Tính chọn công suất và thiết kế hệ thống truyền động điện cho truyền động chính của máy bào giường

máy lớn. Vốn đầu tư ban đầu cao. Điều chỉnh sâu (tốc độ rất nhỏ) bị hạn chế. 1.2. Các hệ máy phát - động cơ mở rộng. Hê F - Đ có MKĐ tự kích từ. MKĐ tự kích từ là máy phát điện có nhiều cuộn kích từ (>=2).Mạch kích từ của máy được chế tạo từ vật liệu có đường từ trễ hẹp, từ dư bé, ít bị bão hoà. Hình 7 là sơ đồ nguyên lý một hệ F - Đ (công suất trung bình) mà kích từ máy phát F được cấp bởi một MKĐ tự kích. Hình 7: Sơ đồ nguyên lý hệ F-Đ có máy điện khuếch đại tự kích từ CK1: cuộn chủ đạo hay cuộn điều khiển được cấp điện từ nguồn một chiều ổn định. Điện áp đặt vào cuộn này thay đổi được nhờ biến trở R1. Điện áp đặt Uđ sẽ định giá trị s.đ.đ. máy phát EF cũng là một trị số tốc độ của động cơ. CK2 cuộn phản hồi dương dòng điện của động cơ Đ (cũng là dòng điện của máy phát F). CK3 cuộn phản hồi âm điện áp động cơ (cũng là điện áp máy phát). CK4 cuộn kích từ của MKĐ. Sức từ động sinh ra trong các cuộn CK1, CK2, CK4 là cùng chiều nhau còn S.t.đ. của cuộn CK3 có chiều ngược lại. S.t.đ. tổng kích từ của MKĐ sẽ là: (….) Trong đó giá trị chủ yếu do F1 quyết định. Khi S.t.đ. tổng của MKĐ thay đổi sẽ làm s.đ.đ của nó phát ra thay đổi, dẫn tới thay đổi dòng kích từ máy phát F do đó s.đ.đ EF và tốc độ động cơ Đ thay đổi. Sự thay đổi này tuỳ thuộc vào giá trị Uđ đặt vào cuộn chủ đạo CK1. Hai cuộn phản hồi dương dòng điện CK2 và âm điện áp CK3 có tác dụng nâng cao độ cứng của đặc tính cơ, do đó nâng cao ổn định tốc độ của hệ thống khi tải của động cơ biến động. Giả sử mômen tải (momen cản MC) tăng làm tốc độ động cơ tụt thấp thì dòng điện phần ứng động cơ Iư và máy phát IF tăng, điện áp máy phát UF giảm xuống (UĐ giảm). Tương ứng điều đó s.đ.đ F2 tăng (do phản hồi dương dòng điện) và F3 giảm (do phản hồi âm điện áp), dẫn tới s.t.đ. tổng theo biểu thức (…)tăng lên. Khi s.t.đ tổng tăng thì s.đ.đ của MKĐ tăng, kích từ tăng, UF tăng. Điện áp đặt vào phần ứng động cơ tăng lên sẽ kéo tốc độ động cơ tăng lên lấy lại tốc độ cũ. Khi phụ tải động cơ giảm thì quá trình diễn biến ngược lại. Như vậy, muốn tốc độ động cơ ổn định (Đ = const), cần phải điều chỉnh sao cho (F2 – F3) tỉ lệ với Đ. Phản hồi dương dòng điện và phản hồi âm điện áp tương đương với phản hồi âm tốc độ (Hình 8) Hình 8 : Hệ F-Đ có máy điện khuếch đại tự kích từ với khâu phản hồi âm tốc độ Dùng phản hồi âm tốc độ nhờ một máy phát tốc FT có điện áp phát ra tỷ lệ với tốc độ quay của nó. Máy phát FT nối cứng đồng trục với trục quay của động cơ nên điện áp phát ra sẽ tỷ lệ với chính tốc độ động cơ Đ. Lượng phản hồi được quy định bởi vị trí con chạy của chiết áp R2. Quá trình ổn tốc nhờ phản hồi tốc độ động cơ tăng (giảm) sẽ làm s.t.đ. tổng giảm (tăng): = F1 – F2 + F3 Từ đó điện áp máy phát MKĐ và của máy phát F giảm (tăng) làm cho điện áp đặt vào động cơ UĐ và Đ giảm (tăng) về giá trị cũ. Phản hồi âm tốc độ dùng máy phát tốc cho tốc độ chính xác cao hơn, nhạy hơn, ít chịu ảnh hưởng của các tham số khác và chỉ tiêu kỹ thuật tốt. Nhược điểm là cần có thêm máy phát tốc nên giá thành tăng và kết cấu thêm phức tạp. Cuộn kích từ CK4 đảm bảo cưỡng bức kích từ máy phát MKĐ khi mở máy để s.đ.đ của nó tăng lên nhanh chóng, do đó tăng nhanh kích từ máy phát F và s.đ.đ. của máy phát cũng tăng nhanh theo, rút ngắn thời gian quá độ là thời gian tăng tốc của động cơ. Quá trình cưỡng bức kích từ của máy phát MKĐ có thể giải thích như sau: Lúc bắt đầu mở máy, do chưa có điện áp máy phát MKĐ nên UMKĐ 0, UF = UĐ 0 và các s.t.đ. F3 0, F4 0. Tác dụng áp đảo của s.t.đ. chủ đạo F1 làm s.t.đ. tổng lớn. lớn còn do Iư lúc mở máy lớn, F2 lớn. lớn dẫn đến EMKĐ lớn, kích từ máy phát mạnh và điện áp máy phát F, điện áp đặt vào động cơ UĐ tăng nhanh có tính chất cưỡng bức và động cơ tăng tốc nhanh. Điện áp UMKĐ tăng nhanh cũng do tác dụng (phản hồi dương) của cuộn kích từ CK4, tạo ra s.đ.đ F4 ngày càng lớn. Cùng với quá trình tăng tốc, dòng Iư làm giảm s.t.đ F2 giảm và điện áp UF tăng làm s.t.đ. F3 tăng dẫn đến tính chất cưỡng bức giảm dần vì giảm dần. Quá trình cưỡng bức kết thúc nhờ phản hồi âm áp ở một giá trị nào đó của điện áp UF ứng với tốc độ Đ đã đặt qua chiết áp R1. b) Hệ máy điện khuếch đại từ trường ngang - động cơ (MKĐN - Đ). Hình 9: Nguyên lý cấu tạo của máy điện khuếch đại từ trường ngang * Máy điện khuếch đại từ trường ngang (MKĐN) về thực chất cũng là một máy phát điện một chiều nhưng có cấu tạo đặc biệt Stato có nhiều cuộn kích từ trong đó có cuộn chủ đạo, các cuộn phản hồi và luôn có cuộn bù. Rôto có 4 chổi than 1 và 2 nối ngắn mạch với nhau gọi là cặp chổi than ngang trục. Cặp chổi than 3 và 4 là cặp chổi than dọc trục, cấp điện áp ra của máy điện khuyếch đại từ trường ngang MKĐN. Về nguyên lý có thể coi MKĐN tương đương với 2 máy phát điện nối tầng với nhau thành 2 cấp khuếch đại như mạch đẳng trị (hệ số khuếch đại k = k1. k2 có thể tới hàng vạn). Do có hệ số khuếch đại lớn nên MKĐN được dùng nhiều trong các hệ truyền động để điều chỉnh tốc đôh động cơ một chiều trong một phạm vi rộng với độ ổn định tốc độ cao và quán tính điện từ nhỏ. * Sơ đồ nguyên lý hệ máy điện khuếch đại từ trường ngang - động cơ (MKĐN - Đ) dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ Đ qua điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ (hình vẽ 10) Kích từ cho MKĐN gồm có 4 cuộn: CK1: cuộn chủ đạo hay cuộn điều khiển. CK2: cuộn phản hồi dương dòng điện. CK3: cuộn phản hồi âm điện áp. CK4: cuộn phản hồi mềm hay cuộn ổn định. Sức từ động tổng kích từ MKĐN khi hệ thống làm việc là: Điện áp phát ra của MKĐN quyết định tốc độ động cơ sẽ được đặt bởi chiết áp R1. nghĩa là bởi trị số s.t.đ. chủ đạo F1. Cuộn phản hồi âm điện áp CK3 có tác dụng cưỡng bức kích từ máy phát MKĐN lúc ban đầu (vì thoạt đầu UMKĐN = 0, F3 =0 nên lớn) sau đó lại hạn chế sự cưỡng bức (vì bị giảm do F3 tăng theo UMĐKĐN) và cuối cùng kết thúc quá trình cưỡng bức kích từ. Cuộn phản hồi âm điện áp CK3 còn cùng với cuộn phản hồi dương dòng điện CK2 để ổn định tốc độ động cơ. Cuộn phản hồi mềm hay cuộn ổn định CK4 liên hệ với điện áp phát ra của MKĐN (cũng là điện áp đặt vào phần ứng động cơ Đ) qua biến áp ổn định BA. Nếu điện áp UMKĐN ổn định thì máy biến áp không làm việc (vì từ thông trong lõi từ BA không biến thiên) và s.t.đ. của CK4 = 0 (F4 =0 ). Khi điện áp UMKĐN lên xuống thì từ thông trong lõi từ biến áp biến thiên và cuộn thứ cấp BA có điện áp. Độ lợn của điện áp này phản ánh sự giao động điện áp phát ra của MKĐN. Từ đó, s.t.đ. cuộn CK4 sẽ làm giảm (khi UMKĐN tăng) và tăng (khi UMKĐN giảm). Đ F4 F3 F2 F1 R1 MKĐN BA R2 Rc R3 CB Rsh CK4 CK3 CK2 CK1 + - + - Hình 10: Sơ đồ nguyên lý hệ MKĐN - Đ Cuộn ổn định CK4 còn có tác dụng hạn chế hiện tượng quá điều chỉnh khi có tín hiệu và tức là hiện tượng do hệ số khuếch đại quá lớn dẫn đến trị số điện áp ra UMKĐN tăng, giảm quá mức. Hai khâu phản hồi dương dòng điện và phản hồi âm điện áp có thể thay bằng khâu phản hồi âm tốc độ. 1.3. Hệ truyền động thyristor - động cơ (T - Đ). *) Những vấn đề chung. Hình 11: Sơ đồ khối hệ T - Đ Hệ truyền động T - Đ là hệ truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc lập, điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng hoặc thay đổi điện áp đặt vào phần cảm của động cơ thông qua các bộ BĐ chỉnh lưu dùng Thyristor. Hình11 là sơ đồ khối của một hệ truyền động T - Đ. Hệ có thay đổi tốc độ và đảo chiều quay của động cơ. Việc đảo chiều quay được thực hiện bằng cách đảo chiều dòng điện kích từ IKT qua 2 bộ chỉnh lưu ba pha có điều khiển CL1 và CL2 được nối theo sơ đồ hình tia hay hình cầu. Cũng có thể dùng một bộ chỉnh lưu có điều khiển với các phương pháp đảo cực tính đầu ra bằng các tiếp điểm của rơle thay cho 2 bộ chỉnh lưu CL1 và CL2. Khi công suất kích từ nhỏ, có thể thay các bộ chỉnh lưu 3 pha CL1 và CL2 bằng các bộ chỉnh lưu Thyristor 1 pha. Phương pháp đảo chiều quay bằng từ thông có một số hạn chế do cuộn cảm có hệ số tự cảm lớn, làm tăng thời gian đảo chiều…. Khi dùng phương pháp đảo chiều quay nhở đảo chiều dòng điện phần ứng thì sơ đồ khối như hình 12. Hình 12: Hệ T - Đ đảo chiều quay nhờ đảo chiều điện áp phần ứng Động cơ Đ được điều chỉnh tốc độ qua 2 vùng : Vùng dưới tốc độ cơ bản: Nhờ thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ qua bộ chỉnh lưu 3 pha có điều khiển CL1 (khi quay thuận) hoặc CL2 (khi quay ngược). Điện áp thay đổi luôn nhỏ hơn giá trị định mức Uđm còn từ thông là định mức đm. Vùng trên tốc độ cơ bản: Nhờ thay đổi dòng điện kích từ (tức là thay đổi từ thông) xuống dưới giá trị định mức qua bộ chỉnh lưu có điều khiển CL3. *) Đặc tính cơ của hệ T - Đ. Trong hệ T - Đ, nguồn cấp cho phần ứng động cơ là bộ CL thyristor. Dòng điện chỉnh lưu cũng chính là dòng điện phần ứng động cơ. Tương tự như hệ truyền động F - Đ, ta có phương trình đặc tính cơ cho hệ T - Đ ở chế độ dòng điện liên tục là: Độ cứng của đặc tính cơ là: Trong đó Rư là tổng trở toàn mạch phần ứng động cơ (gồm: điện trở phần ứng động cơ và điện trở các phần tử trong mạch nối tiếp với phần ứng động cơ). Họ đặc tính cơ của hệ thống trong trường hợp này (như trên hình 13) khi điều chỉnh ở vùng dưới tốc độ cơ bản. A B C MC 1 = 0 2 3 4 = 5 6 Hình 13: Đặc tính cơ hệ T - Đ 0 Các đặc tính cơ của hệ thống truyền động T - Đ mềm hơn các đặc tính cơ của hệ F - Đ vì có sụt áp do hiện tượng chuyển mạch giữa các Thyristor. Góc mở càng lớn thì điện áp đặt vào phần ứng động cơ càng nhỏ. Khi đó, đặc tính cơ hạ thấp và ứng với một mômen cản MC nào đó, tốc độ động cơ giảm (A > B > C). Lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ: khi phụ tải nhỏ thì các đặc tính cơ có độ dốc lớn (phần nằm trong vùng gạch chéo). Đoa là vùng dòng điện gián đoạn. Góc càng lớn (khi điều chỉnh sâu) thì vùng dòng điện gián đoạn càng rộng và việc điều chỉnh tốc độ gặp nhiều khó khăn hơn. Vùng dòng điện gián đoạn có dạng elip. Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha hình tia (p = 3) có vùng gián đoạn rộng hơn so với sơ đồ chỉnh lưu 3 pha hình cầu (p = 6). Vùng dòng điện gián đoạn càng thu hẹp khi tăng p và tăng độ tự cảm L của mạch phần ứng. Song, khi tăng số xung p thì mạch lực chỉnh lưu cũng tăng độ phức tạp và cả mạch điều khiển cũng phức tạp hơn. Còn khi tăng trị số L sẽ dẫn tới làm xấu quá trình quá độ (tăng thời gian quá độ) và làm tăng trọng lượng, kích thước của hệ thống. Tốc độ không tải lý tưởng tuỳ thuộc vào góc điều khiển : Tuy nhiên ở đây chỉ là giao điểm của trục tung với đoạn thẳng của đặc tính cơ kéo dài. Thực tế, do có vùng dòng điện gián đoạn nên tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính là lớn hơn. *) Nhận xét Hệ thống T - Đ có khả năng điều chỉnh trơn () với phạm vi điều chỉnh rộng (D 102 103). Hệ có độ tin cậy cao, quán tính nhỏ , hiệu suất lớn không gây ồn. Nhược điểm của hệ T - Đ là trị số costhấp, nhất là khi điều chỉnh sâu. Dòng điện chỉnh lưu có biên độ đập mạch cao, gây ra hao tổn phụ trong động cơ và có thể làm xấu dạng điện áp nguồn. Chương 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 1. thiết kế mạch động lực. 1.1. Chọn sơ đồ chỉnh lưu: Do yêu cầu truyền động bàn của máy bào giường là truyền động đảo chiều với tần số cao , mô men khởi động lớn, quá trình quá độ chiếm đáng kể trong quá trình làm việc. Để thoả mãn được yêu cầu đó cũng như yêu cầu cụ thể của đề tài ta có một số sơ đồ như sau Sơ đồ chỉnh lưu kép cầu một pha mắc song song ngược. Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha mắc song song ngược Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha mắc song song ngược Để chọn được sơ đồ chỉnh lưu hợp lý cho mạch động lực, ta phải xét đến từng ưu nhược điểm của từng sơ đồ chỉnh lưu trên. - Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha có ưu điểm là tiết kiệm số van điều khiển nhất, do đó có tính kinh tế nhất. Đồng thời cũng có sụt áp và tổn thất công suất do trùng dẫn ít nhất. Tuy nhiên dạng điện áp đầu ra xấu hơn nên thường được áp dụng với những động cơ công suất vừa và nhỏ, đòi hỏi chất lượng không cao lắm. - Sơ đồ hình tia 3 pha có ưu điểm là đơn giản số van ít hơn hình cầu cho dòng qua van vừa phải có sụt áp và tổn thất công suất ít hơn hình cầu tổn thất do trùng dẫn cũng ít hơn. Nhưng sơ đồ hình tia có dạng điện áp ra xấu hơn hình cầu. Công suất của bộ biến đổi này nhỏ hơn hình cầu. - Sơ đồ hình cầu có ưu điểm là dòng qua các van chỉnh lưu nhỏ, ít bị quá dòng, điện áp ra của sơ đồ bằng phẳng hơn các sơ đồ khác, cuộn kháng lọc nhỏ hơn sơ đồ hình tia và hệ dùng được với công suất lớn. Nhưng sơ đồ hình cầu số van lớn hệ thống đảo chiều phức tạp giá thành cao. - Qua so sánh các ưu nhuợc điểm sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 1 pha, hình tia 3 pha và hình cầu 3 pha ta chọn mạch động lực cho hệ truyền động máy BG có công suất Pđm = 19 KW là sơ đồ hình tia 3 pha vì nó đảm bảo tính kinh tế mà vẫn đáp ứng được các yêu cầu công nghệ của máy bào giường. *) Sơ đồ mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha như sau : Trong đó: - BA là máy biến áp 3 pha dùng để cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu. - Các tiristor T1, T2, T3 dùng để biến điện áp xoay chiều 3 pha bên thứ cấp máy biến áp BA là các ua, ub, uc thành điện áp một chiều trên tải ud. - Rd, Ld, Ed là các phần tử phụ tải của bộ chỉnh lưu. - iA, iB, iC là dòng các pha cuộn sơ cấp BA. - iT1, iT2, iT3 là dòng các van chỉnh lưu. - id là dòng chỉnh lưu. *) Nguyên lý hoạt động: Giả thiết Ld = , cho sơ đồ làm việc với một góc điều khiển bằng và cũng giả thiết sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm bắt đầu xét (t = 0). Nếu coi Trước thời điểm t = 0 thì trong sơ đồ van T3 đang dẫn còn các van khác ở trạng thái khoá, thì khi đó trên van T1 sẽ có điện áp thuận uT1 = ua – uc = uac >0. Tại t = thì T1 có tín hiệu điều khiển , đủ cả 2 điều kiện để mở và uT1 giảm về bằng 0. Do UT1 = 0 nên Ud = Ua ,và từ sơ đồ ta xác định được điện áp trên T3 là UT3 = Uc – Ua = Uca ,tại thì Uca < 0.tức là T3 bị đặt điện áp ngược nên van khoá lại,Van T2 thì vẫn khoá,do vậy trong khoảng tiếp sau thì trong sơ đồ chỉ có van T1 dẫn dòng,khi T1 dẫn dòng thì : Ud = Ua ,iT1 = id = Id ; ir2 =0 ;ir3 = 0;Ur1 = 0;UT2 =Uba ;UT3 = Uca . Đến t =5/6 thì Ua = Ub ,đây là thời điểm tự nhiên đối với T2. Nhưng T2 cưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển,do Ua vẫn đang kết hợp với tác dụng cùng chiều của suất điện động tự cảm trong Ld mà T1 vẫn tiếp tục dẫn dòng. Đến t = thì Ua = 0 và sau đó chuyển sang âm nhưng T2 còn chưa mở nên T1 vẫn tiếp tục làm việc nhờ suất điện động tự cảm Ld (ở đây> 300 ). Tại t =v2 = 5/6 + thì T2 có tín hiệu điều khiển và do đang có điện áp thuận tác động nên T2 mở, T2 mở thì UT2 giảm về = 0 nên Ud = Ub và UT1 = Ua- Ub = Uab ,mà tại v2 thì Uab < 0, tức là T1 bị đặt điện áp ngược nên khoá lại.Do vậy từ v2 trong sơ đồ chỉ có T2 dẫn,khi T2 mở: Ud = Ub ,iT1 = 0; ir2 = id = Id ;ir3 = 0;Ur1 = 0;UT1 =Uab ;UT3 = Ucb . Suy luận tương tự ta có từ t =v2 t =v3 thì T3 làm việc là : Ud = Uc ,iT1 = 0; ir2 = 0;ir3 = id = Id ;Ur1 = Uac;UT1 =Ubc ;UT3 = U0 . Tại t =v4 thì T1 lại có tín hiệu điều khiển ,T1 lại mở và lặp lại trạng thái làm việc như từ t =v1.Từ tính chất lặp đi lặp lại trạng thái làm việc của sơ đồ chỉnh lưu này ta suy ra giai đoạn t =0 t =v1 cũng tương tự giai đoạn t =2 t =v4 lại nằm trong giai đoạn t =v3 t =v4 :Van T3 dẫn dòng ,điều này hoàn toàn phù hợp với giải thiết ban đầu. u iT1=ia iT2=ib iT3=ic v1 iB iC U v3 v4 uab uac 2 UT1 1.2. Chọn phương pháp đảo chiều: Do chỉnh lưu Thyristor dẫn dòng theo một chiều và chỉ điều khiển được khi mở, còn khoá theo điện áp lưới cho nên hệ truyền động van thực hiện đảo chiều khó khăn và phức tạp, cấu tạo mạch động lực và mạch điều khiển hệ T-Đ đảo chiều yêu cầu an toàn cao và có Lôgic điều khiển chặt chẽ để làm được điều đó ta có hai phưong pháp đảo chiều sau: - Giữ nguyên dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ phương pháp đảo chiều này không thích hợp với máy bào giường vì thời gian đảo chiều lâu, thời gian quá độ lớn, khi đảo chiều dòng Iư lớn sinh ra tia lửa điện trên chổi than và vành góp làm giảm tuổi thọ của máy điện . - Giữ nguyên dòng kích từ và đảo chiều phần ứng với phương pháp này người ta có một số cách đảo chiều như sau; + Đảo chiều phần ứng bằng công tắc tơ chuyển mạch loại này quá trình đảo chiều lâu đảo chiều với tần số thấp và do sử dụng công tắc tơ nên khi đảo chiều sẽ sinh ra hồ quang +Đảo chiều phần ứng bằng 2 sơ đồ chỉnh lưu đấu song song ngược phương pháp này đảo chiều được với tần số lớn phù hợp với loại có công suất lớn, thời gian quá độ do đảo chiều nhỏ . Qua phân tích các phương pháp đảo chiều để phù hợp với yêu cầu truyền động chính của máy baò giường ta chọn phương pháp dùng 2 sơ đồ đấu song song ngược 1.3. Chọn phương pháp điều khiển cho BBĐ đảo dòng: Để điều khiển được BBĐ này người ta sử dụng 2 phương pháp điều khiển đảo chiều sau : - Phương pháp điều khiển riêng: Khi điều khiển riêng 2 BBĐ làm việc riêng rẽ nhau tại 1 thời điểm chỉ phát xung vào 1 BBĐ còn bộ kia bị khoá không có xung điều khiển. Dùng phương pháp này không làm xuất hiện dòng cân bằng do vậy không cần cuộn kháng san bằng. Tuy nhiên phương pháp điều khiển riêng phải đảm bảo nguyên tắc sau, giả sử khi động cơ đang quay thuận bộ biến đổi BBĐ1 đang làm việc đến một thời điểm nào đó (t1) ta phát lệnh đảo chiều mạch điều khiển phải làm sao cho a1 > 900, làm sao cho dòng phần ứng giảm nhanh về bằng không. Lúc này cắt xung điều khiển để khoá BBĐ1. Đến thời điểm (t2) được xác định bởi cảm biến dòng điện phần ứng bằng không thì ta cho trễ 1 khoảng thời gian T = t3- t2 sau đó cho BBĐ2 làm việc với góc a2 > 900 sao cho dòng phần ứng không vượt quá giá trị cho phép để thực hiện hãm tái sinh sau đó a < 900 và thực hiện quá trình đảo chiều. t2 i 0 t1 t3 BĐ2 1 + - Phương pháp điều khiển chung: Cả 2 tổ van đều có xung mở, một tổ van ở trạng thái tác dụng có trao đổi năng lượng với động cơ điện, còn tổ kia ở trạng thái đợi. Trong phương pháp điều khiển chung có 2 cách : + Điều khiển chung tuyến tính: Khi đó ta có a1 + a2 = 1800 có nghiã là ta giữ cho tổng số góc mở 2 BBĐ bằng 1800 nếu tăng góc mở của BBĐ1 thì giảm góc mở của .BBĐ2 nhờ đó ta giữ được SĐĐ tổng. SĐĐ tổng trong mạch nguồn từ BBĐ1 đến BBĐ2 là : SEb = Eb1 + Eb2 = 0 và dòng khép kín qua bộ biến đổi là dòng cân bằng Icb= SEb / SRb = 0 nghĩa là không có sự trao đổi năng lượng giữa các tổ van . + Điều khiển chung phi tuyến a1+a2=P + j (j là góc không phù hợp) và được chọn theo yêu cầu đặc tính tĩnh của hệ thống. Do có dòng cân bằng nên tiêu tán năng lượng vô ích cho nên phải sử dụng cuộn kháng cân bằng và phương pháp này có ưu điểm là không có thời gian trễ khi đảo chiều nên đảo chiều nhanh với tần số lớn đặc tính tĩnh tốt . Do việc phân tích và chọn mạch động lực là sơ đồ hình tia 3 pha mắc song song ngược, nên để thuận tiện ta chọn phương pháp đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ và khống chế theo nguyên tắc hỗn hợp (phụ thuộc tuyến tính). Do yêu cầu công nghệ của máy bào giường đảo chiều nhanh chính xác, với tần số cao cho nên phương pháp này có thời gian đảo chiều nhanh. 1. 4. Mạch động lực : Qua quá trình phân tích và chọn mạch động lực cũng như phương pháp điều khiển ta có sơ đồ mạch động lực như hình dưới: a. Giới thiệu sơ đồ: Nguồn điện áp 3 pha được cung cấp cho máy biến áp 3 pha nhằm mục đích tạo ra nguồn điện thích hợp cho BBĐ. - AB áp tômát phía sơ cấp mba - BA: biến áp nguồn nối Y-Y có nhiệm vụ: + Để tạo điện áp phù hợp với BBĐ. + Cách ly với điện giữa lưới điện xoay chiều và động lực mạch chỉnh lưu + Hạn chế tăng tốc độ của dòng qua van khi mở van (bảo vệ quá di/dt cho van). + Hạn chế quá áp từ bên ngoài truyền vào BBĐ. -T1 ¸ T3: 12 tiristo làm nhiệm vụ chỉnh lưu. + T1, T3, T5: thuộc BBĐ cung cấp điện áp cho động cơ quay thuận. + T2, T4, T6: thuộc BBĐ cung cấp điện áp cho động cơ quay ngược. - Đ là động cơ điện một chiều kích từ độc lập: b. Hoạt động của sơ đồ : Sơ đồ gồm 2 BBĐ đấu song song ngược với nhau. Từng BBĐ có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu hoặc nghịch lưu. Giả sử a1 là góc mở đối với bộ thuận, a2 là góc mở với bộ ngược thì a1 + a2 = 1800 (sự phối hợp tuyến tính). Giả sử ta cho động cơ quay thuận thì BBĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu Þ a1 = 0 í 900 ; Ud1 > 0 và a2 > 900 BBĐ2 làm việc ở chế độ nghịch lưu. Ud1 = U0 .Cos a1 > 0 Ud2 = U0 .Cos a2 < 0 Cả 2 điện áp này đều đặt lên phần ứng động cơ và khi này động cơ quay thuận. ( các thyiristo bộ ngược không cho dòng chảy qua từ Katốt đến Anốt) K 0 A B C AB1 BA T1 T4 T3 T6 T5 T2 Đ CB1 + _ UKT WR4 RTT CB2 CB3 CKĐ R21 C9 R22 C10 R23 C11 R24 C12 R25 C13 R26 C14 FT Khi a1 = a2 = 900 động cơ làm việc ở trạng thái dừng. Ví dụ: Ta cho động cơ làm việc ở chế độ thuận với a1 = 600, a2 = 1200 thì ta có : Ud1 = 1/2U0 ; Ud2 = - 1/2U0 khi đó điện áp đặt lên động cơ sẽ là : Ud = (Ud1 - Ud2 )/2 = Ud0 Cos a1 Þ Động cơ sẽ quay thuận. Giản đồ điện áp như hình vẽ: - Biểu thức điện áp cân bằng được xác định như sau : + Khi 600 ³ a1 ³ 00 thì UCB1 = - Umd . sinwt + Khi 900 ³ a1 > 600 thì UCB1 = - Umd . sinwt Với (2P/3 -a1) ³ vt ³ (-2P/3 +a1) và UCB1 = - Umd . sin(wt -P/3) Với (2P/3 -a1) (-2P/3 +a1). Trong đó: Umd là biên độ của điện áp dây. Giá trị cực đại của dòng cân bằng : ICBm = Umd / (2wlCB) Giá trị trung bình của dòng cân bằng : + Khi 600 ³ a1 ³ 00 và khi 900 ³ a1 > 600 Với (2P/3 -a1) ³ vt ³ (-2P/3 +a1). ICBtb = {(3Umd) / ( P2wlCB)}.( sin a + a. Cosa) + Khi 900 ³ a1 > 600 Với (2P/3 -a1) (-2P/3 +a1). ICBtb = {(3Umd) / ( P2wlCB)}.[(1- 2P/6)sin a + (P/2 - a). Cosa] UK1A1 UK1A2 wt wt wt Icb iT1 iT3 iT5 2. Thiết kế mạch Điều khiển. Như ta đã biết để cho các van của 2 BBĐ mở tại thời điểm mong muốn ta cần phải có mạch điện phát ra các xung điều khiển đưa đến mở các tiristo tại các thời điểm yêu cầu như : biên độ, tần số, công suất và thời gian tồn tại để mở chắc chắn các van với mọi tải mà sơ đồ gặp phải khi làm việc để làm được điều đó ta phải đi thiết kế mạch phát xung điều khiển. 2.1. Chọn phương pháp phát xung: Với mạch động lực như đã chọn ở phần trước để đáp ứng được yêu cầu điều khiển các tiristo của bộ biến đổi người ta có 3 phương pháp phát xung điều khiển như sau: - Phương pháp điều khiển theo pha ngang: phương pháp này có ưu điểm là có mạch phát xung điều khiển đơn giản nhưng có 1 số nhược điểm là phạm vi điều khiển góc mở a không rộng. Rất nhạy với sự thay đổi của điện áp nguồn và khó tổng hợp tín hiệu điều khiển. Do những nhược điểm này mà hệ thống phát xung điều khiển theo phương pháp pha ngang không phù hợp với yêu cầu công nghệ của truyền động bàn Máy Bào Giường. - Phương pháp điều khiển theo Điốt 2 cực gốc: Mạch phát xung phương pháp này đơn giản nhưng nó có nhược điểm là chỉ phù hợp với hệ thống công suất nhỏ, đảo chiều khó khăn. Cho nên trong thực tế người ta ít dùng và nó không phù hợp với yêu cầu công nghệ của truyền động bàn máy bào giường. - Phương pháp điều khiển theo nguyên tắc pha đứng : phương pháp này tuy có mạch phát xung phức tạp nhưng đáp ứng được các yêu cầu chỉ tiêu chất lượng . + Độ rộng xung đảm bảo yêu cầu làm việc + Tổng hợp tín hiệu dễ dàng. + Góc mở a của tiristocó thể thay đổi được trong khoảng rộng. + Độ dốc sườn trước của xung đảm bảo có hệ số khuyếch đại phù hợp, làm việc tin cậy chính xác với độ nhạy cao. + Có thể điều khiển được hệ có công suất lớn. Để đáp ứng được các yêu cầu công nghệ của truyền động bàn máy bào giường cũng như các chỉ tiêu về chất lượng làm việc cho nên trong đồ án này em chọn phương pháp điều khiển theo pha đứng để phát xung điều khiển cho 2 bộ biến đổi. 2.2. Sơ đồ khối của mạch phát xung điều khiển : Với hệ thống phát xung theo nguyên tắc pha đứng. Ta thấy xung điều khiển đầu ra của hệ thống này đặt nên mỗi tiristo trong sơ đồ xuất hiện lặp lại có tính chu kỳ. Thường bằng chu kỳ nguồn cung cấp và góc điều khiển của các van trong sơ đồ ở mỗi chế độ làm việc nhất định là giống nhau. Sơ đồ: ĐBH - FSRC SS TX UL ~ UĐK I II III UdkT Urc Hệ thống phát xung này gồm các khối chức năng sau: + Khối I : là khối đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa. + Khối II : là khối so sánh. + Khối III : là khối tạo xung. + UL~ : là điện áp lưới xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu. + Urc : là điện áp răng cưa. + Uđk : là điện áp điều khiển mạch phát xung điều khiển, là điện áp một chiều (Uđk quyết định góc điều khiển a). + UđkT : là điện áp điều khiển tiristo, là chuỗi các xung điều khiển lấy từ đầu ra hệ thống điều khiển và được truyền đến cực điều khiển G và K của thyristor. 2.3. Mạch đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa : - Để tạo ra một hệ thống các xung xuất hiện lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và điều khiển được thời điểm xuất hiện xung trong mỗi chu kỳ ta phải sử dụng các mạch phát xung. Để điều khiển được các tín hiệu điều khiển nó là tín hiệu cũng biến đổi một cách chu kỳ thì ta phải tạo ra các điện áp dạng răng cưa, để làm được điều đó ta phải có mạch ĐBH-FSRC. a) Mạch đồng bộ hoá. Để tạo ra điện áp đồng bộ đảm bảo cấc yêu cầu dặt ra, người ta thường sử dụng hai kiểu mạch đơn giản: - Mạch phân áp bằng các điện trở hoặc bằng các điện trở kết hợp điện dung hay điện cảm. Trong mạch đồng bộ này điện áp vào là điện áp lưới, điện áp xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, điện áp ra cũng là điện áp xoay chiều hình sin có cùng tần số trùng hoặc lệch một góc pha xác định. Kiểu mạch này ít dùng vì có sự liên hệ trực tiếp về điện giữa mạch động lực và mạch điều khiển bộ chỉnh lưu. - Mạch đồng bộ dùng máy biến áp. Trong trường hợp này người ta sử dụng một máy biến áp công suất nhỏ, thường là máy biến áp hạ áp để tạo ra điện áp đồng bộ. Điện áp lưới u1 được đặt vào cuộn sơ cấp còn bên thứ cấp ta lấy ra điện áp đồng bộ uđb . Máy biến áp để tạo ra điện áp đồng bộ gọi là máy biến áp đồng bộ và ký hiệu là: BAĐ (có thể là một pha hoặc nhiều pha). Như vậy trong trường hợp này ta sẽ sử dụng máy biến áp đồng bộ để tạo ra điện áp đồng bộ. * * u1 Uđb b. Mạch tạo điện áp răng cưa : Có rất nhiều sơ đồ tạo điện áp răng cưa. Tuy nhiên để tạo ra được điện áp răng cưa xuất hiện ở cả hai nửa chu kỳ của điện áp đồng bộ và để đảm bảo hệ số điện áp răng cưa ra. Nên ta sử dụng mạch phát sóng răng cưa như sau: urc -UCC - OAI + * u1 uđb * -ucc +ucc Tr1 R1 R2 D1 C1 R3 WR1 i1 iv- ic iv+ - Mạch điện áp răng cưa gồm có Tranzitor Tr1, tụ C1 và vi mạch OAI mắc theo mạch tích phân. * Nguyên lý hoạt động : Tín hiệu đầu ra của khối đồng bộ hoá được đưa tới đầu vào mạch tạo điện áp răng cưa. Giả thiết Tr khoá thì tụ C1 được nạp bởi dòng đầu ra của KĐTT, dòng nạp của tụ được xác định : ic » - i1 + iv = - i1. Mà i1 = Ucc /(WR + R3) = I =const Þ Khi Tr1 khoá thì Tụ C1 được nạp bởi dòng điện không đổi I. Vậy ta có : Từ t = 0 thì uđb = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương, dẫn đến D1 mở nên uBE của Tr1 bị đặt điện áp ngược nên Tr1 khoá, tụ C1 được nạp điện bởi dòng không đổi. Điện áp trên tụ C1 tăng dần theo quy luật tuyến tính. Đến t = và bắt đầu chuyển sang âm. D1 khoá, Tr1 mở nên tụ C1 phóng điện nhanh qua Tr1 đến điện áp bằng không và giữ nguyêngiá trị bằng không cho đến t = 2. Tại t = 2, điện áp đồng bộ bằng không và bắt đầu chuyển sang dương, D1 lại mở, Tr1 lại khoá, tụ C1 lại được nạp điện như từ t = 0_bắt đầu một chu kì tiếp theo. Với giả thiết KĐTT là lý tưởng thì hệ số khuếch đại là vô cùng lớn, vậy nếu KĐTT đang ở chế độ khuếch đại tuyến tính thì điện giữa 2 đầu vào được xem là bằng 0 (uv = 0). Từ sơ đồ ta có: urc = uc1 + uv = uc1 . Tức là điện áp răng cưa đầu ra của sơ đồ bằng điện áp trên tụ C1. Đồ thị điện áp răng cưa được biếu diễn như sau: wt 0 2p 3p Urc Udb U Do điện áp răng cưa là điện áp ra của KĐTT nên có nội trở rất nhỏ, vì vậy dạng điện áp đầu ra hầu như không phụ thuộc tải mắc ở đầu ra mạch phát sóng răng cưa. 2. 4. Mạch so sánh: Việc so sánh điện áp răng cưa và điện áp điều khiển có thể thực hiện bằng Tranzitor và vi mạch điện tử. Việc ghép nối tín hiệu có thể là nối tiếp hoặc song song miễn là đảm bảo tín hiệu răng cưa và tín hiệu điều khiển có tác dụng ngược chiều nhau. + Phương pháp so sánh nối tiếp có ưu điểm là chính xác nhưng khi tín hiệu răng cưa có dạng xoay chiều thì việc so sánh gặp nhiều khó khăn. Ngoài ra việc so sánh bằng Tranzitor tuy đơn giản nhưng không chính xác vì Tranzitor không thể mở khi [ Urc - Uđk] = 0 . Urc Uđk Ura1 R4 R5 - ss + +UCC -UCC + Việc dùng vi mạch cho phép xác định góc a chính xác hơn do các vi mạch có hệ số khuyếch đại rất lớn và bão hoà rất nhanh, do đó để thực hiện chức năng so sánh ta dùng vi mạch khuyếch đại thuật toán mắc song song như sau : - Điện áp răng cưa lấy từ đầu ra của mạch phát sóng răng cưa, điện áp điều khiển được lấy từ đầu ra của bộ khuyếch đại trung gian (KĐTG) đưa qua R5. như vậy điện áp vào khối so sánh là Uv = Urc +Uđk . wt 0 2p 3p Urc U wt 3p 2p 0 Ura Ucc Uđk *) Nguyên lý hoạt động: - Giả sử Điện áp răng cưa và điện áp điều khiển có dạng như hình vẽ các điện áp URC, UC có cực tính ngược nhau được đặt vào cổng đảo OA. Điện thế cổng đảo: Nếu Rc=Rr thì: Vì U+=0 nên Từ thời điểm thì khi đó điện áp . Từ thì lúc này D phân cực ngược . Trong giai đoạn từ thì Trong giai đoạn từ D bị phân cực ngược Các giai đoạn tiếp theo diễn ra tương tự và lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ điện áp răng cưa. Giả sử thời điển van mở tự nhiên Ti là: thì góc điều kiển được xác định như hình vẽ với dạng điện áp răng cưa không đổi khi điện áp Uđk tăng thì góc tăng. 2.5. Mạch sửa xung và khuếch đại xung: Từ nguyên lý hoạt động của khâu so sánh mà độ dài xung thường thay đổi theo góc mở a. Do đó ta phải có mạch sửa xung và khuếch đại xung để đảm bảo độ rộng của xung ra đủ mức cần thiết. + Sơ đồ mạch sửa xung và khuếch đại xung như sau, để tiện cho việc khảo sát ta vẽ cả mạch so sánh: D5 BAX D7 G D6 Tr3 Tr4 D3 D4 R9 Tr2 Urc Uđk R6 C2 R7 D2 R8 Ura1 R4 R5 - ss + +UCC -UCC + Nguyên lý làm việc : Mạch sửa xung và khuếch đại xung gồm có các phần tử sau: - Tụ C2 ,R6, còn có nhiệm vụ lọc tín hiệu và cách ly giữa mạch so sánh và mạch khuếch đại. - Transistor Tr2 ,D2 , R7, R8 làm nhiệm vụ khuếch đại đệm . - Transistor Tr3 ,Tr4 , D3, D4, D5, R9 tạo thành mạch Darlington ,đây là khâu khuếch đại có hệ số khuếch đại dòng là: b = b1 . b2 (Với b1 , b2 là hệ số khuếch đại xung của Tr3 và Tr4.) - Khi chưa có xung vào hai tranrito Tr3và Tr4 chưa làm việc, chưa có dòng chạy qua cuộn sơ cấp BAX nên không có xung điện áp (Uđk) trên đầu ra của cuộn thứ cấp BAX. Giả sử tại một thời điểm nào dó trên đầu ra của mạch sửa xung có tín hiệu điều khiển là 1,dẫn đến Tr3 và Tr4 đều mở. Giả thiết mở bão hoà nên trên cuộn sơ cấp được đặt điện áp bằng +UCC nên xuất hiện dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp của BAX tăng dần có dấu (**) như hình vẽ dẫn đến trên cuộn thứ cấp của BAX xuất hiện một xung điện áp có cực tính dương ở phía dấu (*) và xung ra qua D7 và truyền đến cực điều khiển G của thyristor 2.6. Khâu phản hồi âm tốc độ: Gồm 1 máy phát tốc, trục của máy được nối với động cơ, điện áp của máy phát tốc tỉ lệ với tốc độ quay của động cơ và do đó sức từ động của cuộn phản hồi tốc độ Ftđ cũng tỉ lệ với tốc độ quay của động cơ. Khi phụ tải động cơ thay đổi tốc độ động cơ thay đổi dần, dẫn tới dòng điện qua cuộn phản hồi âm tốc độ cũng thay đổi Khi phụ tải tăng tốc độ động cơ giảm làm cho điẹn áp máy phát tốc giảm, điện áp này sẽ tác động vào bộ biến đổi làm cho địên áp UĐ tăng lên làm cho tốc độ động cơ tăng Ngươc lại khi phụ tải giảm tốc độ động cơ tăng làm cho điện áp máy phát tốc tăng tác động vào bộ biến đổi cho địên áp UĐ giảm xuống làm cho tốc độ động cơ giảm. BBĐ II Đ FT Uđ _ Uph UĐ CKT Uph = - n + Trong đó: là hệ số truyền. n tốc độ của máy phát tốc. * Sơ đồ khâu tổng hợp mạch vòng âm tốc độ R30 R31 R29 WR OA6 R32 OA7 R33 Ucđ Rư - FT + Đ Tín hiệu phản hồi âm tốc độ được lấy qua máy phát tốc có trục nối cứng với trục động cơ. Tín hiệu này tỷ lệ với tốc độ động cơ qua hệ sơ tuyến của máy phát tốc. Mạch này gồm vi mạch khuếch đại thuật toán OA và các linh kiện liên quan. Trong đó tín hiệu đầu vào OA là U0 và tín hiệu phản hồi âm độ gn và được khuếch đại lên Kw lần với cực tính ngược lại. Tín hiệu này sau khi được tổng hợp sẽ được đến khâu tổng hợp tín hiệu điều khiển, sau đó đưa đến khâu so sánh. 2.7. Khâu phản hồi âm dòng có ngắt. Khâu phản hồi âm dòng có ngắt không phải tham gia hoàn toàn vào hệ thống, chỉ khi động cơ bị quá tải hoặc lúc khởi động máy Uđo > Uss lúc đó phản hồi âm dòng có ngắt mới tham gia vào hệ thống. Tín hiệu phản hồi âm dòng có ngắt được lấy từ Rđo có trị số nhỏ, mắc nối tiếp với phần ứng động cơ Uđo = Iđ.Rđ0 Khi dòng điện này vượt quá dòng điện ngắt tới hạn thì tín hiệu phản hồi được đặt vào bộ khuyếch đại, khi nhỏ hơn dòng điện ngắt tới hạn thì cắt bỏ phản hồi dòng điện. Uss BBĐ II Đ Uđ _ UĐ ckt + Rđo CL * Khâu tổng hợp tín hiệu phản hồi âm dòng có ngắt BD CL WR3 R19 R25 OA5 R17 R17 OA7 R33 UđkT Mạch này gồm các khuếch đại thuật toán OA và điốt D, tín hiệu phản hồi dòng được thực hiện bởi bộ biến dòng BI qua bộ chỉnh lưu cầu điốt 1 pha để tạo ra tín hiệu phù hợp bởi điện trở điều chỉnh WR3 (biến trở) tín hiệu này được đưa vào đầu vào OA. Đầu ra của tín hiệu được đưa đến tổng hợp với tín hiệu phản hồi âm tốc độ. Khi Iư < Ing thì tín hiệu phản hồi âm dòng không tham gia vào hệ thống Khi Iư > Ing, Iư tăng dần lên làm cho điện áp đầu ra của OA càng âm hơn khi đó điốt D sẽ mở phản hồi âm dòng có ngắt sẽ tham gia vào hệ thống. 2.8. Mạch tạo nguồn nuôi: Do trong mạch có sử dụng khuếch đại thuận toán ta cần phải sử dụng hai nguồn nuôi ngược dấu nối tiếp nhau và có đặc điểm chung là điểm nối mát. Ta thiết kế sơ đồ mạch này như sau: * * 7815 7915 GNĐ +Ucc -Ucc C1 C2 C3 C4 D4 BA u1 D3 D2 D1 Điện áp xoay chiều được chỉnh lưu nhờ hai sơ đồ chỉnh lưu hình tia, điện áp ra được ổn định nhờ các vi mạch ổn áp và được lọc bởi các tụ đưa ra hai nguồn +15v và -15v có điểm chung là 0 của máy biến áp. Hai nguồn này sẽ nuôi cho các vi mạch và làm nguồn điện áp ngưỡng. Mặt khác điện áp lưới lớn khiến cho ta chỉ cần chọn các tranrito khuếch đại công suất có dòng nhỏ. Chương 5: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ Trong việc chọn thiết bị ở các hệ thống truyền động điện có ý nghĩa rất quan trọng. Mục đích của nó là để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống với vốn đầu tư tối thiểu. Trong đó việc chọn công suất động cơ có ý nghĩa quan trong. Nếu chọn công suất động cơ lớn hơn công suất yêu cầu thì làm tăng vốn đầu tư, động cơ làm việc non tải không tận dụng được hết khả năng phát nhiệt (chịu nhiệt) dẫn đến làm giảm hiệu xuất của hệ thống, hệ số công suất cosđến chất lượng điện năng. Ngoài ra việc chọn các thiết bị khác cũng phải phản ảnh được chế độ làm việc và đảm bảo các tính năng kinh tế và kỹ thuật tận dụng khả năng làm việc của các thiết bị. 1.Tính chọn mạch động lực 1.1. Chọn động cơ Theo đề tài đã cho ta tính được số liệu động cơ như sau: Mã hiệu Pđm (kw) Uđm (V) Iđm (A) n(v/p) RưS(W) LưS(mH) pH-290 19 220 100 1300 0,1624 0,002 1.2.Tính chọn Thyristor 1.2.1.Tính điện áp ngược của van : Ulv =knv.U2 = knv .Ud/ ku Tra bảng 8.1 sách Điện tử công suất- Lê Văn Doanh - NXB Khoa học kỹ thuật ta được : knv = ; ku = 3/2p ;Ud = 220 V Ulv = .220/( 3/2p ) = 460,77 V Unv = kdtu .Ulv = 2.Ulv =2.460,77 = 921,54 V (kdtu là hệ số dự trữ điện áp _kdtu >=1,6; Chọn kdtu = 2 ) 1.2.2.Tính dòng định mức của van: Ilv = Ihd =khd .Id = (1/).100 =57,73 (A) Iđmv = ki.Ilv = 3,2. 57,73 = 184,75 (A) 1.2.3.Lựa chọn van: Từ các thông số đã tính được, tra bảng phụ lục 2 (sách ĐTCS) ta chọn được 6 Thyristor loại SH200N21D do Hoa Kỳ sản xuất, có các thông số sau: Điện áp ngược cực đại của van : Unmax = 1000 V Dòng điện định mức của van : Iđmmax = 200 A Đỉnh xung dòng điện : Ipikmax = 4000 A Dòng điện của xung điều khiển : Igmax = 150 mA Điện áp của xung điều khiển : Ugmax = 3,0 V Dòng điện rò : Irmax = 20 mA Sụt áp lớn nhất của Thyristor ở trạng thái dẫn: Umax = 1.7 V Tốc độ biến thiên điện áp : du / dt = 200 V/s Thời gian chuyển mạch : tcm = 80s Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: Tmax = 125oC 1.3. Chọn máy biến áp cung cấp Trong các thiết bị chỉnh lưu người ta dùng máy biến áp (MBA) để tạo ra điện áp thích hợp, tao ra số pha cần thiết, cách li phụ tải với lưới điện, cải thiện dòng điện sơ cấp hạn chế dòng ngắn mạch. Để chọn MBA chỉnh lưu dựa vào sức điện động thứ cấp, điện áp sơ cấp và công suất tính toán cần thiết. Điện áp sơ cấp lấy theo lưới điện, sức điện động thứ cấp và công suất tính toán được xác định từ điện áp dòng điện chỉnh lưu và sơ đồ nối van. Các bước tính toán: * ) Tính các thông số cơ bản : 1.Tính công suất biểu kiến của máy biến áp: S1 = 3.U1.I1 = 2UdId /(3.) (Khi tổ nối dây là /Y0) S2 = 3.U2.I2 = 2UdId /(3.) (Khi tổ nối dây là Y/Y0) Sttba = (S1 +S2)/2 = (+)(/3)UdId 1,355.UdId = 1,355.220.100 = 29810 (VA). 2.Điện áp ra sơ cấp máy biến áp : U1 = 380V 3.Điện áp pha thứ cấp máy biến áp : Phương trình cân bằng điện áp khi có tải: Ud0 .cosMin = Ud +2UV +Udn +UBA Trong đó: - Min =100 là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới. - UV =1,6 V là sụt áp trên Thyristor - Udn 0 là sụt áp trên dây nối - UBA = 6%Ud là sụt áp trên điện trở và điện kháng MBA Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có: Ud0 = (Ud +2UV +Udn +UBA)/cosmin = (220 +2.1,7 + 0,06.220) /cos100 = 240,24 V U2 = Ud0 /ku = 240,24/ (3/2p) =205,41 V 4.Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA : I2 = Id / = 100/ = 57,73 A 5.Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của MBA : I1 = kBA.I2 = (U2/U1).I2 = (205,41/380).57,73 =31,21 A *) Chọn máy biến áp Từ các thông số trên ta chọn máy biến áp có: U1 = 380 V; U2 = 200 V; k = U2/U1 = 200/380 0,5. 1.4.Tính chọn các thiết bị bảo vệ 1.4.1. Bảo vệ quá nhiệt độ cho van bán dẫn: Khi làm việc với dòng điện chạy qua, trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất P, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác van bán dẫn chỉ được làm việc ở dưới nhiệt độ cho phép (Tcp = 125oC).Chính vì vậy ta phải chọn chính xác hệ thống tản nhiệt để van làm việc an toàn, không bị chọc thủng vế nhiệt. *) Tính toán cánh tản nhiệt: - Tổn thất công suất trên một thyristor: P = U. Ilv = 1,7 . 58,66 = 99,722 W. - Diện tích bề mặt toả nhiệt: Sm = Trong đó: - P: tổn hao công suất (W); - : độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường; Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 40oC. Nhiệt độ làm việc cho phép của thyristor Tcp = 125oC. Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv = 80oC. = Tlv - Tmt = 80 - 40 = 40oC. Km: Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Chọn Km = 8 W/m2.oC Vậy: Sm = = 0,3116 m2. Chọn loại cánh tản nhiệt có 16 cánh, kích thước mỗi cánh a b = 10 10 (cm cm). Tổng diện tích tản nhiệt của cánh: S = 16. 2.10.10 = 3200 cm2 = 0.32 m2. 1.4.2. Bảo vệ quá dòng điện cho van Aptômat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tảI và ngắn mạch tiristo, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu. *) Chọn Aptômat có: Iđm = 1,1.Ild = 1,1..31,21 = 59,46 A = 60 A. Uđm = 220 V. Có 3 tiếp điểm chính có thể đóng cắt bằng tay hoặc nam châm điện. Chỉnh định dòng ngắn mạch: Inm = 2,5.Ild = 2,5. .31,21 = 135 ,14 A. Dòng quá tải: Iqt = 1,5.Ild = 1,5. .31.21 = 81,1 A. *)Chọn cầu dao có dòng định mức: Iđm = 1,1.Ild = 1,1..31,21 = 59,46 A = 60 A. 1.4.3. Bảo vệ quá điện áp cho van. *) Bảo vệ quá diện áp do quá trình dóng cắt tiristo được thực hiện bởi cách mắc R – C song song với tiristo. 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 sđđ cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anôt và catôt của tiristo. Khi có mạch R – C mắc song song, tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên tiristo không bị quá điện áp. C1 R1 Theo kinh nghiệm R1 = 5 30 ; C1 = 0,25 4 F. Ta có thể chọn R1 = 5,1 ; C1 = 0,25 F. *) Bảo vệ quá điện áp từ lưới: Ta mắc mạch R-C như trên hình sau: Nhờ có mạch lọc mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. C2 R2 C2 R2 C2 R2 Trị số RC được chọn: R2 = 12,5 ; C2 = 4 F. 1.5.Tính chọn cuộn kháng lọc 1.5.1. Tính điện cảm cuộn kháng lọc: LckL = LL - Lư - LBA Trong đó: LckL: Điện cảm cuộn kháng lọc cần mắc thêm; LL : Điện cảm cần thiết để lọc thành phần sóng hài dòng điện Lư : Điện cảm của tải. LBA : Điện cảm của máy biến áp. *) Tính Lư Thông thường điện cảm phần ứng của động cơ điện một chiều được tính gần đúng theo công thức: Lư = Kd . Trong đó: Kd = 0,1 0,25: Đối với động cơ có cuộn bù; chọn Kd = 0,25. nđm : Tốc độ quay định mức của động cơ; nđm = 1300 vòng/phút. Uđm : Điện áp định mức của động cơ; Uđm = 220 V. Iđm : Dòng điện định mức của động cơ; Iđm = 100A. p: Số đôi cực của động cơ; p = 2. Thay số vào ta được: Lư = 0,25. = 2,02 mH. *) Tính LBA Điện cảm của máy biến áp LBA , có thể được tính gần đúng theo công thức: LBA = 2. Trong đó: un%: Điện áp ngắn mạch phần trăm của máy biến áp, thông thường un % = (1518)% Uđm . Chọn un%= 30 V U2f: Điện áp pha thứ cấp máy biến áp; U2f = 200 V = 2f = 2 . .50 = 314 (rad/s) I2f : Dòng thứ cấp máy biến áp; I2f = 57,73 A Thay số vào ta được : LBA = 2. =6,62 mH. *) Tính LL - Tính góc điều khiển van cực đại max: Chọn góc mở cực tiểu min = 10o. Khi đó điện áp trên tải là lớn nhất: Ud.max = Ud0.cosmin = Ud.đm . Và tương ứng, tốc độ động cơ sẽ lớn nhất: nmax = nđm. Còn khi góc mở là cực đại max thì điện áp trên tải là nhỏ nhất: Ud.min = Ud0.cosmax và tương ứng tốc độ động cơ là nhỏ nhất: nmin. Như vậy ta có: max= arcos ; Trong đó Ud.min được xác định như sau: D = Udmin = . Thay các thông số sau: Chọn D = 20; Tính Ud.đm = Ud0.cosmin = 240,24.cos10o = 236,59 V; Iưđm = 100 A; Rư = 0,1624 ; Ta được: Udmin = = 27,26 V. Vậy: max= arcos= arcos83,5o. - Điện cảm cần thiết để lọc thành phần sóng hài dòng điện: LL = Trong đó: LL: Trị số điện cảm lọc cần thiết (H). Idđm : Dòng điện định mức của bộ chỉnh lưu; Idđm = 100 (A). = 2f = 2 . .50 = 314 (rad/s) K = 1, 2, 3… là bội số sóng hài. m: số lần đập mạch trong một chu kỳ; Với chỉnh lưu hình tia ba pha, m = 3. Udn.max: Biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu (V) Với: Ud0: điện áp chỉnh lưu cực đại = 240,24 (V); max: góc điều khiển van cực đại = 83,5o) Vậy: Udnmax = = 179,15 (V) I1*%: Trị số hiệu dụng của dòng điện sóng cơ bản lấy tỷ số theo dòng điện định mức của chỉnh lưu. Trị số này cho phép I1*% < 10%Iđm. Vậy, chọn I1*% = 10. Từ đó ta tính được: LL = = 13,34 (mH). Vậy : Điện cảm cuộn kháng lọc: LckL = LL - Lư - LBA= 13,34 - 2,02 - 6,62 = 4,7 mH 1.5.2. Chọn cuộn kháng lọc: Các thông số tính được: + Điện cảm: LckL = 4,7 mH. + Dòng điện định mức: Iđm =100 A. + Biên độ dòng xoay chiều bậc1: I1m = 10%Iđm = 10 A. Ta chọn cuộn kháng lọc có các chỉ số: + Tổng trở cuộn kháng: Zk = Xk = m.2f.LckL = 3.2.50.4,7 = 4,43 + Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc: U = Zk. = 4,43. = 31,32 V. + Công suất cuộn kháng lọc: S = U. = 31,32. = 221,5 VA. 2.Tính chọn mạch điều khiển Tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành ngược từ tầng khuếch đại trở lên. Dòng điện của xung điều khiển : Igmax = 150 mA Điện áp của xung điều khiển : Ugmax = 3,0 V 2.1. Tính chọn biến áp xung: *) Chọn vật liệu làm lõi là sắt ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có: B = 0,3 T; H = 30 A/m, không có khe hở không khí. Tỷ số biến áp xung: thường m = 2 3, chọn m = 3. Điện áp cuộn thứ cấp của biến áp xung: U2 = Uđk = 3,0 V. Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = m.U2 = 3.3 = 9 V. Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung: I2 = Iđk = 0,15 A. Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung: I1 = I2/m = 0,15/3 = 0,05 A. Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: Trong đó = 1,25.10-6 H/m là độ từ thẩm của không khí. 2.2. Tính chọn tầng khuếch đại cuối cùng: 1. Chọn tranzito công suất Tr4 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung, có các thông số sau: Tranzito loại NPN, vật liệu bán dẫn là Si. Điện áp giữa colectơ và bazơ khi hở mạch emitơ : UCBO = 40 V. Điện áp giữa emitơ và bazơ khi hở mạch colectơ: UEBO = 4 V. Dòng điện lớn nhất ở colectơ có thể chịu được: ICmax = 500 mA. Công suất tiêu tán ở colectơ : PC = 1,7 W. Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T1 = 175oC. Hệ số khuếch đại : = 50 Dòng làm việc của colectơ : IC4 = I1 = 33,3 mA. Dòng làm việc của bazơ : IB4 = IC4/= 33,3/50 = 0,66 mA. Chọn tương tự cho Tr3 và Tr2. 2. Chọn tụ C2 và R6: Điện trở R6 dùng để hạn chế dòng đưa vào bazơ của Tr4, chọn R6 thoả mãn điều kiện: R6 k. Chọn R6 = 6,8 k. Chọn C2.R6 = tx = 167 s. Suy ra C2 = 0,022 F. 2.3. Tính chọn khâu so sánh: 1. Khuếch đại thuật toán chọn loại TL084 có các thông số sau: - Điện áp nguồn nuôi: VCC = 18 V, chọn VCC = 15 V - Hiệu điện thế giữa 2 đầu vào : 30 V. - Nhiệt độ làm việc: T = -25 85oC. - Công suất tiêu thụ: P = 680 mW. - Tổng trở đầu vào: Rin = 106 M - Dòng điện đầu ra: Ira = 30 pA. - Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: đu /dt = 13 V/s. 2. Chọn R4 và R5. Chọn : R4 = R5 >k 2.4. Tính chọn khâu đồng pha và tạo điện áp răng cưa: Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C1. Mặt khác để bảo đảm điện áp tựa có trong nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được Tr = R3.C1 =0.005 s Chọn tụ C1= 0,1 F thì điện trở R3= Tr/ C1 = 0,005/(0,1.10-6) Vậy R3 = 50.103 = 50 k . Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch , R3 thường chọn là biến trở lớn hơn 50 k .Chọn tranzito Tr1 loại A564 có các thông số sau: Tranzito loại PNP, làm bằng Si. Điện áp giữa colectơ và bazơ khi hở mạch emitơ : UCBO = 25 V. Điện áp giữa emitơ và bazơ khi hở mạch colectơ : UBEO= 7 V. Dòng điện lớn nhất ở colectơ có thể chịu đựng : ICmax= 100 mA. Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : Tcp= 1500C Hệ số khuyếch đại : = 250 Dòng cực đại của bazơ : IB3= IC/ = 100/250 = 0,4 A. Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào bazơ của tranzito Tr1 được chọn như sau: Chọn R2 sao cho R2 = UNmax/ IB= 12/ (0,4.10-3) = 30 k Chọn R2 = 30 k Chọn điện áp xoay chiều đồng pha : UA =9V Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật toán A1,thường chọn R1 sao cho dòng vào khuếch đại thuật toán Iv < 1mA . Do đó R1>= UA / Iv = 9/(1.10-3) = 9 k Chọn R1 = 10 k. Chương VI: KHẢO SÁT HỆ THỐNG BẰNG MATLAB - SIMULINK 1. Thành lập sơ đồ cấu trúc và hàm truyền của hệ thống: 1.1. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống: Khi xét hàm truyền của hệ thống theo tín hiệu U thì ta bỏ qua khâu nhiễu loạn phụ tải. Từ sơ đồ nguyên lý của hệ thống ta thành lập được sơ đồ cấu trúc : W WI W 1/KD U - - - Trong đó : W : Bộ điều chỉnh tốc độ WI : Bộ điều chỉnh dòng điện W: Bộ biến đổi : hệ số phản hồi âm dòng có ngắt : hệ số phản hồi âm tốc độ Xác định hàm truyền từng phần tử của hệ thống : Hệ số khuếch đại của động cơ : KĐ = Hằng số thời gian điện từ của động cơ : TE = Lư/Rư = 0.002/0.1624 = 0,0123 s. Hằng số thời gian điện cơ: TM= Trong đó : + GD2 = 7kg.m3 gọi là mômen vôlăng + KE = 1/KĐ = 1/ 7,0744= 0,1414 + KM = 9,55.KE = 9,55.0,1414= 1,35 => TM = =0,0159 Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi : K = Hằng số thời gian của bộ biến đổi : T = =0,0067 Hệ số phản hồi âm dòng có ngắt : Ta chọn giá trị dòng điện mà tại đó khâu ngắt dòng tác động là Ing : Ing =1,5 Idm =1,5.100 = 150 (A) Ta chọn giá trị Ung = 1 (V). Tại thời điểm I= Ing thì tín hiệu điện áp lấy trên điện trở cũng có giá trị = 1 V Ta có quan hệ giữa Ung và Ing là : Xác định hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện Bỏ qua sức điện động của động cơ ta có sơ đồ mạch vòng dòng điện: WI WII I Uiđ - - WI W1 1/ I Uiđ WI W2 1/ I Uiđ - Ta có : W2 = W1.=.0,0067 = Xác định WI theo phương pháp môdul tối ưu : Đối tượng điều chỉnh là W2 = Đây là khâu quán tính bậc 2 có dạng: W2 = Nên: k = 2,11644; T1 = 0,0067 ; T2 = 0,0123 Ta chọn thiết bị điều chỉnh là khâu PI có dạng: WI = kp.(1 + ) Với kp = Như vậy: WI = 0,13.(1 + ) = Xác định W theo phương pháp môdul tối ưu: W WI WII 1/KD U - - - n W WI WII 1/KD U n W WI WĐ U - - n W W4 I U W W5 1/ I Uiđ Hàm truyền động cơ: WĐ = WĐ == WI = WI .W = . = Với W = ; = 1,0653. 10-4p W3 = WI.WĐ = . W3 = W4 = W5 = W4. =. Trong đó: = UH/nđm = 12/1300 = 0,00923. Vây: W5 = = Dùng phương pháp môdul tối ưu và phương pháp tổng các hằng số thời gian nhỏ: Ta có: W5 = Mà W5 = Nên k = 64,997; T1 = 0,075; T2 = 0,016. Chọn bộ chỉnh lưu là bộ PI: W = kp .(1 + ); kp = = 0,036. W = 0,036 .(1 + ); Dạng đáp ứng tốc độ Mô Phỏng trên Matlab – Simulink. Sơ đồ biểu diễn hàm truyền trên matlab & simulink Dạng đáp ứng dòng điện KẾT LUẬN Trong thời gian thực hiện đề tài, với sự chỉ bảo và giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong khoa điện điện tử và đặc biệt là cô giáo Lê Thị Minh Tâm, đến nay đề tài “Thiết kế hệ thống truyền động điện cho máy bào giường”đã được hoàn thành. Em đã cố gắng vận dụng những kiến thức học ở trường để giải quyết những yêu cầu mà đề tài yêu cầu Tuy nhiên do thời gian và trình độ chuyên môn có hạn nên đồ án còn tồn tại những thiếu sót và hạn chế. Chính vì vậy rất mong nếu đề tài này tiếp tục được giao cho các khoá sau thì sẽ khắc phục được những hạn chế trên, đảm bảo tính hoàn thiện của sản phẩm. Em cũng rất mong sự đóng góp ý kiến từ phía các thầy cô và các bạn để em có thêm nhiều kinh nghiệm trong công tác học tập, nghiên cứu và lao động sau này. Cuối cùng, Em xin cảm ơn quý thầy cô, gia đình và các bạn bè đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ để đề tài được hoàn thành. Hưng yên, ngày 07tháng 06 năm 2006 Sinh viên thực hiện: TÀI LIỆU THAM KHẢO Kỹ thuật biến đổi Bộ môn tự động hoá– Trường đại học bách khoa Hà Nội Trang bị điện điện tử công nghiệp Vũ Quang Hồi- Nhà XB Giáo Dục Truyền động điện Bùi Quốc Khánh ; Nguyễn Văn Liễn; Nguyễn Thị Hiền -Nhà XB KHKT Điều chỉnh tự động truyền động điện Bùi Quốc Khánh ; Nguyễn Văn Liễn ;Dương Văn Nghi -Nhà XB KHKT Trang bị điện điện tử máy gia công kim loại Nguyễn Văn Tiến; Vũ Quang Hồi Điện tử công suất Nguyễn Bính-Nhà XB KHKT Matlab & simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động. Nguyễn phùng quang - Nhà XB KHKT.