Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của xe cầu của cầu trục

i mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp: (A/mm2) * Tiết diện dây dẫn thứ cấp của MBA: Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cấp cách điện B ( Tra bảng Phụ lục VI - T.620 - TKMĐ - Trần Khánh Hà). Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn: S2 = 11,15(mm2) Kích thước dây dẫn kể cả cách điện: S2cđ = a2.b2 = 1,61 x 7,52 (mm x mm) * Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp: (A/mm2) d. Kết cấu dây dẫn sơ cấp: Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục. * Tính sơ bộ vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp: (vòng) Trong đó: kc : hệ số ép chặt. Tra bảng 2.2 (T23.TKMĐ) chọn kc = 0,95 h : chiều cao trụ. hg : khoảng từ gông đến cuộn dây sơ cấp. Chọn hg = 1,5cm b1 : bề rộng của dây dẫn kể cả cách điện. * Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp: Chọn số lớp n1l = 10 (lớp). Như vậy có 270 vòng chia thành 10lớp, chọn mỗi lớp 27vòng. * Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp: (cm) * Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày: S01 = 0,1(cm) * Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp: a01 = 1 (cm) * Đường kính trong của ống cách điện: Dt = dFe + 2.a01 - 2.S01 = 11 + 2.1 - 2.0,1 = 12,8 (cm) * Đường kính trong của cuộn sơ cấp: Dt1 = Dt + 2.S01 = 12,8 + 2.0,1 = 13 (cm) * Chọn bề dày giữa hai lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd11 = 0,1 (cm) * Bề dày cuộn sơ cấp : Bd1 = (a1 + cd11).n1l = (0,106+ 0,1).6 = 1,236 (cm) * Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp: Dn1 = Dt1 + 2.Bd1 = 13 + 2.1,236 = 15,472 (cm) * Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp: (cm) * Chiều dài dây quấn sơ cấp: L1 = W1..Dtb1 = 270.3,14.14,236 = 12069 (cm) = 120,69 (m) * Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp: a12 = 1 (cm) e. Kết cấu dây quấn thứ cấp * Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp: h2 = h1 = 23,5 (cm) * Tính sơ bộ vòng dây trên một lớp: (vòng) * Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp: Chọn số lớp n21 = 4 (lớp). Như vậy có 77 vòng chia lớp thành 4, chọn mỗi lớp 19 vòng. * Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp: (cm) * Đường kính trong của cuộn thứ cấp: Dt2 = Dn1 + 2.a12 = 15,472 + 2.1 = 17,472 (cm) * Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp: cd22 = 0,1 (mm) * Bề dày cuộn thứ cấp : Bd2 = (a2 +cd22).n2l = (0,161 + 0,01).3 = 0,513 (cm) * Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp : Dn2 = Dt2 + 2.Bd2 = 17,472 + 2.0,513 = 18,498 (cm) * Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp: (cm) * Chiều dài dây quấn thứ cấp: L2 = W2..Dtb2 = 77.3,14.17,985 = 4348 (cm) = 43,48 (m) * Đường kính trung bình các cuộn dây: (cm) (cm) * Chọn khoảng cách giữa hai cuộn dây thứ cấp liền nhau: a22 = 2 (cm) f. Tính kích thước mạch từ: Hình 2.3.1:Các bậc thang ghép thành trụ W2 W1 Bd2 Bd1 hg a01 a12 Với đường kính trụ d = 11 cm, ta chọn số bậc là 6 trong nửa tiết diện trụ, với kích thước các bậc trong trụ theo Phụ lục XVII.1_Trang 664 - TKMĐ * Tính toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ: Qbt = 2.(1,6.10,5+1,1.9,5+0,7.8,5+0,6.7,5+0,4.6,5+0,7.4) = 86,2 (cm2) * Tiết diện hiệu quả của trụ: QT = khq.Qbt = 0,95.86,2 = 81,89 (cm2) * Tổng chiều dày các bậc thang của trụ: dt = 2.( 1,6 + 1,1 + 0,7 + 0,6 + 0,4 +0,7 ) = 10,2 (cm) * Số lá thép dùng trong các bậc: Bậc 1 : lá Bậc 2 : lá Bậc 3 : lá Bậc 4  : lá Bậc 5 : lá Bậc 6 : lá g. Để đơn giản trong việc chế tạo gông từ: Ta chọn gông từ có tiết diện hình chữ nhật có các kích thước sau: * Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ: b = dt = 10,2 (cm) * Chiều cao của gông bằng chiều rộng tấm lá thép thứ nhất của trụ: a = 10,5 (cm) * Tiết diện gông: Qbg = a x b = 107,1 (cm2) * Tiết diện hiệu quả của gông: Qg = khq.Qbg = 0,95.107,1 = 101,7 (cm2) * Số lá thép dùng trong một gông: lá * Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ: * Mật độ từ cảm trong gông: * Chiều rộng của sổ: c = 2.(a01 + Bd1 + a12 + Bd2) + a22 = 2.(1 + 1,236 + 1 + 0,513) + 2 = 9,498 (cm) * Tính khoảng cách giữa hai tấm trụ: c’ = c + d = 9,498 + 11 = 20,498 (cm) * Chiều rộng mạch từ: L = 2.c + 3.d = 2.9,498 + 3.11 = 51,996 (cm) * Chiều cao mạch từ: H = h + 2.a = 25 + 2.10,5 = 46 (cm) h. Tính khối lượng của sắt và đồng: * Thể tích của trụ: VT = 3.QT.h = 3.81,89.25 = 6141,75 (cm3) 6,142 (m3) * Thể tích của gông: Vg = 2.Qg.L = 2.101,7.51,996 = 10575,98 (cm3) * Khối lượng của trụ: MT = VT.mFe = 6,142.7,85 = 48,21 (kg) Trong đó: mFe =7,85 (kg/dm3) _ trọng lượng riêng của sắt * Khối lượng của gông: Mg = Vg.mFe = 10,57598.7,85 = 83,02 (kg) * Khối lượng của sắt: MFe = MT + Mg = 48,21 + 83,02 = 131,23 (kg) * Thể tích của đồng : VCu = 3.( S1.L1 + S2.L2 ) = 3.(3,124.10-4.152,43.10+11,15.10-4.54,78.10)=3,26 (dm3) * Khối lượng của đồng: MCu = VCu.mCu = 3,26.8,9 = 29,01 (kg) Trong đó: mCu = 8,9 (kg/dm3) _ trọng lượng riêng của đồng. i. Tính các thông số của máy biến áp : * Điện trở của cuộn sơ cấp MBA ở 750C: Trong đó:  : điện trở suất của đồng ở 750C (Bảng 5.1 - T.117 - TKMĐ - Trần Khánh Hà). * Điện trở cuộn thứ cấp của MBA ở 750C: * Điện trở của MBA quy đổi về thứ cấp: * Sụt áp trên điện trở MBA: r = RBA.Id = 0,153.54,54 = 8,345 (V) * Điện kháng MBA quy đổi về thứ cấp:(CT 8-31- T.35- TKTBĐTCS) = = 0,068 () Trong đó: W2 : số vòng dây thứ cấp MBA r : bán kính trong cuộn dây thứ cấp (cm) r = cm hqd : chiều cao cửa sổ lõi thép hqd = h1 = h2 = 23,5 cm = 314 rad Bd1, Bd2 : Bề dày cuộn dây sơ cấp và thứ cấp Bd1 = 1,236 cm Bd2 = 0,513 cm * Điện cảm của MBA quy đổi về thứ cấp: (H) = 0,218 (mH) * Sụt áp trên điện kháng MBA: x = Trong đó: Rdt = * Sụt áp trên MBA: * Điện áp trên động cơ khi có góc mở U = Ud0cosmin - 2Uv - UBA = 253,45.cos100 - 2.1,6 – 9,06 = 237,34 (V) * Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp: ZBA = * Tổn hao ngắn mạch trong MBA : Pn = 3.RBA.I22 = 3.0,153.44,532 = 910,16 (W) P% = * Tổn hao có tải kể đến 15% tổn hao phụ: P0 = 1,3.nf.( MTBT2 + MgBg2 ) = 1,3.1.( 48,21.0,612+ 83,02. 0,492 ) = 113,62 (W) P% = * Điện áp ngắn mạch tác dụng: Unr% = * Điện áp ngắn mạch phản kháng: Unx% = * Điện áp ngắn mạch phần trăm: Un% = (V) * Dòng điện ngắn mạch xác lập: I2nm = * Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại: Imax = = 2154,07 (A) < Ikik = 7500 (A) Ipik : Đỉnh xung max của Thyristor * Kiểm tra MBA thiết kế có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến thiên của dòng chuyển dịch: Giả sử chuyển mạch từ mạch T1 sang T3 ta có phương trình: 2.LBA. = U23 - U2a = .U2.sin 100 (A/s) Vậy MBA sử dụng tốt. * Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu: g. Thiết kế cuộn kháng lọc: * Xác định góc mở cực tiểu và cực đại: Chọn góc mở cực tiểu = 100. Với góc mở là dự trữ ta có thể bù được sự giảm điện áp lưới. Khi góc mở nhỏ nhất = thì điện áp trên tải là lớn nhất. Udmax = Ud0.cos= Udđm và tương ứng tốc độ động cơ sẽ lớn nhất nmax = nđm. Khi góc mở lớn nhất = thì điện áp trên tải là nhỏ nhất. Udmin = Ud0.cosvà tương ứng tốc độ động cơ sẽ nhỏ nhất nmin. Ta có: arcos = arcos Trong đó: Udmin được xác dịnh : D = Udmin = = = = 25,62 (V) = arcos= arcos * Lựa chọn các thành phần sóng hài: Để thuận tiện cho việc khai triển chuỗi Furier ta chuyển gốc toạ độ sang điểm , khi đó điện áp tức thời trên tải khi Thyristor T1 và T4 dẫn Ud = Uab = Với : Điện áp tức thời trên tải điện Ud không sin và tuần hoàn với chu kỳ Trong đó : P  : số xung đập mạch trong một chu kỳ điện áp lưới Khai triển chuỗi Furier của điện áp Ud : Ud = Trong đó: an = an = bn = bn = Ta có: Vậy ta có biên độ của điện áp: Uk.n = Uk.n = 2. Uk.n = Ud * Xác định điện cảm cuộn kháng lọc: Từ phân tích ở trên ta thấy rằng khi góc mở càng tăng thì biên độ thành phần sóng hài bậc cao càng lớn, có nghĩa là đập mạch của điện áp, dòng điện càng tăng lên. Sự đập mạch này làm xấu chế độ chuyển mạch của vành góp, đồng thời gây ra tổn hao phụ dưới dạng nhiệt trong động cơ. Để hạn chế sự đập mạch này ta phải mắc nối tiếp với động cơ một cuộn kháng lọc đủ lớn để: Im 0,1.Iưđm Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao, cuộn kháng còn có tác dụng hạn chế vùng dòng điện gián đoạn. Điện kháng lọc được tính khi góc mở = : Ta có: Ud + u~ = E + Ru.i~ + L Cân bằng hai vế: U = R.i~ +L. vì R.i~ << L nên U = L. Trong các thành phần xoay chiều bậc cao, thì thành phần sóng bậc cao k = 1 có mức độ lớn nhất gần đúng ta có: U~ = U1msin(6 + ) nên : I = Vậy Im = 0,1.Iưđm Suy ra : L ≥ Trong đó: = 6 là số xung đập mạch trong một chu kỳ điện áp. U1m = U1m = L = (H) = 8,4 (mH) Tải ta đang xét là động cơ điện một chiều, nên điện cảm phần ứng của động cơ được tính gần đúng theo công thức (8.42)(T.45 - TKTBĐTCS) Lư = Kd.(H) Trong đó: Kd = 0,5 0,6 đối với động cơ không có cuộn bù. Kd = 0,1 0,25 đối với động cơ có cuộn bù. ndm  : tốc độ quay định mức của động cơ.(vg/p) Udm : điện áp định mức của động cơ.(V) Idm  : dòng điện định mức của động cơ.(A) Điện cảm mạch phần ứng: Lưc = Lư + 2.LBA = 4 +2.0,218 = 4,436 (mH) Điện cảm cuộn kháng lọc: Lk = L - Lưc = 8,4 – 4,436 = 3,964 (mH) * Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc: Các thông số ban đầu: Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc: Lk = 3,964 (mH) Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng: Idm = 54,54 (A) Biên độ dòng điện xoay chiều bậc 1: I1m = 10%, I1dm = 5,454 (A) Đo dòng điện cuộn kháng lớn và điện trở bé do đó ta có thể coi tổng trở của cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng của cuộn kháng. Zk = Xk = 2..f.Lk = 2.3,14.50.3,964.10-3 = 1,24 () Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng: U = Zk.= 1,24.= 4,78 (V) Công suất của cuộn kháng lọc: S = Tiết diện cực từ chính (tiết diện lõi thép) của cuộn kháng lọc: Q = kQ. Trong đó: Q : tiết diện lõi thép (cm2) f ‘ = f.m kQ = 5 6 hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, khi làm mát bằng không khí tự nhiên. kQ = 5 Chuẩn hoá tiết diện trụ theo kích thước có sẵn : Chọn Q = 4,25 (cm2) Với tiết diện trụ Q = 4,25 (cm2) Chọn loại thép 330A, tấm thép dày 0,35 mm a = 20 (mm) b = 25 (mm) Chọn mật độ từ cảm trong trụ : BT = 0,8 T Khi có thành phần dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm thì trong cuộn cảm sẽ xuất hiện một sức điện động Ek : Ek = 4,44.kdq.w.f’.BT.Q Trong đó: kdq : hệ số dây quấn w : số vòng dây cuộn kháng lọc B : mật độ tự cảmm của lõi thép, với B = 01 08 Q : tiết diện lõi thép Với giả thiết bỏ qua sụt áp trên điện trở : Ek = U = 4,78 (V) Số vòng dây của cuộn kháng lọc : W = (vòng) Lấy W = 12 (vòng) Dòng điện chạy qua cuộn kháng i(t) = Id + imcos Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng: Ik = Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng: S1 = Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B Chọn Sk = 20 (mm2) Với kích thước dây: ak x bk = 1,8 x 9,785 (mm x mm) Tính lại mật độ dòng: J = Chọn tỷ số lấp đầy: klđ = 0,7 Diện tích cửa sổ: Qcs = Tính kích thước mạch từ: Qcs = c x h Chọn m = Chiều cao mạch từ: H = h + a = 60+20 = 80 (mm) Chiều dài mạch từ: L = 2.c + 2.a = 2.0,571 +2.60 = 131,43 (mm) Chọn khoảng cách từ gông tới cuộn dây: hg = 2 (mm) Tính số vòng trên một lớp: (vòng) = 6 (vòng) Tính số lớp dây quấn: (lớp) Chọn khoảng cách cách điện giữa dây quấn với trụ : a01 = 3 mm Cách điện giữa các lớp : cd1 = 0,1 mm Bề dày cuộn dây: Bd = (ak + cd1).n1 = (1,8 + 0,1).2 = 3,8 (mm) Tổng bề dày cuộn dây : Bd= Bd + a01 = 3,8 + 3 = 6,8 (mm) Chiều dài của vòng dây trong cùng: L1 = 2(a +b) + 2..a01 = 2(20 + 25) + 2.3,14.3 = 108,8 (mm) Chiều dài của vòng dây ngoài cùng: L2 = 2(a +b) + 2..( a01 + Bd) = 132,7 (mm) Chiều dài trung bình của một vòng dây: Ltb = (l1 + l2) : 2 = (108,8 +132,7) : 2 = 120,752 (mm) Điện trở của dây quấn ở 750C: R=.w= Thể tích sắt: VFe = 2.a.b.h + 2.a/ 2.b.1 = a.b(2h+1) = 0,125 (dm3) Khối lượng sắt: MFe = VFe.mFe = 0,125.7,85 = 0,944 (kg) Với mFe: khối lượng riêng của sắt, mFe = 7,85 (kg/dm3) Khối lượng đồng: MCu = VCu.mCu = Sk.ltb. w..mCu = 14,04.10-4.120,752.10-2.12.8,9 = 0,18 (kg) Với mCu : khối lượng riêng của đồng, mCu = 8,9 (kg) l. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực: * Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ * Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn: Khi làm việc với dòng điện chạy qua trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất , tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó, nếu quá nhiệt dộ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để cho van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lý. - Tính toán cánh tản nhiệt - Tổn thất công suất trên 1 Thyristor: Ilv : dòng điện làm việc của van. - Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: Trong đó: - Tổn hao công suất (W) - Độ chênh lệch so với môi trường Chọn nhiệt độ môi trường . Chọn nhiệt độ trên cánh tỏa nhiệt - Hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Chọn km = 8 (w/m2.0C) Chọn loại cánh tản nhiệt có 10 cánh Kích thước mỗi cánh a . b = 10 . 10 (cm2) Tổng diện tích toả nhiệt của cánh: S = 10.2.10.10 = 2000(cm2) = 0,2 (m2) * Bảo vệ quá dòng điện cho van: - Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động đóng mạch khi quá tải và ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu. - Chọn 1 aptomat có : Uđm = 220 V Có 3 tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng NCĐ - Chỉnh định dòng ngắn mạch Với I1d = 8,5(A) là dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp - Dòng quá tải: - Chọn cầu dao có dòng định mức: - Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sữa chữa HTTĐ - Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Thyristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu. - Nhóm 1cc: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 1cc: Với I2 = 29,72 (A) - Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của MBA - Nhóm 2cc: Dòng điện định mức nhóm 2cc: Với Ihd = 21,02 (A) - Dòng hiệu dụng làm việc của van - Nhóm 3cc: Dòng điện định mức dây chảy nhóm 3cc: Với Iđm = 36,4 (A) - Dòng định mức Vậy chọn cầu chì: (Bảng 2.32 - T.644 - Cung cấp điện) Nhóm: 1cc có Idc = 120A loại-2-250 do Liên Xô chế tạo 2cc có Idc = 80A loại-2-100 do Liên Xô chế tạo 3cc có Idc = 150A loại-2-250 do Liên Xô chế tạo * Bảo vệ quá điện áp cho van: Bảo vệ quá điện áp: do quá trình đóng cắt Thyristor được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với Thyristor. Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anot và katot của Thyristor. Khi có mạch R-C mắc song song với Thyristor tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Thyristor không bị quá điện áp. Hình 2.3.2: Mạch R-C bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch Theo kinh nghiệm: R1 = (5 30) ; C1 = (0,25 4) F Chọn: R1 = 5,1 C1 = 0,3 F * Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện: ta mắc mạch R-C như hình vẽ. Nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Trị số RC được chọn : R2 = 12,5 () C1 = 4 F Hình 2.3.3: Mạch RC bảo vệ quá điện áp từ lưới CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỞ VAN Để các van của bộ chỉnh lưu có thể mở tại thời điểm mong muốn thì ngoài điều kiện tại thời điểm đó trên các van có điện áp thuận thì trên cực điều khiển G và K của van phải có điện áp điều khiển (thường gọi là tín hiệu điều khiển). Để có hệ thống tín hiệu điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu mở van người ta sử dụng mạch điện tạo ra các tín hiệu đó gọi là mạch điều khiển. Điện áp điều khiển các Thyristor phải đáp ứng được các yêu cầu cần thiết về công suất, biên độ cũng như thời gian tồn tại. Do đặc điểm của Thyristor là khi van đã mở thì việc tồn tại tín hiệu điều khiển nữa hay không cũng không ảnh hưởng đến dòng qua van. Vì thế hạn chế công suất của mạch phát tín hiệu điều khiển và giảm tổn thất trên vùng cực điều khiển tạo ra các tín hiệu điều khiển trên vùng cực điều khiển tạo ra các tín hiệu điều khiển Thyristor có dạng xung. Trong hệ thống truyền động ta dùng các hệ thống phát xung điều khiển đồng bộ, khống chế theo nguyên tắc pha đứng với sơ đồ khối như sau: Hình 2.4.1: Sơ đồ khối khâu phát xung theo nguyên tắc pha đứng Khối 1: Khối đồng bộ hoá và phát xung răng cưa. Khối này có nhiệm vụ lấy tín hiệu động bộ hoá và phát ra sóng điện áp hình răng cưa đưa vào khối SS. Khối 2: Khối so sánh có nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu điện áp tựa hình răng cưa URC và điện áp điều khiển UĐK để phát ra xung điện áp đưa tới mạch tạo xung. Khối 3: Khối tạo xung có nhiệm vụ tạo ra các xung điều khiển đưa tới cực điều khiển của Thyristor. U1 : là điện áp lưới xoay chiều cung cấp cho bộ chỉnh lưu. Urc : điện áp tựa thường có dạng răng cưa lấy từ đầu ra của khối ĐBH – FXRC. Uđk : diện áp điều khiển một chiều dùng để điều khiển giá trị góc mở Uđkt : điện áp điều khiển Thyristor là chuỗi các xung điều khiển lấy từ đầu ra hệ thống điều khiển (cũng là đầu ra của khối truyền xung) và được truyền đến cực điều khiển G và Catot K của các Thyristor. * Nguyên lý làm việc: Điện áp cấp cho mạch động lực BBĐ được đưa đến các mạch đồng bộ hoá của khối 1. Đầu ra của mạch đồng bộ hoá có điện áp hình sin cùng tần số với điện áp nguồn cung cấp và được gọi là điện áp đồng bộ. Điện áp đồng bộ được đưa vào mạch phát xung răng cưa cùng tần số với điện áp cung cấp. Điện áp răng cưa và điện áp điều khiển (thay đổi được trị số) đưa vào mạch so sánh sao cho cực tính của chúng ngược nhau. Tại thời điểm trị số hai điện áp này bằng nhau thì đầu ra của mạch so sánh thay đổi trạng thái xuất hiện xung điện áp .Như vậy điện áp có tần số xuất hiện bằng tần số xung răng cưa bằng với tần số nguồn cung cấp. Thay đổi trị số nguồn điều khiển sẽ làm thay đổi thời điểm xuất hiện xung ra của mạch so sánh. Xung này được đưa đến cực Thyristor để mở van. Thực tế xung đầu ra của mạch so sánh không đủ độ rộng và biên để mở van, vì vậy người ta sử dụng mạch khuếch đại và truyền xung. Nhờ đó mà các xung ra của mạch này đủ điều kiện mở chắc chắn các Thyristor. 1. Mạch đồng bộ hoá và phát xung răng cưa: a. Thiết bị của mạch gồm: - BAĐ là máy biến áp đồng bộ xoay chiều một pha gồm một cuộn dây pha sơ cấp và hai cuộn dây pha thứ cấp có cực tính ngược nhau. Để lấy tín hiệu đồng bộ và hai cuộn dây pha thứ cấp còn lại độc lập với hai cuộn dây trên dùng để cung cấp điện áp nguồn nuôi cho mạch điều khiển. - Trên mạch ra của cuộn dây thứ cấp lấy tín hiệu đồng bộ có các phần tử là mạch tạo điện áp răng cưa, trong đó: + Mạch gồm Tr2, ĐZ, R4, WR là mạch ổn định dòng để nạp tụ. + URC là điện áp răng ca đầu ra của sơ đồ. + U0 là điện áp ổn định trên điốt ổn áp DZ; ic1, ic2 là dòng điện cực góp Tr1 và Tr2 Nguyên lý làm việc của khâu đồng bộ hóa và phát xung răng cưa Điện áp Ucb2 giữa cực phát ra và cực Tr2 là Ucb2 = U0 – ic2.RWR, với RWR là trị số điện trở của biến trở WR. Do sụt áp giữa cực phát và cực gốc của một Tranzitor hầu như không đổi nên ta xem Ucb2 = A = const, vậy ta có ic2 = (U0- Ucb2)/RWR = const mặt khác ta lại có dòng điện qua cực góp Tr2 là không đổi. Ta giả thiết rằng tại t = 0 thì Uđb = 0 và bắt đầu chuyển sang chu kỳ dương, tại t = 0 thì điện áp trên tụ C = 0. Vậy sau thời điểm t = 0 thì Uđb > 0 nên điốt D được đặt điện áp thuận, D sẽ mở dẩn đến có dòng điện tử cuộn thứ cấp BAĐ đi qua R2 và D, nếu bỏ qua sụt áp rất nhỏ trên cuộn dây máy biến áp đồng bộ hóa và trên điốt D thì trên R2 được đặt điện áp bằng toàn bộ sức điện động thứ cấp BAĐ tức là Uđb. Điện áp sụt trên R2 lúc này có thể dương đặt vào cực phát Tr2 còn thế âm dặt vào cực gốc Tr1, do vậy mạch gốc phát Tranzitor bị đặt điện áp ngược và Tr1 khóa và tụ được nạp điện bởi dòng cực góp Tr2 có giá trị ổn định. Điện áp trên tụ tăng dần theo quy luật UC = I.t/c đây là quy luật tuyến tính. Đến thời điểm t = thì Uđb = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ âm. Van D bị đặt điện áp ngược và khóa lại do vậy điện áp đồng bộ không tác động đến mạch gốc phát của Tr1 nữa lúc này dưới tác động của nguồn cung cấp một chiều qua điện trở định thiên R1 trong mạch định thiên trong kiểu phân áp gồm R1 và R2 mà Tr1 mở. Khi Tr1 mở thì tụ ngừng nạp và bắt đầu phóng điện qua mạch góp phát của Tr1 và điện trở bảo vệ Tranzitor R3. Người ta tính chọn các điện trở R1, R2 và Tr2 sao cho Tr1 mở bảo hòa với dòng cực góp là 1. Vậy tụ C sẽ ngừng phóng điện khi điện áp trên tụ giảm xuống bằng sụt áp bảo hòa của Tr1 cộng với sụt áp trên R3 gây nên bởi dòng mở bảo hoà của Tr1 UR3 = iR3, sụt áp bảo hòa trên một Tranzitor rất nhỏ nên ta có thể bỏ qua, mặt khác R3 và I cũng có giá trị rất nhỏ (1 – 5 mA) nên ta có thể bỏ qua sụt áp trên R3. Như vậy thì tụ C phóng đến điện áp bằng không tại t = vt và do Tr1 vẫn mở nên tụ vẫn giữ nguyên giá trị điện áp bằng không cho đến thời điểm t =2. Tại thời điểm này thì Uđb = 0 và lại bắt đầu chuyển sang dương, điốt D lại được đặt điện áp thuận và lại mở và Tr1 lại bị khóa, do vậy tụ C lại được nạp tương tự như khi t = 0 và sự làm việc của sơ đồ lặp lại như chu kỳ vừa xét. Điện áp răng cưa trên đầu ra cũng chính là điện áp trên tụ C và dạng điện áp ra URC được cho trên đồ thị điện áp. Với sơ đồ này thì biên độ điện áp răng cưa không phụ thuộc vào biện độ điện áp đồng bộ, dạng điện áp ra đã gần giống hình răng cưa và độ dài sườn trước(giai đoạn nạp tụ) cũng đạt đến 1800 ta sẽ sử dụng sườn này của URC. Trong sơ đồ thì R3 là điện trở hạn chế dòng phóng của tụ C qua Tr1 mở để bảo vệ Tr1, còn WR để điều chỉnh tiến độ điện áp răng cưa cho phù hợp với yêu cầu. NhËn xÐt: S¬ ®å nµy cho d¹ng ®iÖn ¸p r¨ng c­a chÝnh x¸c nh­ng do cã ®iÖn trë b¶o vÖ R3 mµ ®iÖn ¸p trªn tô kh«ng gi¶m vÒ kh«ng (0 V) ®­îc. MÆt kh¸c, ®iÖn trë t¶i nhá sÏ ¶nh h­ëng ®Õn d¹ng ®iÖn ¸p uRC . 1.2 - S¬ ®å dïng IC khuÕch ®¹i thuËt to¸n. Nguyªn lý ho¹t ®éng: ë n÷a chu kú d­¬ng Tr kho¸, ®iÖn ¸p ©m qua R3,R4 dÉn tíi ®Çu vµo ®¶o cña IC khiÕn ®iÖn ¸p ra cña IC cã gi¸ trÞ d­¬ng vµ tô C ®­îc n¹p bëi ®iÖn ¸p ®Çu ra nµy. Dßng n¹p cho tô ®­îc x¸c ®Þnh lµ: ic = iv - iI nÕu IC lµ lý t­ëng th× iv = 0 nªn ic = - iI Nªn ic = const vµ ®iÖn ¸p trªn tô tuyÕn tÝnh. ë n÷a chu kú ©m, D kho¸. Tr më nhê cÆp ®iÖn trë ®Þnh thiªn R1, R2 ; tô C phãng ®iÖn qua Tr. §iÖn ¸p trªn tô gi¶m vÒ 0V. Gi¶n ®å ®iÖn ¸p nh­ h×nh vÏ: NhËn xÐt: S¬ ®å nµy cã ­u ®iÓm lµ d¹ng ®iÖn ¸p tùa rÊt chÝnh x¸c, dung l­îng cña tô C cÇn rÊt nhá nªn kh«ng cÇn ®iÖn trë b¶o vÖ Tr. MÆt kh¸c, do ®iÖn trë ®Çu ra cña IC nhá nªn d¹ng ®iÖn ¸p ra hÇu nh­ kh«ng phô thuéc vµo ®iÖn trë t¶i m¾c ë ®Çu ra cña IC. §iÖn ¸p ra cã d¹ng gÇn lý t­ëng. §Ó n©ng cao chÊt l­îng lµm viÖc cña hÖ thèng ta sö dông m¹ch nh­ ë s¬ ®å h×nh vÏ sau: Khâu so sánh: Để tạo ra một hệ thống xung xuất hiện một cách chu kỳ với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa (cũng là chu kỳ nguồn cung cấp cho bộ chỉnh lưu) và điều khiển được thời điểm xuất hiện các xung ta sử dụng mạch so sánh. Có thể thực hiện khâu so sánh theo nhiều mạng khác nhau, ở đây ta dùng IC khuyếch đại thuật toán và cách nối hai tín hiệu URC và Uđk theo cách tổng hợp song song sơ đồ như sau. a. Thiết bị của mạch gồm: - IC1 là IC khuyếch đại thuật toán có nhiệm vụ khuyếch đại và so sánh tín hiệu URC và Uđk. URC là điện áp răng cưa có chu kỳ theo điện áp thuận đặt lên các van ở mạch động lực, còn Uđk là điện áp điều khiển. - Điốt D2 bảo vệ đầu ra của mạch so sánh. b. Nguyên lý làm việc Các điện áp răng cưa URC và điện áp điều khiển Rđk được đưa vào mạch so sánh với cực tính khác nhau. Cụ thể trên sơ đồ ta có URC > 0 còn Uđk < 0 , IC thuật toán làm nhiệm vụ so sánh và tại thời điểm thì đầu ra khối so sánh Ura sẻ thay đổi trạng thái cụ thể: Khi : Ura < 0 < 900 : Ura > 0 > 900 : Ura đổi chiều. Quá trình này được mô tả trên giản đồ điện áp của mạch điều khiển. 3. Khâu tạo xung Để đảm bảo yêu cầu về độ chính xác của thời điểm xuất hiện xung, sự đối xứng của xung ở các kênh khác nhau. Ta thiết kế cho khâu so sánh làm việc với công suất ra nhỏ, do đó xung ra của khâu so sánh chưa đáp ứng đủ các thông số yêu cầu của cực điều khiển Tiristor. Vì vậy phải thiết kế thêm mạch khuyếch đại xung, sữa xung… gọi là mạch tạo xung. Thiết bị của mạch bao gồm - R7, C1, D2, Tr2, Tr4 có nhiệm vụ sửa xung. - Tr3, Tr4, D3, D4, BAX có nhiệm vụ khuyếch đại và truyền xung cung cấp cho cực G của Tiristor. Nguyên lý làm việc của mạch tạo xung - Xung truyền đến cực điều khiển Tiristor dùng máy biến áp xung BAX. Máy biến áp xung ghép giữa đầu ra của tầng khuyếch đại công suất xung với cực điều khiển G và K của Tiristor. - Khuyếch đại xung: Dùng tầng khuếch đại Đalinhtơn mạch khuyếch đại có hệ số khuyếch đại là : trong dó là hệ số khuyếch đại của Tr3 ,Tr4) Sửa xung: Khi điện áp đầu ra của khâu so sánh có giá trị dương, tụ C1 sẽ nạp (D2 khoá Tr3, Tr4 mở bởi xung dương theo đường + USS R7 - C1 Tr3 Tr4 - USS nên UC1 : UCC(+) điện áp đầu ra của khâu so sánh có giá trị âm, đi ốt D2 phân cực thuận, Tr3 và Tr4 khóa, tụ C1 phóng điện ( + C1 ) R7 USS D2 (-C1) tụ C1 phóng nhanh về 0 và nạp lại với điện áp có cực tính ngựơc lại với hằng số thời gian = R7.C1. Do đó Tr3 và Tr4 không khóa lại ngay mà dần khóa lại tùy thuộc , quá trình đó gọi là quá trình sửa xung. Xuất phát từ nguyên lý hoạt động của khâu so sánh ta thấy: Khi thấy đổi trị số điện áp điều khiển Uđk để thay đổi góc điều khiển a thì độ dài của các xung ra của khâu so sánh thay đổi. Mạch sửa xung: Như vậy sẽ xuất hiện tình trạng một số trường hợp độ dài xung quá ngắn không đủ để mở các Tiristor hoặc độ dài xung quá lớn, gây tổn thất lớn trong mạch phát xung. Mạch sửa xung nhằm khắc phục các vấn đề nêu trên. Mạch làm việc theo nguyên tắc khi có xung vào với độ dài khác nhau nhưng mạch vẫn cho xung ra có độ dài bằng nhau theo yêu cầu và giữ nguyên thời điểm xuất hiện của mỗi xung. Sơ đồ nguyên lý của một mạch sửa xung như hình vẽ. Trong sơ đồ: UV là điện áp vào của mạch, đó chính là điện áp ra của khâu so sánh (điểm E) có mức bão hoà dương và âm. Các phần tử R11 và C2 sẽ quyết định độ dài của xung ra. Nguyên lý làm việc của mạch sửa xung như sau: Khi điện áp vào UV ở mức bão hoà dương cùng với điện trở định thiên R12, Tr6 mở bão hoà, tụ C2 được nạp với cực tính như phía trên (qua C2 –R11-Tr6). Tr6 mở bão hoà làm điểm F có mức lôgíc “0”. Mức lôgíc này tồn tại trong suốt quá trình UV bão hoà dương. Khi điện áp UV ở mức bão hoà âm, tụ C2 phóng điện (qua D1...) đặt thế âm lên mạch phát – gốc của Tr6 làm Tr6 khoá dẫn đến điểm F có mức lôgíc “1”, nghĩa là đầu ra nhận được xung ra. Do điện trở ngược của Tr6 rất lớn nên Ura » Ucc. Khi C2 phóng hết điện tích, nó sẽ được nạp theo chiều ngược lại. Nhờ có R12 mà thế (+) lại đặt lên mạch phát – gốc của Tr6 làm đầu ra lại có mức lôgíc “0”. Mặc dù còn xung âm ở đầu vào nhưng nhờ có R12 mà Tr6 mở bão hoà. Thời gian tồn tại xung được xác định theo biểu thức: tx = R11.C1.ln2 (2-15) Độ dài của xung chỉ phụ thuộc vào gía trị của R11 và C2 do đó các xung ra luôn có giá Hình 2-9 Giản đồ điện trị không đổi. áp khâu sữa xung Thiết bị đầu ra (Mạch truyền xung): Thông thường có 2 cách truyền xung từ đầu ra hệ thống điều khiển mạch G - K của Tiristor là truyền xung trực tiếp và truyền xung qua máy biến áp xung. Truyền xung qua BAX có ưu điểm là: Đảm bảo sự cách ly tốt về điện giữa mạch động lực và mạch điều khiển bộ chỉnh lưu. Dễ dàng thực hiện việc truyền đồng thời các xung đến các Tiristor mắc nối tiếp nhau hoặc song song bằng cách dùng BAX nhiều cuộn thứ cấp. Dễ dàng phối hợp giữa điện áp nguồn cung cấp cho tầng khuyếch đại công suất xung và biên độ xung cần thiết trên cực điều khiển của Tiristor nhờ việc chọn tỷ số BAX hợp lý. BAX về cơ bản kết cấu giống như biến áp bình thường công suất nhỏ. Hoạt động của BAX tương tự biến áp thờng với dòng điện không sin hoặc có thể xác định như là phi tuyến và sẽ bằng không khi mạch từ bão hoà. BAX có mạch từ rất chóng bão hoà, nó chỉ hoạt động trong thời gian ngắn. Mạch khuyếch đại xung: Để khuyếch đại công suất của xung điều khiển, hiện nay phổ biến nhất là các sơ đồ khuyếch đại bằng Tiristor và Transistor. Hình bên là sơ đồ mạch khuyếch xung dùng Transistor khá phổ biến hiện nay. Tín hiệu đầu vào UV của mạch khuếch đại xung sử dụng 2 Transistor ghép nối tiếp (còn gọi là ghép kiểu Darlinhtơn). Tr7 và Tr8 mắc nối tiếp tương đương một Transisto có hệ số khuếch đại dòng điện b = b1.b2. (2-16) Chức năng của các phần tử trong sơ đồ: D2 là điôt có tác dụng giảm dòng điện qua cuộn dây sơ cấp của BAX khi các Transistor khoá, đồng thời hạn chế quá điện áp trên Transistor. D3 để bảo vệ cuộn dây thứ cấp của BAX như đối với D2 của mạch sơ cấp. D4 để ngăn xung âm có thể tới cực điều khiển của Tiristor như các Transistor khác. Các điện trở để hạn chế xung áp đầu vào và dòng điện cực góp của Transistor. Nguyên lý làm việc của sơ đồ: Tín hiệu vào của mạch là là tín hiệu ra của mạch gửi xung là tín hiệu lôgíc. Gọi txv là thời gian tồn tại của một xung điện áp vào tbh là thời gian tính từ lúc có dòng điện một chiều qua cuộn dây sơ cấp của BAX (khi Tr7 và Tr8 mở bão hoà) đến lúc lõi thép bão hoà từ. txr là thời gian tồn tại của xung ra. a) khi tbh > txv b) khi tbh < txv Xét trường hợp tbh > txv: - Trong khoảng thời gian t = 0 – t1, chưa có xung vào, không có dòng qua BAX nên thứ cấp của máy không có tín hiệu. - Khi t = t1, xuất hiện xung vào, Tr7,Tr8 mở bão hoà nên cuộn W1 có dòng điện chạy qua, làm cảm ứng sang phía thứ cấp xung điện áp, tạo dòng điện qua D4 đến mạch G-K của Tiristor. - Khi t = t2 ( lúc này mạch từ chưa bão hoà) mất xung vào. Transistor7, Transistor 8 đóng dòng điện sơ cấp giảm về không qua D2. Bên thứ cấp có s.đ.đ cảm ứng (ngược chiều với ban đầu do tự cảm) nhưng nhờ D4 mà xung âm không truyền tới Tiristor. Xung dòng âm khép mạch qua R17 và D3 tiêu tán trên điện trở. Nhờ có D2 và D3 mà không xuất hiện điện áp tự cảm rất lớn trên dây quấn sơ thứ của BAX. Khi tbh < txv: - Khi t < t1 chưa có xung đầu vào, Tr7,8 khoá, không có xung điều khiển - Khi t = t1: Xuất hiện xung vào làm Tr7,8 mở bão hoà làm xuất hiện xung điều khiển. - Khi t = t1 + tbh mạch từ BAX bị bão hoà, từ thông lõi thép bằng const nên mất xung cảm ứng trên W2. - Khi t = t2 dòng điện sơ cấp về không làm xuất hiện xung âm trên dây quấn thứ cấp nhưng không đưa đến mạch G-K như đã nói trên. Như vậy thời gian làm việc của mạch từ BAX có ảnh hưởng rất lớn đến độ dài của xung điều khiển. Khi tbh > txv thì độ dài xung điều khiển bằng độ dài xung vào. Còn trong trường hợp ngược lại, độ dài xung điều khiển chính bằng thời gian bão hoà mạch từ của BAX. Do đó cần cho BAX có thời gian bão hoà từ đủ lớn. 4. Thiết kế mạch tổng hợp và khuếch đại các tín hiệu điều khiển, mạch tạo điện áp chủ đạo: Nhằm giúp hệ thống truyền động làm việc với tốc độ ổn định và đồng thời có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ ta phải thiết kế mạch khuếch đại trung gian được biểu diễn như sau: a. Mạch khuếch đại trung gian. * Sơ đồ khâu khuếch đại trung gian: Hình 2.4.9 : Sơ đồ mạch khuếch đại trung gian * Thiết bị của khâu khuếch đại trung gian gồm: - IC là khuếch đại thuật toán có nhiệm vụ tổng hợp, khuếch đại tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi âm tốc độ. - WR5 là biến trở để hạn chế phạm vi điều chỉnh. - R11 là điện trở phản hồi của IC. * Nguyên lý làm việc: Giả sử khi khởi động tốc độ động cơ n = 0 Uv = Ucđ (+) qua IC có Ura (-) = Uramax(-). Tr5 mở bão hoà Uđk 0 đây là quá trình cưỡng bức khởi động. Tốc độ động cơ tăng dần lên, Uv giảm dần đến Tr5 mở kém đi, Uđk tăng theo chiều âm (Uđk01). ĐC chuyển sang quá trình làm việc xác lập ổn định tốc độ. Muốn tăng giảm tốc độ ta tăng hoặc giảm Ucđ bằng cách điều chỉnh WR6 b. Mạch tạo điện áp chủ đạo: Hình 2.4.10: Sơ đồ mạch tạo điện áp chủ đạo c. Mạch phản hồi âm dòng có ngắt: Vì một lý do nào đó dòng điện trong mạch phần ứng động cơ tăng cao thì dòng ra ở cuộn thứ cấp của máy biến dòng BI tăng dẫn đến WR2 tăng cao đưa đến WR, điện áp điều khiển này lớn hơn Urc góc mở lớn thời điểm xuất hiệnn xung muộn điện áp ra của bộ chỉnh lưu giảm động cơ giảm tốc độ và dừng lại để bảo vệ động cơ. Hình 2.4.11: Sơ đồ mạch phản hồi âm dòng có ngắt d. Khâu tổng hợp và phản hồi âm tốc độ. * Sơ đồ: Hình 2. 4.12: Sơ đồ mạch tổng hợp và phản hồi âm tốc độ Trong đó: - Tín hiệu phản hồi âm tốc độ lấy từ máy phát tốc. - Khâu OA6 là khâu tổng hợp và khuếch đại. - Khâu OA7 là khâu tạo ra điện áp điều khiển thuận. - Khâu OA8 là khâu tạo ra điện áp điều khiển ngược. 5. Thiết kế khâu phản hồi: Hình 2.4.13: Sơ đồ khâu phản hồi Đối với hệ truyền động ngoài yêu cầu về phạm vi điều chỉnh tốc độ thì ổn định tốc độ khi làm việc cũng rất quan trọng. Trong hệ thống truyền động này ta thiết kế mạch phản hồi âm tốc độ để nâng cao đặc tính cơ. Tốc độ động cơ được truyền đến máy phát tốc. Máy phát tốc là một máy điện 1 chiều có điện áp ra tỷ lệ với tốc độ động cơ. Tín hiệu phản hồi lấy trên WR4 và đưa vào khâu tổng hợp tín hiệu (KĐTG ) xử lý. 6. Thiết kế mạch nguồn nuôi một chiều: Nguồn cung cấp cho toàn mạch điều khiển được lấy trên 2 cuộn thứ cấp của máy biến áp đồng bộ xoay chiều một pha và được chỉnh lưu qua CL1 và CL2. Trong đó: + Điốt cầu CL1 và tụ C3, C5, IC 7815 dung để ổn định điện áp và cung cấp nguồn nuôi cho các kênh điều khiển. + Điốt cầu CL2 và tụ C4, C6, IC 7815 dùng để ổn định điện áp và cung cấp nguồn nuôi cho các kênh điều khiển. CHƯƠNG 5: XÉT TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG I. Xét tính ổn định và hiệu chỉnh hệ thống: 1. Mục đích và ý nghĩa. Trong quá trình làm việc của hệ thống truyền động điện tự động, do nhiễu loạn hoặc do nhiều nguyên nhân khác mà hệ thống có thể bị mất ổn định. Tính ổn định của hệ thống là tính hệ thống có thể trở lại trạng thái ban đầu khi nhiễu loạn mất đi sau một khoảng thời gian nào đó hoặc khả năng xác lập trạng thái ổn định mới khi sai lệch đầu vào thay đổi. Xét ổn định cho hệ thống là xem hệ thống có ổn định hay không dựa vào các tiêu chuẩn ổn định. Từ đó ta tiến hành hiệu chỉnh hệ thống để hệ thống làm việc an toàn, tin cậy đạt được các yêu cầu mong muốn. Dựa vào đặc tính tĩnh của hệ thống ta thấy rằng các phản hồi âm dòng và âm tốc độ luôn có xu hướng làm ổn định hệ thống. Chỉ có phần đặc tính làm việc có đặc tính cơ cứng nhất là dễ mất ổn định hơn cả. Do đó ta chỉ xét ổn định ở vùng này, trong vùng này chỉ có phản hồi âm tốc độ tác dụng. Sơ đồ khối của hệ thống lúc này được biểu diễn trên hình vẽ sau: 2. Xét ổn định của hệ thống: a. Mô tả toán học các phần tử hệ truyền động T-Đ * Mô tả toán học chỉnh lưu điều khiển: Ta có sơ đồ thay thế mạch chỉnh lưu khi van dẫn dòng như sau : Hình 2.5.1: Sơ đồ thay thế mạch chỉnh lưu điều khiển. Hệ số chính lưu : Do tính chất dẫn xung và tính chất bán điều khiển của chỉnh lưu nên thời điểm thay đổi tín hiệu điều khiển không trùng với thời điểm thay đổi góc a. Độ dài thời gian trễ này có đặc tính ngâu nhiên. Do có khoảng thời gian trễ t nên: KCL . e-P.t.Uđk = Ud Hàm truyền của khâu chỉnh lưu: Khi tần số điện áp xoay chiều đủ lớn có thể dùng biến đổi gần đúng từ khai triển Mc.Lauin. Và khi này có thế thay thế hàm trễ bằng một khâu quán tính. Nên : - Sơ đồ cấu trúc của khâu chỉnh lưu như sau: Hình 2.5.2: Sơ đồ cấu trúc khâu chỉnh lưu. * Mô tả toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Ta có sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau: Hình 2.5.3: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều. Xét ở chế độ quá độ, động cơ điện một chiều ta sẽ có các phương trình mô tả sơ đồ thay thế như sau: Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng: Biến đổi Laplace ta được : Suy ra, ta có sơ đồ sau: (-) Với : ( : Hằng số thời gian quán tính điện từ) Phương trình chuyển động của hệ: Hay: Trong đó: Cm.Φ = Φ = 24 Với ( : Hằng số thời gian quán tính cơ học ) Chuyển sang toán tử Laplace ta có: Mặt khác ta có : Suy ra: Suy ra, ta có sơ đồ sau: (-) Từ các phương trình mô tả toán học trên ta có sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều như sau: Hình 2.5.4: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều * Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ hở hệ thống T-Đ: Căn cứ vào sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu và sơ đồ cấu trúc động cơ ta có sơ đồ cấu trúc động hệ thống khi chưa có khâu điều chỉ như sau: Hình 2.5.5: Sơ đồ cấu trúc hệ hở. Trong thực tế người ta thường bỏ qua khâu phản hồi sđđ trong tính toán các quá trình quá độ do quán tính càng lớn của w nên có sự biến thiên chậm so với đại lương điện. b. Xét tính ổn định hàm truyền hệ hở: Vì vậy ta có hàm truyền hệ hở (giả thiết IC(p) = 0) như sau: Trong đó: Đối với sơ đồ cầu 3 pha , thời gian trễ Giải phương trình đặc trưng: Ta có nghiệm: p1 = -100 p2 = -600 p3 = 0 Vậy hệ hở chưa ổn định, do đó em tiến hành thiết kế hai mạch phản hồi để bù sai lệch tĩnh, tăng cường độ chính xác và độ ổn định, cũng như tác động nhanh và tự động chống nhiễu phụ tải. 3. Thiết kế mạch điều chỉnh với hai vòng phản hồi tốc độ và dòng điện. a. Đặt vấn đề. Trong các hệ điều chỉnh tự động nói chung luôn tồn tại các phần tử có chứa các hằng số thời gian lớn như hằng số thời gian điện cơ, hằng số thời gian điện từ, hằng số thời gian dây quấn kích từ… Và một phần chứa các hằng số thời gian nhỏ như hằng số thời gian nhỏ như hằng số thời gian của xenxơ, hằng số thời gian của mạch điều khiển Thyristor ... Nếu ta có 1 đối tượng có hàm truyền: WĐT(P) = K1 ….. Kn : Hệ số khuyếch đại của các khâu trong hệ thống. m : Số khâu quán tính của hệ thống. Ti : Hằng số thời gian quán tính của các khâu quán tính. Nếu mạch có nhiều khâu quán tính có hằng số thời gian lớn thì độ tác động nhanh của hệ thống sẽ kém, sự ổn định của hệ kém, đồng thời sai số tĩnh sẽ lớn. Nên việc tổng hợp các bộ điều chỉnh được thực hiện theo từng mạch vòng để sao cho bù được các khâu có hằng số thời gian lớn để qua đó giảm được cấp cho mạch hở nhằm giảm sai lệch điều chỉnh và cải thiện chất lượng điều chỉnh của hệ thống là một việc rất quan trọng. Hình 2.5.6: Mô tả đặc tính quá độ của dòng điện Do đó ta phân tích đối tượng ra làm hai khâu: Mẫu số đối tượng : Trong đó: n : là số khâu có hằng thời gian lớn cần khử. m : là số khâu có hằng số thời gian nhỏ không cần khử. Theo lý thuyết điều khiên tự động, muốn khử một khâu nào đó, ta chỉ cần đưa thêm vào hệ thống một khâu có hàm truyền bằng nghịch đảo của khâu cần khử. Trong hệ thống truyền động điều chỉnh thường sử dụng các phương pháp hàm chuẩn tối ưu. b. Các phương pháp dùng hàm chuẩn tối ưu. * Phương pháp dùng tiêu chuẩn môdul tối ưu. Hàm chuẩn theo tiêu chuẩn môdul tối ưu.(tr.20_ĐCTĐ_Bùi Quốc Khánh) (1) Xét đối tượng là hàm hưu sai có hàm truyền; (2) , với T1 < T2 Khi đó hàm truyền của khâu điều chỉnh R(p) được xác định theo biểu thức: (3) Chọn td= min{T1;T2}= T1 và thay S0(p) ở biểu thức (2) ta có: (4) Với hàm truyền R(p) thì sẽ bù được khoảng thời gian lớn T2. Nhân cả tử và mẫu của (4) với T2 ta có: Với: ; TR =T2. Đây chính là khâu PI, do đó dùng mạch sau để thực hiện hàm truyền R(p). Với: KR = R2/R1 là hệ số khuyếch đại. TR = R2.C2 là hằng số thời gian. Hình 2.5.7 Cấu trúc mạch tích phân tỷ lệ. Tuy nhiên bộ điều chỉnh PI có cấu trúc như trên vẫn có nhược điểm trong việc điều chỉnh độc lập hai tham số KR và TR. Để khắc phục nhược điểm trên ta dùng bộ PI có cấu trúc như sau: Hình 2.5.8. Cấu trúc mạch tích phân tỷ lệ với hai thông số độc lập Trong đó: U1w : Tín hiệu đặt U1 : Tín hiệu phản hồi. U2 : Tín hiệu điều khiển. Kết quả ta được: Như vậy ta có thể điều chỉnh hằng số thời gian TR, bằng cách thay đổi R2. Sau đó chỉnh định hệ số khuyếch đại bằng việc chỉnh định a ta có thể thay đổi KR rất rộng. Như vậy hàm truyền hệ hở là: Hàm truyền hệ kín. Do hằng số T1 nhỏ nên có thể coi * Phương pháp tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. Hàm chuẩn tối ưu đối xứng có dạng: (T.23_ĐCTĐTDĐ - Bùi Quốc Khánh) (5) Xét hệ thống S0(p) có dạng : (6) Trong đó: TS : là tổng của các hằng số thời gian nhỏ. T1 : là hằng số thời gian lớn. Dùng hàm chuẩn tối ưu đối xứng để tổng hợp hệ thống nhằm bù được hằng số thời gian lớn T1 để đáp ứng yêu cầu về điều khiển hệ thống. Hàm truyền của khâu điều khiển R(p) được xác định theo biểu thức : (7) Thay FĐX(p) từ biểu thức (5) ta được : Chọn td = min{T1;TS}=TS và thay S0(p) ở biểu thức (6) ta có: (8) Từ biểu thức (8) ta có R(p) là khâu tích phân tỷ lệ PI: Với : Vậy : Hàm truyền hệ hở: Hàm truyền hệ kín: c. Tổng hợp mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ. * Sơ đồ cấu trúc của hệ. Khi xét hàm truyền của hệ theo tín hiệu U thì ta bỏ qua khâu nhiễu loại phụ tải. Khi đó ta có sơ đồ cấu trúc như sau: Hình 2.5.9: Sơ đồ cấu trúc của hệ Trong đó: Ww : là bộ điều chỉnh tốc độ. WI là bộ điều chỉnh dòng điện. Wp là bộ chỉnh lưu. b là hệ số phản hồi âm dòng. g là hệ số phản hồi âm tốc độ. * Xác định một số thông số cơ bản: Hệ số khuyếch đại của động cơ: Hằng số thời gian điện từ của động cơ : Hệ số khuyếch đại của bộ chỉnh lưu được xác định : Ta có : Xét quan hệ Ud = f(a). Từ phương trình điện áp chỉnh lưu cầu 3 pha ta có: Xét quan hệ Udk = f(a). Vì góc a phụ thuộc vào điện áp điều khiển với các giá trị Uđk khác nhau thì thời điểm mở khác nhau nên ta có: Chọn Urc max = 12(V) là điện áp răng cưa cực đại phụ thuộc vào dung lượng của tụ C (trong mạch phát xung răng cưa). Cho a biến thiên từ (0¸900) ở các biểu thức trên ta có: a 0 p/6 p/3 p/2 Udk 0 2 4 6 Ud 253,422 219,47 126,71 0 Để đơn giản trong tính toán và trong giới hạn cho phép ta có thể tuyến tính hoá đường cong khi coi hệ khuyếch đại của bộ chỉnh lưu Kp = const. Phản hồi dòng được lấy từ Shuntn dòng loại loại 70A/750mV mắc nối tiếp với động cơ. Hệ số phản hồi dòng Hệ số phản hồi tốc độ: Do điện áp ra của máy phát tốc được đưa vào bộ khuyếch đại trung gian nên chỉ lấy một phần qua triết áp với Chọn loại máy phát tốc có: n= 1500(v/p) Uđm=220(V) * Tổng hợp mạch vòng dòng điện. Sơ đồ cấu trúc: Do Tm >> Te nên sự biến thiên tốc độ n hay EĐ chậm hơn Id. Xét trong thời gian Δt ta xem như ΔEĐ = 0, nên bỏ qua nhiễu EĐ tham gia vào mạch vòng dòng điện. Do vậy ta sẽ được sơ đồ cấu trúc sau khi bỏ qua nhiễu và đơn giản hoá là: Hình 2.5.10: Sơ đồ cấu trúc tổng hợp mạch vòng dòng điện Ta có: (vì bộ chỉnh lưu là cầu 3pha nên τ = 0,00167) * Phân tích: - Mạch vòng dòng điện điều chỉnh quá trình quá độ của hệ thống, nên dòi hỏi độ chính xác cao. - Hàm truyền của đối tượng là dạng đặc thù của Tối ưu modul - Trong mạch vòng dòng điện không có nhiễu loạn => Kết luận: Hiệu chỉnh mạch vòng dòng điện thành hệ thống điển hình loại I. Vì vậy theo Tối ưu modul ta có hàm truyền của Bộ điều chỉnh là: Theo phương pháp modul tối ưu: Với: Với: Vậy : Thực hiện Bộ điều chỉnh. Ta có sơ đồ nguyên lý: Ta có: * Tổng hợp mạch vòng tốc độ. * Biến đổi mạch vòng dòng điện thành một khâu tương ứng. với => chia cả tử và mẫu cho KI ta được: xử lí gần đúng: với điều kiện là: ta được: Với * Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống mạch vòng tốc độ: (-) (-) * Biến đổi sơ đồ đưa về sơ đồ cấu trúc cơ bản ta được: (-) với Mc(p) = 0, xử lý gần đúng: Do T rất nhỏ nên: với điều kiện là: => Sơ đồ cấu trúc sau xử lý gần đúng là: (-) * Phân tích: dựa vào sơ đồ ta thấy hệ thống phải chống nhiễu tốt, chịu tác động của tín hiệu đặt. => hệ thống sau hiệu chỉnh là hệ thống điển hình loại II. Ta có: hàm truyền đối tượng của hệ thống: với Theo tối ưu đối xứng và với hàm truyền đối tượng như vậy tra bảng (9) ta được hàm truyền của Bộ điều chỉnh: và phối hợp tham số τ2 = hTΣn Hàm truyền hở của hệ thống sau hiệu chỉnh: vớiτ2=hTΣn =6.0,0184 = 0,1104ms và Chọn . ; chọn h = 6 => Vậy hàm truyền của BĐC được viết lại là: Kiểm nghiệm các điều kiện gần đúng. Từ h = 6, tra bảng (4) ta được => với . Kiểm tra với điều kiện (2) và (3) ta có: (2) (3) Do điều kiện (3) không thoã mãn nên chọn lại h = 7, tra bảng (4) ta được => Kiểm tra với điều kiện (2) và (3) ta có: Vậy cả hai điều kiện đều thoả mãn. Vậy hàm truyền của BĐC được viết lại là: Thực hiện Bộ điều chỉnh. Ta có sơ đồ nguyên lý: Ta có: Sau khi tổng hợp các mạch vòng dòng diện và tốc độ ta có sơ đồ nguyên ly như sau: Hình 2.5.12: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống CHƯƠNG 6: X ÂY DỰNG SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ THUYẾT MINH SƠ ĐỒ I. Giới thiệu sơ đồ: * Hệ thống trang bị điện điều khiển động cơ truyền động của cơ cấu xe cầu của cầu trục đã thiết kế thỏa mãn các yêu cầu sau: - Khởi động động cơ cả hai chiều. - Dừng động cơ. - Tự động ổn định tốc độ và tự động hạn chế dòng phụ tải . - Điều chỉnh được tốc độ với phạm vi rộng * Hệ thống gồm 2 mạch chính: - Mạch động lực: Động cơ điện một chiều kích từ song song. Mạch chỉnh lưu cung cấp nguồn một chiều cho động cơ là mạch chỉnh lưu cầu có điều khiển bao gôm hai bộ điều khiển mắc song song ngược. Cuộn kháng cân bằng dung để lọc dòng phần ứng của động cơ. Máy biến áp dòng để láy tín hiệu tốc độ cho khâu phản hồi mạch sẽ tạo góc dịch pha so với điện áp lưới. Để tác dụng khâu khuếch đại trung gian tạo ra điện áp để đưa tới - Mạch điều khiển gồm: Hai bộ phát xung và điều khiển , một bộ phát xung cho bộ thuận, một bộ phát xung cho bộ ngược. Mỗi bộ gồm 6 kênh phát xung, các kênh này đều sử dụng , BA xung khuếch đại thuật toán, để tổng hợp và khuếch đại xung. Tín hiệu điều khiển được tổng hợp từ điện áp chủ đạo dương, tín hiệu phản hồi âm tốc độ, tín hiệu phản hồi âm dòng có ngắt qua khâu khuếch đại trung gian được cấu tạo từ các khuếch đại trung gian. MBA đồng bộ để tạo ra tín hiệu đồng bộ cho các kênh phát xung. Bộ nguồn nuôi để tạo ra nguồn nuôi cho các , BA xung. II.Nguyên lý làm việc của hệ thống: 1.Khởi động: Đóng Aptomat cung cấp điện cho hệ thống truyền động điện ( mạch kích từ, máy biến áp động lực, nguồn nuôi mạch điều khiển). Khi tải đã được móc vào móc treo, ấn nút M cuộn dây Contactor ĐG có điện, tiếp điểm DG = 1 tạo mạch duy trì cho ĐG, ĐG(đl)=1 cấp điện cho động cơ. Ta phát lệnh điều khiển mở các van T1 – T12 với góc mở α1 900 sao cho α1 + α2 = 1800 (α1 – góc mở của T1 – T6, α2 – góc mở của T7 – T12 ). Cấp động cơ quay, tăng tốc trên đặc tính với 2 phản hồi. Khi đến khi phảnhồi âm dòng khóa lại động cơ tăng tốc trên đặc tính chỉ còn 1 phản hồi. Khi thì động cơ làm việc xá lập. 2. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ: Có nhiều phương pháp để điều chỉnh tốc độ, ở đây em dung phương pháp thay đổi để điều chỉnh tốc độ. Khi tải được móc vào móc treo, ấn nút M, khối tạo xung làm việc tạo ra các xung điều khiển mở Thyristor thông qua khối LOG và máy biến áp xung để tạo ra các xung điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu. Ta phải chọn tín hiệu điều khiển, mạch khuếch đại trung gian và tín hiệu này được so sánh với tín hiệu răng cưa. Nếu thay đổi độ lớn Uđk thì sẽ thay đổi thời gian xuất hiện xung. Nghĩa là thay đổi được góc mở α1 ( α2 ) của các bộ chỉnh lưu. Để điều khiển tốc độ động cơ phù hợp với các chu trình ta dùng các công tắc để cấp tín hiệu. Khi muốn máy chạy chậm thì góc mở α của bộ biến đổi phải lớn → Uđk nhỏ, ngược lại muốn máy chạy nhanh thì góc mở α nhỏ → Uđk lớn. Muốn đảo chiều động cơ thì ta sẽ tiến hành điều khiển để đảo chiều điện áp Ud. Quá trình được thực hiện như sau: Gỉa sử, BBĐ đang làm việc ở chế độ nghịch lưu với góc điều khiển còn BBĐ khóa. Động cơ Đ được cấp điện quay thuận. Khi có lệnh đảo chiều bởi U, góc mở tăng lớn hơn , dòng điện phần ứng giảm dần về 0. Khi cảm biến dòng điện 0 phát tín hiệu, khối LOG sẽ cắt xung điều khiển đưa vào BBĐ và BBĐ khóa lại. Sau đó, cũng khối LOG cho tín hiệu cấp xung để xung điều khiển từ máy phát xung tới BBĐ. Góc mở với giá trị được quyết định bởi U. Điện áp phần ứng động cơ đổi dấu và động cơ quay ngược. Kết luận: Sau hơn hai tháng nghiên cứu tài liệu và được sự giúp đỡ, chỉ bảo của thầy giáo Nguyễn Anh Tuấn em đã hoàn thiện bản đồ án của mình. Trong quá trình làm đồ án với kiến thức đã học tại trường đặc biệt là các môn chuyên nghành và hơn nữa là em đã nghiên cứu tìm hiểu tài liệu trong thư viện nhà trường, trên mạng internet cũng như tài liệu, giáo trình của thầy Nguyễn Anh Tuấn tìm giúp. Và với sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy, cô trong bộ môn em đã thu được một số thành quả nhất định: + Biết được cách trình bày kết cấu cơ bản của một bản đồ án. + Biết tìm tòi, chắt lọc những tài liệu phù hợp cho nội dung của đồ án. + Qua đồ án của mình em đã hiểu được quy trình công nghệ của thiết kế cho bộ biến đổi điện tử công suất cho các cơ cấu truyền động và đặc biệt là cơ cấu truyền động nâng hạ Mặc dù do thời gian làm đồ án còn ngắn và trình độ kiến thức của bản thân còn hạn chế nên bản đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô cùng các bạn để đồ án của em hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Lê Văn Dinh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền, Truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2006. [2] TS. Trần Thọ, PGS.TS. Võ Quang Lạp, Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội. [3] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội. [4] Nguyễn Mạnh Tiến, Vũ Quang Hồi, Trang bị điện – điện tử máy gia công kim loại, Nhà xuất bản giáo dục. [5] Vũ Quang Hồi, Nguyễn Văn Chất, Nguyễn Thị Liên Anh, Trang bị điện – điện tử máy công nghiệp dùng chung, Nhà xuất bản giáo dục. [6] Bộ môn TĐ-TL, Khoa Điện, Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ, [7] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2004. [8] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2006. [9] Hướng Dẫn thiết kế điện tử công suất, Tác giả: Phạm Quốc Hải [10] Máy nâng – tác giả Phạm Quốc Hải [11] Trang bị điên- Điện tử tự động hoá cầu trục & cần trục – Tác giả Bùi Quốc Khánh và Hoàng Xuân Bình [12] Thiết kế máy điện – Tác giả Trần Khánh Hà .