: H4.19: Sơ đồ nguyên lý mạch động lực. Trong đó: - BA :là máy biến áp 3 pha cấp nguồn cho BBĐ. - ĐC: động cơ một chiều kích từ độc lập. - CKT: cuộn kích từ của động cơ. - CKCB: là các cuộn kháng cân bằng. - Các tiristo ( T1, T3, T5) tạo thành một sơ đồ BBĐ hình tia ba pha cấp nguồn cho động cơ theo chiều quay thuận. Các tiristo ( T2, T4, T6 ) tạo thành sơ đồ hình tia 3 pha cấp nguồn cho động cơ theo chiều quay ngược. Hai bộ này được mắc theo sơ đồ song song ngược. - iA, iB, iC: dòng các pha cuộn dây sơ cấp BA. - ia, ib, ic: dòng các pha cuộn dây thứ cấp BA. 2. Nguyên lý làm việc của mạch động lực: Hai BBĐ có nguyên lý làm việc nhau nên chỉ xét nguyên lý làm việc của một bộ. Giả thiết Ld=¥. Tại wt=0 thì Ua=0 và bắt đầu chuyển sang dương. Tại wt=300 là thời điểm mở tự nhiên của T1. Tại wt = 1 (q1 chậm sau thời gian mở tự nhiên 1 góc a ) T1 có tín hiệu điều khiển và được đặt điện áp thuận T1 mở T1 mở ta có Ud = Ua; IT1 = id = Id; UT1 =0 UT2 = Ub - Ua = Uba UT3 = Uc - Ua = Uca IT2 = IT3 =0 Tại thời điểm này : Uba < 0 và Uca < 0 do đó T2 và T3 bị khoá. Tại wt = 2 thì T2 có tín hiệu điều khiển và được đặt điện áp thuận lên T2 mở còn T1 và T3 đóng vì bị đặt điện áp ngược. T2 mở ta có IT2 = Id =id ; Ud = Ub ; UT2 = 0 iT1 = iT3 = 0 UT1 = Ua - Ub = Uab < 0 UT3 = Uc - Ub = Ucb < 0 Tại wt = 3 thì T3 có tín hiệu điều khiển và được đặt điện áp thuận nên T3 mở , còn T1 và T2 đóng vì bị đặt điện áp ngược. iT3 = Id = id ; Ud = Uc ; UT3 = 0 iT1 = iT2 = 0 UT1 = Ua - Uc = Uca < 0 UT2 = Ub - Uc = Ubc < 0 Tại wt = 4 thì T1 có tín hiệu điều khiển và được đặt điện áp thuận nên T1 mở và làm việc tương tự wt = 1. Một số biểu thức tính toán: Ud0 =3/2pU2 = 1,17U2 Ud = Ud0. cosa ITtb =1/3 Id IT = Id/ Giản đồ điện áp và dòng điện như hình vẽ : t 1 t 3 t 2 t 1 0 i a u T1 u ab u ac i b i c i T2 =i b i T3 =i c i T1 =i a n 1 p 2 p n 2 n 3 a u n 4 n 1 n 2 n 3 n 4 n 1 n 2 n 3 n 4 n 1 n 2 n 3 n 4 n 1 n 2 n 3 n 4 n 1 n 2 n 3 n 4 n 1 n 2 n 3 n 4 n 1 n 2 n 3 n 4 u dk C: Cã 2 ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn : + §iÒu khiÓn ®éc lËp + §iÒu khiÓn phèi hîp 1. §iÒu khiÓn ®éc lËp ë ph­¬ng ph¸p nµy 2 BB§ lµm viÖc ®éc lËp víi nhau. Khi ph¸t xung cho BB§ thuËn lµm viÖc thi BB§ ng­îc kh«ng ®­îc ph¸t xung sÏ kho¸ vµ ng­îc l¹i. Ph­¬ng ph¸p nµy cã ­u ®iÓm lµ kh«ng ph¸t sinh dßng c©n b¨ng song nã cã thêi gian ®¶o chiÒu lín. V× ®Ó ®¶m b¶o cho s¬ ®å lµm viÖc an toµn th× ph¶i yªu cÇu cã thêi gian ngõng dßng lín ®Ó cho c¸c van cña BB§ lµm viÖc giai ®o¹n tr­íc phôc håi l¹i tÝnh chÊt ®iÒu khiÓn ,nh­ vËy lµm gi¶m ®é t¸c ®éng cña hÖ thèng 2. §iÒu khiÓn chung ë ph­¬ng ph¸p nµy ta ®ång thêi ph¸t xung ®Õn më c¶ 2 BB§ , víi gãc më cã quan hÖ + = 1800 . Khi lµm viÖc th× 1 BB§ lµm viÖc ë chÕ ®é chØnh l­u (900). Thùc tÕ th× khi bé chØnh l­u thuËn ®ang lµm viÖc ë chÕ ®é chØnh l­u th× bé chØnh l­u ng­îc kh«ng lµm viÖc ë chÕ ®é nghÞch l­u v× lóc nay kh«ng cã thµnh phÇn dßng ®iÖn tõ t¶i qua bé chØnh l­u ng­îc , lóc nay chØ cã dßng c©n b»ng xoay chiÒu mÆc dï gãc ®iÒu khiÓn cña nã n»m trong vïng nghÞch l­u , ta nãi r»ng bé chØnh l­u ng­îc lµm viÖc ë chÕ ®é chê nghÞch l­u . §Ó h¹n chÕ dßng c©n b»ng kh«ng qu¸ lín so víi dßng t¶i ®Þnh møc ta phai m¾c thªm cuén kh¸ng c©n b»ng. Trong tr­êng hîp nµy ®iÖn ¸p chØnh l­u trung b×nh cña c¸c s¬ ®å chØnh l­u vµ trªn phô t¶i víi gi¶ thiÕt chÕ ®é dßng liªn tôc vµ bá qua tæn thÊt lµ : U®1 = U®0.Cos1 U®2 = U®0.Cos2 = U®0.Cos(1800 - 1) = - U®0.Cos1 U® = U®1 = - U®2 = U®0.Cos1 Nh­ vËy thÊy r»ng thµnh phÇn mét chiÒu cña ®iÖn ¸p trªn ®Çu ra cña hai s¬ ®å chØnh l­u lµ c©n b»ng nhau nªn chóng kh«ng g©y thµnh phÇn dßng ®iÖn khÐp vßng qua c¸c van cña hai s¬ ®å chØnh l­u . Tuy vËy khi c¶ hai s¬ ®å chØnh l­u cïng lµm viÖc (tuy gãc ®iÒu khiÓn kh¸c nhau) th× gi¸ trÞ tøc thêi cña ®iÖn ¸p trªn ®Çu ra hai s¬ ®å chØnh l­u th­êng kh«ng b»ng nhau , ®iÒu nµy t¹o ra mét sù chªnh lÖch ®iÖn thÕ vµ khi chóng t¸c ®éng thuËn chiÒu dÉn dßng cña c¸c van trong hai s¬ ®å chØnh l­u sÏ g©y nªn dßng ®iÖn khÐp vßng qua c¸c van nµy vµ c¸c pha nguån cung cÊp xoay chiÒu mµ kh«ng ®i qua t¶i cña BB§, nã ®­îc gäi lµ dßng c©n b»ng . Do tæng trë nguån rÊt nhá nªn gi¸ trÞ dßng ®iÖn nµy cã thÓ rÊt lín lµm háng c¸c van vµ ph¸ huû chÕ ®é lµm viÖc cña BB§ , v× vËy ta cÇn ph¶i cã c¸c biÖn ph¸p h¹n chÕ dßng ®iÖn c©n b»ng . Thµnh phÇn mét chiÒu cña dßng c©n b»ng kh«ng cã, vËy dßng c©n b»ng chØ cã thµnh phÇn xoay chiÒu nªn ta cã thÓ sö dông ®iÖn c¶m ®Ó h¹n chÕ . Gi¶ thiÕt dßng qua c¸c s¬ ®å chØnh l­u ë chÕ ®é liªn tôc . Ta cã ®å thÞ ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn c©n b»ng khi goc ®iÒu khiÓn lµ 900 vµ 600 nh­ sau : Ta thÊy r»ng ®iÖn ¸p c©n b»ng phô thuéc vµo gi¸ tri gãc ®iÒu khiÓn cña s¬ ®å chØnh l­u . Khi gãc ®iÒu khiÓn cña mét s¬ ®å thay ®æi trong kho¶ng tõ 00 ®Õn 600 th× ®iÖn ¸p c©n b»ng ®Ëp m¹ch 3 lÇn trong mét chu kú nguån , cßn khi gãc ®iÒu khiÓn cña mét s¬ ®å n»m trong vïng tõ >600 ®Õn 900 th× ®iÖn ¸p c©n b»ng ®Ëp m¹ch 6 lÇn trong mét chu kú nguån xoay chiÒu . * Ph­¬ng ph¸p nµy cã ­u ®iÓm : §¶o chiÒu nhanh ,quan hÖ gi÷a ®iÖn ¸p ra trung b×nh vµ U®k lµ ®¬n trÞ. Song nã lµm ph¸t sinh dßng c©n b»ng g©y tæn thÊt trong BB§ dÉn ®Õn ph¶i t¨ng c«ng suÊt tÝnh to¸n . Cã thÓ kh¾c phôc nh­îc ®iÓm nµy b»ng c¸ch m¾c thªm cuén kh¸ng c©n b»ng. KÕt luËn: Qua nh÷ng ph©n tÝch trªn ta chän ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn phèi hîp tuyÕn tÝnh ®Ó ®iÒu khiÓn 2 BB§ m¾c song song ng­îc. D: Thiết kế mạch điều khiển bộ biến đổi: Để các van của bộ chỉnh lưu có thể mở tại các thời điểm mong muốn thì ngoài điều kiện tại thời điểm đó trên van phải có điện áp thuận thì trên điện cực điều khiển và katôt của van phải có một điện áp điều khiển ( mà ta thường gọi là tín hiệu điều khiển ). Để có hệ thông các tính hiệu điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu mở van đã nêu người ta phải sử dụng một mạch tạo ra các tín hiệu đó. Mạch điện dùng để tạo ra các tín hiệu điều khiển gọi là mạch điều khiển hay còn gọi là hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu. Điện áp điều khiển các tiristo phải đáp ứng được các yêu cầu cần thiết về công suất, biên độ cũng như thời gian tồn tại. Các thông số cần thiết của tín hiệu điều khiển được cho sẵn trong các tài liệu tra cứu về van. Do đặc điểm của tiristo là khi van đã mở thì việc còn tín hiệu điều khiển nữa hay không không ảnh hưởng đến dòng qua van, vì vậy để hạn chế công suất của mạch phát tín hiệu điều khiển và giảm tổn thất trên vùng điều khiển người ta thường tạo ra các tín hiệu điều khiển tiristo có dạng các xung, do đó mạch điều khiển còn được gọi là mạch phát xung điều khiển. Các xung điều khiển được tính toán về độ dài xung sao cho đủ thời gian cần thiết (với một độ dự trữ nhất định ) để mở van với mọi loại phụ tải có thể có khi sơ đồ làm việc. Thông thường độ dài xung nằm trong giới hạn từ 200ms ÷ 600ms. Các hệ thống phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu hiện nay đang sử dụng có thể phân làm 2 nhóm: - Nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ: Đây là hóm các hệ thống điều khiển mà các xung điều khiển xuất hiện trên điện cực điều khiển các tiristo đúng thời điểm cần mở van và lặp đi lặp lại mang tính chu kỳ với chu kỳ thường bằng chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu ( trong một vài trường hợp chu kỳ của xung có thể bằng ½ chu kỳ điện áp nguồn ). Nhóm hệ thống điều khiển này đang được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. - Nhóm các hệ thống điều khiển không đồng bộ: các hệ thống điều khiển thuộc nhóm này tạo ra các xung điều khiển không tuân theo giá trị góc điều khiển như đã nêu ở phần trước. Các hệ thống điều khiển này phát ra chuỗi xung điều khiển với tần số thường cao hơn rất nhiều tần số nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh leu và trong quá trình làm việc tần số xung được tự động thay đổi để dảm boả cho một đại lượng đầu ra nào đó, ví dụ như Ud, Id …không thay đổi. Để đạt được điều này thì người ta thực hiện không chế tần số xung điều khiển theo sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu ra thực tế của đại lượng cần ổn định. Như vậy các hệ thông phát xung loại này buộc phải thực hiện ở dạng hệ thống có phản hồi, tức là hệ thống kín. Các hệ thống điều khiển này tương đối phức tạp. Các hệ thống điều khiển đồng bộ thường sử dụng hiện nay bao gồm: + Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc không chế pha đứng. + Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc không chế pha ngang. + Hệ thống điều khiển chỉnh lưu dùng điôt hai cực gốc ( transitor một tiếp giáp). Þ Ta lựa chọn hệ thống điều khiển đồng bộ theo nguyên tắc không chế pha đứng. Hai BBĐ được điều khiển theo phương pháp phối hợp tuyến tính, ta sẽ thiết kế 6 kênh điều khiển để điều khiển 6 tiristo. Sơ đồ nguyên lý một kênh điều khiển theo nguyên tắc pha đứng: ĐBH-FSRC : khối đồng bộ hoá và phát điện áp răng cưa. SS : khối so sánh. SX : khối sửa xung. KĐTX : khối khuếch đại và truyền xung. ul : là điện ap lưới xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu. urc : là điện áp tựa thường có dạng hình răng cưa lấy từ đầu ra khối ĐBH-FSRC. uđk, urc, uđkT : điện áp điều khiển để tạo ra góc điều khiển a, điện áp tựa răng cưa, điện áp điều khiển mở tiristo. Sơ đồ nguyên lý một kênh điều khiển ta thiết kế: Trong đó: BAĐB: là biến áp đồng bộ ba pha. BAX: là biến áp xung, làm 2 nhiệm vụ; tạo ra được xung điều khiển phù hợp để mở tiristo và cách ly về điện giữa mạch điều khiển. Uđk : điện áp điều khiển để tạo ra góc điều khiển theo yêu cầu. +Ucc, -Ucc : được lấy từ khối nguồn nuôi. R1,…,R10: các điện trở. D1,…,D6 : các điốt. WR1, WR2 : các biến trở. IC1, IC2 : các khuếch đại thuật toán. C1, C2 : các tụ điện. Tr1, Tr2, Tr3, Tr4: các tranzito. Nguyên lý làm việc của mạch điều khiển : Mạch đồng bộ hoá làm nhiệm vụ đồng bộ hoá giữa mạch lực và mạch điều khiển. Có nhiều cách để thực hiện, nhưng ở đây ta sử dụng BAĐ vì nó có nhiều ưu điểm là thực hiện được cho cả 3 pha và cách ly về điện giữa mạch lực và mạch điều khiển. Ta sử dụng BAĐ 3 pha có tổ đấu dây D/Y_11. Mục đích là tạo ra góc lệch pha giữa sơ cấp và thứ cấp một góc 300 nhằm đồng nhất trị số góc điều khiển của tiristo ứng với điện áp nguồn trên mạch động lực và góc điều khiển ở mạch phát xung và như vậy có thể điều khiển các tiristo với góc điều khiển nhỏ. Ta biết rằng góc mở tự nhiên của tiristo trong sơ đồ được tính từ vị trí giao nhau của hai điện áp kề nhau và góc điều khiển được tính từ thời điểm đó trở đi. Mặt khác góc điều khiển ở mạch phát xung được tính từ điểm bắt đầu của điện áp tựa răng cưa ( cũng là điểm bắt đầu của các nửa chu kỳ điện áp đồng bộ hoá ) đến vị trí Urc + Uđk = 0. Do đó việc dịnh pha điện áp đồng bộ hoá chậm đi một góc 300 sẽ làm thoả mãn khi góc điều khiển = 0 cũng ứng với góc mở tự nhiên của các tiristo. Trong nửa chu kỳ đầu điện áp đồng bộ có giá trị dương Tr1 khoá, điện áp -Ucc qua WR1 ,R3 đặt vào đầu vào đảo của IC1. tụ C1 được nạp bởi dòng đầu ra của khuếch đại thuật toán IC1 có giá trị không đổi và được xác định bằng biểu thức. ic = Ucc/(WR1 + R3 ) = const Tụ được nạp từ wt = 0 ÷ p điện áp trên tụ tăng dần theo quy luật tuyến tính. Khi wt = p điện áp đồng bộ chuyển sang âm. Tr1 mở bão hoà tụ C1 phóng điện nhanh qua Tr1 về giá trị bằng không và giữ nguyên giá trị bằng không cho đến wt = 2p. Tại wt = 2p điện áp đồng bộ lại bắt đầu dương quá trình lại diễn ra giống như thời điểm wt = 0. Tại đầu vào khối so sánh ta có : 3 tín hiệu vào là Urc, Uđk, Ucd. Lý do phải đưa Ucd vào là do ta đã lựa chọn phương pháp điều khiển 2 BBĐ là phương pháp điều khiển phụ thuộc tuyến tính. Trong một nửa chu kỳ của điện áp đồng bộ luôn tạo ra hai xung: một xung không chế bộ làm việc chỉnh lưu và một xung khống chế bộ còn lại làm việc ở chế độ nghịch lưu. Gọi góc điều khiển của bộ một là 1, góc điều khiển của bộ hai là 2 ta có: 1 + 2 = 1800, giá trị của Ucd = Urcmax/2 và có cực tính âm để khi Uđk = 0 thì 1 = 2 = 900 ® Ud1 = Ud2 = 0. Điện đầu vào của khối so sánh UvSS = Urc + Ucd + Uđk nguyên lý làm việc của mạch so sánh giống như một mạch lật trạng thái. Tại những thời điểm khi Uđk = Urc +Ud mạch sẽ lật trạng thái. Việc thay đổi giá trị của Uđk sẽ thay đổi thời điểm lật của IC. Đầu ra của mạch so sánh có dạng xung vuông nhưng có độ dài và biên độ chưa thích hợp để điều khiển tiristo. Đầu ra của mạch so sánh là đầu vào của khâu sửa xung, mạch sửa xung làm việc theo nguyên tắc: khi có các xung vào với độ dài khác nhau mạch vẫn cho các xung ra có độ dài giống nhau theo yêu cầu và giữ nguyên thời điểm bắt đầu xuất hiện của mỗi xung. Khi đầu ra khối so sánh chuyển từ trạng thái xung âm sang dương tụ C2 được nạp theo đường từ đầu ra khối so sánh qua +C2 ® -C2 ® qua R8 ® qua Tr3® mass. Tr3 được mở bão hoà do điện trở phân áp R3 ® đầu ra của biến áp xung không có xung điều khiển. Khi đầu ra của khối so sánh chuyển từ dương về âm thì đầu ra của IC2 bị nối tắt xuống mát qua D2. Tụ C2 phóng điện từ +C2 ® nội trở của IC2 ® qua D3 ® qua R8 ® về -C2. Tụ C2 phóng đặt điện áp âm lên cực điều khiển của Tr3 làm khoá Tr3. Qua điện trở phân áp R10 mạch khuếch đại Darlington (Tr2, Tr4) mở làm xuất hiện xung ở đầu ra của BAX. Thời gian tồn tại của xung được xác định theo biểu thức: txr = C2.R8.ln2 Như vậy độ dài xung ra chỉ phụ thuộc vào giá trị của R8 và C2 mà hoàn toàn không phụ thuộc vào độ dài xung vào. Bằng cách chọn C2, R8 ta sẽ thay đổi được độ rộng của xung phù hợp. Giản đồ điện áp mạch điều khiển : E: Lựa chọn phương pháp hãm: Do tải của ta là tải thế năng do đó trong quá trình làm việc cần phải đảo chiều và hạ tải. Vì vậy vấn đề hãm dừng nhanh và chính xác có vai trò hết sức quan trọng: nó sẽ làm giảm thời gian đảo chiều tăng năng suất của hệ, đảm bảo an toàn cho phụ tải khi hạ. Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômmen quay ngược chiều tốc độ quay. Trong tất cả các trạng thái hãm, động cơ đều làm việc ở chế độ máy phát. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm: - Hãm tái sinh. - Hãm ngược. - Hãm động năng. a. Hãm ngược. Trạng thái hãm ngược của động cơ xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do mômen thế năng quay ngược chiều với mômen điện từ của động cơ. Mômen sinh ra bởi động cơ, khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất. - Ưu điểm của phương pháp hãm ngược là: khả năng hãm dừng nhanh. - Nhược điểm của phương pháp này là: dòng hãm lớn do đó phải đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng gây tổn thất năng lượng. b. Hãm động năng. Hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của động cơ đã tíhc luỹ được trong quá trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu tán trog mạch hãm dưới dạng nhiệt. - Ưu điểm của phương pháp hãm động năng là khi hãm thì phần ứng không tiêu thụ công suất của nguồn. - Nhược điểm là khả năng hãm dừng kém hơn so với phương pháp hãm động năng. c. Hãm tái sinh( hãm trả năng lượng về lưới). Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng. Khi hãm tái sinh Eư > Uư , động cơ là việc như một máy phát điện song song với lưới. So với chế độ động cơ, dòng điện và mômen hãm đã đổi chiều và được xác định theo biểu thức: H4.20: Đặc tính cơ hãm tái sinh của động cơ một chiều kích từ độc lập. Vì sơ đồ đấu dây của mạch động cơ vẫn không thay đổi nên phương trình đặc tính cơ cũng không thay đổi nhưng mômen có giá trị âm. Đường đặc tính cơ ở trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ hai và thứ tư của mặt phẳng toạ độ. Trong trạng thái hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất được dưa trả về lưới điện có giá trị P = ( E – U )I. Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh ra điện năng hữu ích. Trong thực tế, cơ cấu nâng hạ của cần trục, khi nâng tải động cơ được đấu vào nguồn theo cực tính thuận và làm việc trên đặc tính cơ nằ trong góc phần tư thứ I. Khi muốn hạ tải ta phải đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Lúc này nếu mômen do trọng tải gây ra lớn hơn mômen ma sát trong các bộ phận chuyển độngcủa cơ cấu, động cơ điện sẽ làm việc ở trạng thái hãm tái sinh. Trên h4.20: khi hạ tải, để hạn chế dòng điện khởi động ta đóng thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng. Tốc độ động cơ tang dần lên, khi tốc độ gần đạt tới giá trị w0 ta cắt điện trở phụ, động cơ tăng tốc độ trên đường đặc tính tự nhiện. Khi tốc độ vượt quá w > w0, mômen điện từ của động cơ đổi dấu trở thành mômen hãm đến điểm A mômen Mh = Mc, tải trọng được hạ với tốc độ ổn định w0đ, trong trạng thái hãm tái sinh. F. Mét sè m¹ch kh¸c: + M¹ch t¹o nguån nu«i Do trong m¹ch cã sö dông c¸c vi m¹ch khuyÕch ®¹i thuËt to¸n, ta cÇn ph¶i sö dông hai nguån nu«i ng­îc ®Êu nèi tiÕp nhau vµ cã ®iÓm chung lµ ®iÓm nèi m¸t. Ta thiÕt kÕ m¹ch nµy nh­ sau: §iÖn ¸p xoay chiÒu ®­îc chØnh l­u nhê hai s¬ ®å chØnh l­u h×nh tia, ®iÖn ¸p ra ®­îc æn ®Þnh nhê c¸c vi m¹ch æn ¸p vµ ®­îc läc bëi c¸c tô ®­a ra hai nguån +15V vµ -15V cã ®iÓm chung lµ ®iÓm o cña biÕn ¸p. Hai nguån nµy sÏ nu«i cho c¸c vi m¹ch vµ lµm nguån ®iÖn ¸p ng­ìng. + Khèi t¹o ®iÖn ¸p chñ ®¹o +15V - 15V T N R1 R2 Uc® Khèi t¹o ®iÖn ¸p chñ ®¹o chØ yªu cÇu c«ng suÊt nhá nªn ta lÊy trùc tiÕp tõ nguån +15V vµ -15V . "§¶o chiÒu ®iÖn ¸p chñ ®¹o nhê cÆp tiÕp ®iÓm T - N " .