Đặc điểm đặc trưng cho chế độ làm việc của hệ truyền động điện máy nâng, vận chuyển Máy nâng, vận chuyển thường được lắp đặt trong nhà xưởng hoặc để ngoài trời.Môi trường làm việc của cá
TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC VÀ CẦU TRỤC PHÂN XƯỞNG
Khái niệm chung
Sự phát triển kinh tế gắn liền với mức độ cơ giới hóa, tự động hóa sản xuất Trong đó, máy nâng hạ vận chuyển đóng vai trò quan trọng, là cầu nối giữa các khâu sản xuất, phân xưởng và máy công tác Máy nâng vận chuyển được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, xây dựng, giao thông Cầu trục là một trong những thiết bị vận chuyển tiêu biểu, giúp nâng cao hiệu suất sản xuất, tiết kiệm thời gian và công sức.
Trong cầu trục có 3 chuyển động:
1 Chuyển động của xe cầu theo phương ngang (xe cầu đi dọc theo phân xưởng).
2 Chuyển động của xe con theo phương ngang (xe con di chuyển trên xe cầu theo chiều ngang phân xưởng)
3 Cơ cấu nâng hạ được bố trí trên xe con và nó được chuyển động theo phương thẳng đứng (thực hiện nâng hạ tải trọng).
Phân loại máy nâng - vận chuyển
Phụ thuộc vào đặc điểm hàng hoá cần vận chuyển, kích thước, số lượng và phương vận chuyển mà các máy nâng, vận chuyển rất đa dạng Việc phân loại một cách hoàn hảo các máy nâng, vận chuyển rất khó khăn.
Có thể phân loại các máy nâng, vận chuyển theo các đặc điểm sau:
- Theo phương vận chuyển hàng hoá: o Theo phương thẳng đứng: thang máy, máy nâng o Theo phương nằm ngang: băng chuyền, băng tải o Theo mặt phẳng nghiêng: xe kíp, thang chuyền, băng tải o Theo các phương kết hợp: cầu trục, cần trục, cầu trục cảng, máy xúc
Cơ cấu di chuyển của máy nâng vận tải được phân loại theo cấu tạo:- Máy đặt cố định: thang máy, thang chuyền, băng tải, băng chuyền.- Di chuyển tịnh tiến: cầu trục cảng, cần cẩu con dê, cần trục, cầu trục.- Di chuyển quay góc hạn chế: cần cẩu tháp, máy xúc.
- Theo cơ cấu bốc hàng: o Cơ cấu bốc hàng là thùng, cabin, gầu treo o Dùng móc, xích treo, băng o Cơ cấu bốc hàng bằng nam châm điện
- Theo chế độ làm việc: o Chế độ dài hạn: băng tải, băng chuyền, thang chuyền o Chế độ ngắn hạn lặp lại: máy xúc, thang máy, cần trục
Đặc điểm đặc trưng cho chế độ làm việc của hệ truyền động điện máy nâng, vận chuyển
Máy nâng, vận chuyển thường được lắp đặt trong nhà xưởng hoặc để ngoài trời. Môi trường làm việc của các máy nâng, vận chuyển rất nặng nề, đặc biệt là ngoài hải cảng, các nhà máy hoá chất, các xí nghiệp luyện kim
Các khí cụ, thiết bị điện trong hệ thống truyền động và trang bi điện của các máy nâng, vân chuyển phải làm việc tin cậy trong mọi điều kiện nghiệt ngã của môi trường, nhằm nâng cao năng suất, an toàn trong vận hành và khai thác.
* Đối với hệ truyền động điện cho băng truyền và băng tải phải đảm bảo khởi động động cơ truyền động khi đầy tải; đặc biệt là vào mùa đông khi nhiệt độ môi trường giảm làm tăng mômen ma sát trong các ổ đỡ dẫn đến làm tăng đáng kể mômen cản tĩnh Mc.
Trên hình 1.3 biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc giữa mômen cản tĩnh và tốc độ động cơ:
Trên đồ thị ta thấy:
Khi ω = 0, Mc lớn hơn (2 ¿ 2,5)Mc ứngvới tốc độ định mức thay đổi đối với cơ cấu nâng - hạ, momen theo
* Động cơ truyền động cầu trục nhất là tải trọng rất rõ rệt.
Khi không có tải trọng
(không tải) mô men của động cơ không vượt quá (15 ¿ 25)%Mđm Đối với cơ cấu nâng của cần trục gầu ngoạm đạt tới 50%Mđm
Hình 1.1: quan hệ Mc=f ω Đối với động cơ di chuyển xe khi động cơ không tảicầu bằng (50 ¿ 55)%Mđm
Trong các hệ truyền động các cơ cấu của máy nâng, vận chuyển yêu cầu quá trình tăng tốc và giảm tốc xảy ra phải êm, đặc biệt là đối với thang máy và thang chuyên chở khách Bởi vậy mômen động trong quá trình quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu của kĩ thuật an toàn.
Năng suất của máy nâng, vận chuyển quyết định bởi hai yếu tố: tải trọng của thiết bị và số chu kỳ bốc, xúc trong một giờ Số lượng hàng hoá bốc xúc trong mỗi một chu kỳ không giống nhau và nhỏ hơn trọng tải định mức, động cho nên phụ tải đối với cơ chỉ đạt (60 ¿ 70)% công suất định mức động cơ.
Do điều kiện làm việc của máy nâng, vận chuyển nặng nề, thường xuyên làm việc trong chế độ quá tải (đặc biệt là máy xúc) nên các máy nâng, vận chuyển được chế tạo có độ bền cơ khí cao, khả năng chịu quá tải lớn
Một số nét về cầu trục phân xưởng
Cầu trục được dùng chủ yếu trong các phân xưởng, nhà kho để nâng hạ và vận chuyển hàng hóa với lưu lượng lớn Cầu trục là một kết Cầu trục được dùng chủ yếu trong các phân xưởng, nhà kho để nâng hạ và cấu dầm hộp hoặc dàn, trên đó đặt xe con có cơ cấu nâng Dầm cầu có thể chạy trên các đường ray đặt trên cao dọc theo nhà xưởng, còn xe con có thể chạy dọc theo dầm cầu
Vì vậy mà cầu trục có thể nâng hạ và vận chuyển hàng theo yêu cầu tại bất kỳ điểm nào trong không gian của nhà xưởng.
Cầu trục được sử dụng trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế với các thiết bị mang vật rất đa dạng như móc treo, thiết bị cặp, nam châm điện, gầu ngoạm Đặc biệt, cầu trục được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp chế tạo máy và luyện kim với các thiết bị mang vật chuyên dung.Phần kết cấu thép của cầu trục một dầm gồm dầm cầu có hai đầu tựa lên các dầm cuối với các bánh xe di chuyển dọc theo ray đặt trên vai cột của nhà xưởng Cơ cấu di chuyển của cầu trục một dầm thường dùng phương án dẫn động chung Phía trên dầm chữ I là dàn thép đặt trong mặt phẳng ngang để đảm bảo độ cứng cần thiết theo phương ngang của dầm cầu Palăng điện có thể chạy dọc theo các cánh thép phía dưới của dầm chữ I nhờ cơ cấu di chuyển palăng. Cabin điều khiển được treo vào phần kết cấu chịu lực của cầu trục.
Kích thước dầm thép chữ I của cầu trục lăn đầm đơn được chọn từ điều kiện bền theo tải trọng nâng, khẩu độ và điều kiện để palăng điện có thể di chuyển dọc theo các cánh dưới của dầm Ngoài ra, độ cứng của dầm theo phương ngang dầm cầu cũng cần được đảm bảo.
Trong trường hợp cầu trục có khẩu độ nhỏ, phương án đơn giản nhất để đảm bảo độ cứng dầm cầu sẽ là hàn thêm các thanh giằng.
Đặc điểm của hệ truyền động cầu trục và cầu trục phân xưởng
* Mômen cản trên trục động cơ là: Tổng hợp của hai mômen thành phần
- Mômen do ma sát gây ra luôn chống lại chuyển động quay của đông cơ
- Mômen do tải trọng sinh ra sẽ chống lại hoặc hỗ trợ chuyển động quay của động cơ tuỳ thuộc vào lúc tải trọng đi lên hay đi xuống.
* Tính chất của phụ tải là làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại.
* Chu kỳ làm việc của cơ cấu: -Hạ không tải
1.5.1.Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ
Hình 1.2 Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ dùng móc
1.5.2.Biểu thức phụ tải tĩnh
Phụ tải tĩnh của cơ cấu nâng hạ chủ yếu là do tải trọng quy định Để xác định phụ tải tĩnh phải dựa vào sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ a.Phụ tải tĩnh khi nâng.
G : Trọng lượng của tải trọng [ N ]
G: Trọng lượng của bộ lấy tải [ N ]
Rt : Bán kính của tang nâng (trống tời) [ m ] i: Tỷ số truyền của hộp tốc độ i=2π.R t n u.V với v: vận tốc nâng hạ [ m /s ] n: tốc độ quay của động cơ [ vg /s ] η c : Hiệu suất của cơ cấu
Trong các công thức trên hiệu suất η c lấy bằng định mức khi tải trọng bằng định mức Ứng với các tải trọng khác định mức, cần xác định η c
Xác định η c dựa theo hệ số mang tải:
[ Nm ] b Phụ tải tĩnh khi hạ:
* Có 2 chế độ hạ tải:
Khi tải trọng nhỏ, mômen do tải trọng tạo ra không thể thắng mômen ma sát, dẫn đến cơ cấu không hoạt động Máy điện lúc này sẽ hoạt động như một động cơ để tạo ra mômen giúp thắng mômen ma sát và tiến hành hoạt động.
- Hạ hãm thực hiện khi hạ tải trọng lớn Khi đó mômen do tải trọng gây ra rất lớn Máy điện làm việc ở chế độ hãm để giữ cho tải trọng được hạ với tốc độ ổn định.
* Mômen trên trục động cơ do tải trọng gây ra không có tổn thất.
Khi hạ tải trọng năng lượng được truyền từ phía tải trọng sang cơ cấu truyền động nên:
Trong đó: Mh : Mômen trên trục động cơ khi hạ tải ΔM : Tổn thất mômen trong cơ cấu truyền động η h : Hiệu suất của cơ cấu khi hạ.
Mt < Δ M : Hạ động lực Nêu coi tổn thất trong cơ cấu nâng hạ khi nâng tải và hạ tải như nhau thì: ΔM=M t η c −M t =M t ( 1 η c −1)
(G 0 +G)R t u.i (2− 1 η c ) Vậy hiệu suất của cơ cấu hạ tải trọng: η h =2−1 η c
Chế độ làm việc của ĐC phụ thuộc vào hiệu suất của cơ cấu khi hạ tải.
- Khi η c < 0,5, η h < 0, M h< 0 → Động cơ làm việc ở chế độ động cơ để hạ tải trọng → hạ động lực.
- Khi η c > 0,5, η h > 0, M h> 0 → Động cơ làm việc ở chế độ hãm để hạ tải trọng
15.3 Hệ số tiếp điện tương đối TĐ%
Khi tính toán hệ số tiếp điện tương đối chúng ta bỏ qua thời gian hãm và thời gian mở máy.
Thời gian toàn bộ một chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng hạ có thể được tính theo năng suất Q và tải trọng định mức Gđm:
Trong đó: Q : năng suất bốc giỡ hàng hoá [ N /h ]
Gdm : tải trọng nâng hạ định mức [ N ]
Thời gian làm việc khi nâng, hạ được xác định từ chiều cao vận tốc nâng hạ
Hệ số tiếp điện tương đối:
Tlv: Thời gian làm việc của 1 chu kỳ xác định theo điều kiện làm việc cụ thể của cơ cấu.
1.5.3.Chọn sơ bộ công suất động cơ:
* Xây dựng đồ thị phụ tải:
* Tính mômen trung bình hoặc mômen đẳng trị:
- Mômen trung bình được xác định theo công thức:
- Mômen đẳng trị được xác định theo công thức:
Mi: Trị số mômen ứng với khoảng thời gian ti k = 1,2 ¿ 1,3 → Hệ số dự trữ phụ thuộc vào mức độ nhấp nhô của đồ thị phụ tải, tần số mở máy, hãm máy. Điều kiện chọn công suất động cơ:
* Xây dựng biểu đồ phụ tải chính xác sau khi đã tính đến thời gian khởi động và hãm của động cơ.
* Tính lại hệ số tiếp điện tương đối thực có tính đến thời gian khởi động và hãm.
∑ t lv : Tổng thời gian làm việc,
∑ t kd : Tổng thời gian khởi động
Và tính phụ tải chính xác theo đại lượng đẳng trị Mđtcx
* Tính mômen đẳng trị chính xác của đồ thị phụ tải:
M tc =M dt √ TD% TD % tc tt
Trong đó: Mtc: Mômen quy đổi về hệ số tiếp điện tiêu chuẩn Động cơ được chọn là đúng nếu thoả mãn yêu cầu:
Mtc = Mđtcx √ TD TD th tc % %
TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO TRUYỀN ĐỘNG CƠ CẤU NÂNG HẠ
Xác định phụ tải tĩnh
* Phụ tải tĩnh khi nâng.
G 0000 N (Trọng lượng của tải trọng )
G0 = 10000 N (Trọng lượng của bộ phận lấy tải )
Rt = 0,5 m (Bán kính trống tời ) u = 2 (Bội số ròng rọc ) i = 10 (Tỷ số truyền của hộp tốc độ ) η đ m =0 , 77 (Hiệu suất định mức của cơ cấu ) η c =( η đ m ;G ¿ ) (*)
Theo hình 2 và (*) ta xác định: η c = η đ m =0 , 77
Chiều cao nâng hạ là: 10 m
Vận tốc nâng, hạ tải v = 2 m/s vận tốc nâng hạ không tải là: v0 = 4 m/s
Theo hình 2 và (*) ta xác định : η c0 = 0 ,23
* Phụ tải tĩnh khi hạ.
Hiệu suất cơ cấu khi hạ tải phụ thuộc vào hiệu suất khi nâng cùng tải trọng.
- Khi hạ có tải: Động cơ làm việc ở chế độ hạ hãm.
M h0 = G 0 u i R T ( 2− η 1 c 0 ) = 10000 2.10 0 , 5 ( 2− 0 , 1 23 ) =−586,956( Nm) Động cơ làm việc ở chế độ hạ động lực.
Xác định hệ số tiếp điện tương đối
Trong đó: h: độ cao nâng hạ : h = 10 (m) v 0 : vận tốc nâng, hạ không tải: v 0 = 4 (m/s) v : vận tốc nâng, hạ có tải: v = 2 (m/s) là thời gian hạ không tải :
T n0 : thời gian nâng không tải:
T nghi : Thời gian nghỉ bao gồm thời gian thao tác lấy tải, cắt tải, thời gian làm việc của xe cầu, xe con: Tng = 5 + 5 + 10 + 5 = 25 (s)
Thời gian làm việc: Tlv = 2,5 + 2,5 + 5 + 5 = 15(s)
Ta có biểu đồ phụ tải:
Vậy hệ số đóng điện tương đối là:
Ta chọn hệ số tiếp điện tiêu chuẩn là: TD% = 100%
Tính chọn sơ bộ công suât động cơ
Để xét đến đặc tính phát nóng của động cơ khi làm việc nên ta chọn công suất động cơ theo phụ tải trung bình:
Với: k – là hệ số dự trữ (k = 1,2 – 1,3)
Mô men trung bình chính xác:
M tbcx = M tb √ TD TD tc% % 0 ,54 √ 37 100 , 5 X2 , 08( Nm)
Dựa vào tỷ số truyền ta có: i = 2 π R t n u v
Căn cứ vào điều kiện chọn công suất động cơ:
Dựa vào các thông số đã biết và yêu cầu công nghệ của hệ thống ,tra bảng phụ lục và chọn động cơ điều chỉnh kích từ song song một chiều π − 220 V , vỏ kín, làm mát tự nhiên, TĐ 100% với số liệu sau:
Uđm = 220 V ; rcks = 65 nđm = 650 vg/p; Iđm = 116 A
Kiểm nghiệm công sất động cơ
Đồ thi phụ tải đặc trưng cho một chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng hạ khi tính đến thời gian mở máy và hãm
Vì ở cơ cấu nâng hạ Mc = const , J = const
Phương trình đặc tính là:
Xét trong quá trình mở máy M = MN (ω=0 )
Với hằng số thời gian của hệ thống Tc
M N =k.φ.I dm =1,2.25.116480(Nm) Để động cơ đạt tốc độ ổn định ω=ω od thì T = ∞ Trong thực tế khi tốc độ đạt khoảng 95 – 98% tốc độ định mức thì có thể coi hệ thống đã đạt trạng thái ổn định
Xét trong quá trình hãm
Ta có ω 0 =7,3rad/s→n 0 =9,55 7,3p(v/s) Áp dụng T h =T c ln ω 1 +ω od ω 1 −ω od Trong quá trình hãm tái sinh Độ sụt tốc khi hạ tải Ở chế độ không tải Động cơ làm việc hạ ở chế độ động lực
⇒ Hệ số tiếp điện tương đối theo tính toán
Mô men đẳng trị chính xác của đồ thị phụ tải là
⇒Mđm Mdm= = 784,03 (N.m) Vậy thoả mãn: Mđm > Mtc
⇒ Động cơ được chọn thoả mãn với điều kiện phát nóng Động cơ được chọn phù hợp với tốc độ và yêu cầu của đề tài.
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG
Đặt vấn đề
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẻ của khoa học kỷ thuật, các máy sản xuất ngày càng đa dạng dẫn đến hệ thống trang bị điện ngày càng phức tạp và đòi hỏi sự chính xác và độ tin cậy cao Một hệ thống truyền động không những đảm bảo yêu cầu công nghệ mà còn phải ổn định Tùy theo những loại máy công tác mà có những yêu cầu khác nhau, rất cần thiết cho giữ ổn định tốc độ, mômen với độ chính xác nào đó trước sự biến động về tải và các thông số của nguồn Do đó bộ biến đổi năng lượng xoay chiều thành một chiều đã và đang được sử dụng rộng rải.
Bộ biến đổi này có thể sử dụng nhiều thiết bị khác nhau để tạo ra như: hệ thống máy phát, khuếch đại từ, hệ thống van Chúng được điều khiển theo những nguyên tắc khác nhau với những ưu điểm khác nhau Do đó để có một phương án phù hợp với từng loại công nghệ đòi hỏi các nhà thiết kế phải so sánh các chỉ tiêu kinh tế - kỷ thuật để đưa ra phương án tối ưu.
3.1.1 Nội dung phương án Đối với những hệ thống truyền động điện đơn giản không có những yêu cầu cao thì chỉ cần dùng động cơ điện xoay chiều với hệ thống truyền động đơn giản Với hệ thống truyền động điện phức tạp có yêu cầu công nghệ cao, chất lượng như điều chỉnh trơn, dải điều chỉnh rộng thì phải dùng động cơ điện một chiều Các hệ điều chỉnh kèm theo phải đảm bảo các yêu cầu và có khả năng tự động hóa cao.
Như vậy, để chọn được hệ truyền động phù hợp thì ta phải dựa vào công nghệ của máy, công suất làm việc của máy để đưa ra những phương án cụ thể để đáp ứng yêu cầu của nó Để chọn được phương tốt nhất trong các phương án đặt ra thì cần phải so sánh về kỷ thuật và kinh tế. Đối với truyền động của động cơ điện một chiều thì bộ biến đổi là rất quan trọng, nó quyết định đến chất lượng của hệ thống Do vậy việc lựa chon phương án và lựa chọn bộ biến đổi thông qua việc xét các hệ thống.
3.1.2 Ý nghĩa của việc lựa chọn
Việc lựa chọn phương án hợp lý có một ý nghĩa đặc biệt quan trọng, nó được thể hiện qua các mặt:
+ Đảm bảo được yêu cầu công nghệ của máy sản xuất.
+ Đảm bảo được sự làm việc lâu dài, ổn định.
+ Giảm giá thành sản phẩm, nâng cao năng suất.
+ Dể dàng sửa chửa, thay thế khi xảy ra sự cố.
Các phương án truyền động
3.2.1 Hệ truyền động máy phát – động cơ (F – Đ)
Trong hệ truyền động máy phát – động cơ (F – Đ) nguồn cung cấp phần ứng động cơ là bộ biến đổi đổi máy điện (máy phát điều khiển kích từ độc lập). ta có: sơ đồ nguyên lý.
Hình 2.1 – sơ đồ nguyên lý hệ F – Đ. Động cơ Đ truyền động cho máy sản xuất, máy sản xuất được cấp điện phần ứng từ máy phát F Động cơ sơ cấp kéo máy phát F và động cơ một chiều KĐB ĐK, động cơ ĐK củng kéo máy phát tự kích từ K để cấp điện kích từ cho động cơ Đ và máy phát F.
Biến trở RKK dùng để điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát tự kích từ F, từ đó điều chỉnh điện áp cấp cho các cuộn kích từ máy phát KTF và cuộn dây động cơ KTĐ Biến trở RKF điều chỉnh dòng kích từ máy phát F, do đó điện áp phát ra của máy phát F đặt vào phần ứng động cơ Đ, dẫn đến thay đổi từ thông, ảnh hưởng đến tốc độ động cơ.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ Đ. ω = U k ∅ d
Với: U = UF – R.I hay ω = E F k ∅ d − R uD R uF k ∅ d
Từ phương trình đặc tính cơ của hệ F - D, ta có họ đặc tính cơ của hệ là những đường song song nằm ở cả bốn góc phần tư vủa mặt phẳng tọa độ với đực tính cứng.
Hình 2.2 – đồ thị họ đặc tính cơ của hệ F – Đ.
*) Đánh giá chất lượng của hệ thống.
+ Phạm vi điều chỉnh dể dàng và lớn.
+ Có khả năng điều chỉnh rất bằng phẳng.
+ Tổn hao khi mở máy, đảo chiều quay và khi điều chỉnh tốc độ bé vì quá trình này được thực hiện trên mặt kích từ.
+ Có thể dào chiều động cơ một cách dễ dàng.
+ Có khả năng quá tải cao.
+Đặc tính quá độ tốt, thời gian quá độ ngắn.
+Điện áp đầu ra của máy phát bằng phẳng có lợi cho động cơ.
+ Có khả năng giữ cho đặc tính cơ của động cơ cao và không đổi trong quá trình làn việc.
+ Hệ thống sử dụng nhiều máy điện quay cho nên gây ồn, kết cấu cơ khí cồng kềnh chiếm diện tích lớn.
+ Tổng công suất đặt lớn.
+ Vốn đầu tư ban đầu lớn.
+ Máy điện một chiều thường có từ dư lớn, đặc tính từ hóa có trể nên khó điều chỉnh sâu tốc độ.
3.2.1.1 Hệ thống F – Đ với phản hồi âm áp - dương dòng kết hợp
Hình 2.3 – sơ đồ nguyên lý hệ F - Đ với phản hồi âm áp – dương dòng kết hợp.
Phản hồi âm điện áp phần ứng láy trên điện trở Ra Dòng điện chạy qua cuộn W3 tạo ta sức từ động F3 ngược chiều F1.
Phương trình cân bằng sức từ động: F = F1 +F2 + F3.
Khi đưa khâu phản hồi âm áp dương dòng kết hợp, quá trình ổn định tốc độ diẽn ra nhanh hơn, đồng thời khắc phục được hiện tượng cưỡng bức khởi động Có thể điều chỉnh được gia tốc khởi động thông qua kết hợp điều chỉnh các hệ số phản hồi.
- Ưu điểm: sử dụng thiết bị tĩnh, đơn giản, rẻ tiền, dể lắp đặt và hiệu chỉnh.
- Nhược điểm: gây tổn thất trong mạch, đặc tính cơ mềm Vùng tốc độ thấp bị ạn chế nên phạm vi điều chỉnh tốc độ nhỏ.
3.2.1.2 Hệ thống F – Đ với phản hồi âm tốc độ.
Hình 2.4 - sơ đồ nguyên lý hệ F - Đ với phản hồi âm tốc độ.
Phản hồi được thực hiện thông qua máy phát tốc độ (FT) Rotor của FT được gắn đồng trục với rotor của động cơ Điện áp phát ra của FT tỷ lệ thuận với tốc độ của động cơ.
Phương trình cân bằng sức từ động: F = F1 – F4.
Phản hồi âm tốc độ vừa ổn định được tốc độ của hệ truyền động vừa tự động điều chỉnh gia tốc của hệ khi khởi động Có thể tiến hành điều chỉnh ở vùng tốc độ thấp do đó mở rộng được phạm vi điều chỉnh Chất lượng điều chỉnh cũng như ổn định tốc dộ rất tốt.
3.2.1.3 Hệ truyền động F – Đ với phản hồi âm dòng có ngắt
Khi thực hiện cá phản hồi trong hệ, tốc độ động cơ được duy trì không đổi theo tốc độ dặt cho trước khi xảy ra quá tải, động cơ có thể bị cháy, việc sử dụng các thiết bị bảo vệ có thể gây phức tạp cho quá trình vận hành Do đó người ta đưa vào hệ thống khâu phản hồi âm dòng có ngắt.
Hình 2.5 – sơ đồ nguyên lý hệ F – Đ với phản hồi âm dòng có ngắt.
Phản hồi bao gồm một khâu phản hồi am dòng điẹn phần ứng và một khâu so sánh như hình 2.5 Khi dòng điện phần ứng chưa vuọt qua khỏi trị số cho phép, van D không dẫn dòng, sức từ động (stđ) F4 = 0 Khi dòng điẹn vượt quá trị số chỉnh định, van D mở, F4 ≠ 0 làm giảm sức từ động của máy điện khuyết đại (MĐKĐ), dẫn đến kích thích máy phát giảm, động cơ giảm tốc độ đường đặc tính dốc nên n = 0.
3.2.1.4 Hệ truyền động F – Đ với phản hồi âm áp có ngắt
Sử dụng phản hồi âm điện áp cho phép giảm tổn thất năng lượng trong quá trình điều chỉnh tốc độ động cơ Tuy nhiên, khi khởi động động cơ, phản hồi âm điện áp làm chậm quá trình tăng tốc Để khắc phục điều này, được sử dụng một khâu ngắt để vô hiệu hóa phản hồi trong giai đoạn khởi động Sau khi quá trình khởi động hoàn tất, phản hồi âm điện áp được đưa trở lại để đảm bảo tốc độ động cơ ổn định.
Hình 2.6 - sơ đồ nguyên lý hệ F – Đ với phản hồi âm áp có ngắt. Để thực hiện ngắt, người ta cũng dùng khâu so sánh như hình 2.6 Kkhi khởi động, van D khóa, phản hồi không tham gia Kết thúc khởi động, D mở qua cuộn W5 có dòng điện tạo ra sứ từ động (stđ) F5 ngược chiều F1 để ổn định tốc độ động cơ.
3.2.2 Hệ truyền động Thyristo – động cơ (T – Đ)
Là hệ truyền động cơ điện một chiều kích từ độc lập, điều chỉnh tốc độ cơ bản bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng hoặc thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ thông qua bộ biến đổi chỉnh lưu dùng thyristor.
Hình 2.7 – sơ đồ nguyên lý hệ T – Đ.
- FT: máy pát tốc dùng để phản hồi âm tốc độ phần ứng của động cơ.
- BBĐ: bbooj biên đổi dùng thyristor biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều cấp cho động cơ.
- Đ: động cơ một chiều kích từ độc lập kéo máy sản xuất.
- TH&KĐ: khâu tổng hợp và khuếch đại tín hiệu.
- UCd: tín hiệu đặt vào.
- n: tín hiệu phản hồi âm tốc độ.
*) nguyên lý làm việc của hệ thống.
Giả thiết ban đầu hệ thống đã được đóng vào lưới điện với một điện áp thích hợp, lúc này động cơ vẫn chưa làm việc Khi đặt vào hệ thống một điện áp ứng với một tốc độ nòa đó của động cơ thông qua khâu tổng hợ khuếch đại và mạch phát xung (FX) sẻ xuất hiện các xung đưa tới cực điều khiển của các van bộ biến đổi Nên lúc này các van đó đang đặt điện áp thuận thì van đó sẻ mở đầu ra của BBĐ có điẹn áp UCd đặt lên phần ừng của động cơ dẫn đến động cơ quay, ttoocs độ của nó ứng với UCd ban đầu. Trong quá trình làm việc, nếu một nguyên nhân nào đó làm cho tốt độ động cơ giảm thì ta thấy.
Uđk =UCd - γ n ; nên khi n giảm → Uđk tăng → α giảm → Ud tăng → n tăng tới điểm làm việc yêu cầu Khi n tăng quá mức cho phép thì quá trình xảy ra ngược lại, chính là quá trình ổn định tốc độ.
Nhờ khâu phản hồi âm tốc độ mà tín hiệu phản hồi ngược với điện áp điều khiển, giúp giữ ổn định tốc độ động cơ Điều kiện để mở van là điện áp cực anod (UAK) lớn hơn 0 và dòng điện lưới (IG) khác 0.
Sức điện động của BBĐ.
Eb = Ebm cos α = Ub (Ub = U đầu ra của bộ biến đổi).
Phương trình đặc tính cơ của hệ thống: ω= U d
Họ đặc tính cơ của hệ thống như hình vẽ:
Hình 2.8 – đồ thị đặc tính cơ của hệ T – Đ.
*) Đánh giá chất lượng hệ thống.
+ Tốc độ nhanh, không gây ồn ào và dể tự động hóa do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại cao.
+ Công suất tổn hao nhỏ, kích thước và trọng lượng nhỏ, giá thành hạ, dể bảo dưỡng, sửa chữa.
+ Mạch điều khiển phức tạp, điện áp chỉnh lưu có biểu đồ đạp mạch cao, gây đến tổn thất phụ đáng kể trong động cơ và hệ thống.
+ Chuyển đổi làm việc khó khan hơn do đường đặc tính nằm trong ở mặt phẳng tọa độ.
+ Trong thành phần của bộ biến đổi có máy biến áp nên hệ số cos φ thấp.
+ Do vai trò chỉ dẩn dòng một chiều nên việc chuyển đổi chế độ làm việc khó khăn đối với các hệ thống đảo chiều.
+ Do có vùng làm việc gián đoạn của đặc tính nên không phù hợp truyền động động cơ tải nhỏ.
3.2.2.2 Đảo chiều trong hệ thống T – Đ.
Chọn phương án truyền động
Qua quá trình phân tích hai hệ thống truyền động: máy phát động cơ (F – Đ) và dùng bộ biến đổi thyristor – động cơ (T – Đ), ta thấy chúng có những ưu điểm và nhược điểm nhật định Cả hai hệ thống đều đảm bảo được yêu cầu công nghệ đặt ra. Nhưng xét về chỉ tiêu kinh tế, kỷ thuật thì mỗi hệ thống đạt được những đặc điểm khác nhau Cụ thể ta thấy:
Hệ thống truyền động F – Đ có ưu điểm điều chỉnh tốc độ dễ dàng và chuyển đổi trạng thái hoạt động linh hoạt Tuy nhiên, hệ thống này đòi hỏi diện tích lắp đặt lớn, hiệu suất không cao và gây ồn ào, rung động mạnh Do đó, chi phí lắp đặt và đầu tư cho hệ thống truyền động F – Đ tương đối cao.
- Hệ truyền động T – Đ: có hệ số khuếch đại lớn; dể tự động hóa do tác động nhanh, chính xác; công suất tổn hao nhỏ; độ tin cậy cao, giảm được sức lao động và tăng năng suất Kích thước nhỏ, gọn nhẹ nên phần cơ khí của máy gọn tạo nên tính thẩm mỹ cho hệ thống Vốn đàu tư và chi phí vật hành thấp
Trong giai đoạn CNH – HĐH ngày này với xu thế chung hướng tới mục tiêu yêu cầu tối ưu nhất đảm bảo tính khoa học, gọn nhẹ, không gây ồn, ít ảnh hưởng đến môi trường xung quanh Với hệ truyền động F – Đ mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng cũng còn nhiều hạn chế chưa đáp ứng được yêu cầu CNH – HĐH hiện nay.
Với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học công nghệ, xu hướng tự động hóa hệ thống đang được thúc đẩy, bao gồm hệ thống tự động, gia công chính xác Điều khiển hệ thống này được thực hiện bằng cách kết hợp với các bộ điều khiển tự động như PLC và vi xử lý.
Hệ thống truyền động T - Đ được lựa chọn vì đáp ứng tốt yêu cầu về tính kỹ thuật và kinh tế Với những ưu điểm và đặc điểm phù hợp, hệ thống truyền động này có hiệu suất cao Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, các hệ thống truyền động F - Đ đang dần được thay thế bằng các hệ thống khác, bao gồm cả hệ thống T - Đ Do đó, ứng dụng hệ thống truyền động T - Đ trong các ứng dụng thực tế là lựa chọn phù hợp và hiệu quả.
THIẾT KẾ MẠCH LỰC HỆ TRUYỀN ĐỘNG
Sơ lược về bộ biến đổi SƠ LƯỢC VỀ BỘ BIẾN ĐỔI
4.1.1 Các sơ đồ nối dây của bộ chỉnh lưu có điều khiển
Trong kỹ thuật hiện nay có nhiều trường hợp phải sử dụng nguồn điện áp một chiều có trị số thay đổi được để cung cấp cho các phụ tải khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng Các nguồn điện áp một chiều nhà máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi tĩnh (khuếch đại từ) có khá nhiều nhược điểm, trong đó có nhược điểm cơ bản là tổn thất riêng khá lớn Cùng với sự phát triển của kỷ thuật bán dẫn và vi mạch điện tử thì việc sử dụng các bộ chỉnh lưu bán dẫn có điều khiển ngày càng dược phổ biến và có nhiều ưu việt hơn.
4.1.1.1 Sơ đồ nối dây hình tia
Hình 3.1 – sơ đồ nguyên lý hệ thống CL – Đ hình tia 3 pha và sơ đồ thay thế. Đặc điểm của sơ đồ nối dây hình tia:
+ Số van chỉnh lưu bằng số pha của nguồn cung cấp.
+ Các van có một điện cực cùng tên nối chung, điện cực còn lại nối với nguồn xoay chiều Nếu điện cực nối chung là Katot, ta có sơ đồ Katot chung; nếu điện cực nối chung là Anot, ta có sơ đồ nối Anot chung.
+ Hệ thống điện áp nguồn xoay chiều m pha phải có điểm trung tính; trung tính nguồn là điện cực còn lại của điện áp chỉnh lưu.
4.1.1.2 Sơ đồ hình cầu. Đăc điểm của sơ đồ chỉnh lưu cầu.
Số lượng van chỉnh lưu được xác định bằng công thức gấp đôi số pha của điện áp nguồn cung cấp Trong các van chỉnh lưu này, sẽ có m van được nối với Katot chung (gồm van 1, 3, 5) tạo nên cực dương của điện áp nguồn, trong khi m van còn lại có Anot chung (gồm van 2, 4, 6) tạo nên cực âm của điện áp chỉnh lưu.
+ Mỗi pha của điện áp nguồn nối với 2 van, 1 ở nhóm Anot chung, 1 ở nhóm Katot chung.
Hình 3.2 - Sơ đồ nguyên lý hệ thống CL – Đ hình cầu 3 pha và sơ đồ thay thế. 4.1.2 Nguyên ký làm việc của bộ biến đổi (BBĐ) xoay chiều
Xét sơ đồ hình tia 3 pha Katot chung. Để một Thyristor mở cần có 2 điều kiện.
+ Điện áp Anot – Katot phải dương (UAK> 0).
+ Có tín hiệu điều khiển đặt vào điện cực điều khiển và Katot của van.
Do đặc điểm vừa nêu mà trong sơ đồ tia 3 pha các van chỉ mở trong một giới hạn nhất định.
Ví dụ : Ở pha A, trong khoảng wt =0 ÷ π → uA> 0
Tuy nhiên ở các khoảng wt = 0 ÷ π / 6 → uC> uA. và wt = 5 π / 6 ÷ π → ub> uA.
Như vậy van T1 nối vào pha A chỉ có thể mở trong khoảng wt = 5 π / 6 ÷ π /6. Trong khoảng này nếu tín hiệu đến cực điều khiển của T1 thì T1 mở Tương tự với T2 và T3.
Thời điểm a0 = wt = π / 6được gọi là thời điểm mở tự nhiên của sơ đồ chỉnh lưu 3 pha Nếu truyền tín hiệu mở van chậm hơn thời điểm mở tự nhiên một góc độ điện thì khoảng dẫn dòng cuả van sẽ thay đổi (nhỏ hơn 2 π / ¿3) dẫn đến trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu sẽ giảm đi Khi góc mở a càng lớn thì Ud càng nhỏ.
Từ kết cấu của sơ đồ chỉnh lưu cầu ta có nhận xét: Để có dòng qua phụ tải thì trong sơ đồ phải có ít nhất 2 van cùng thông, một ở nhóm Anôt chung, một ở nhóm Katôt chung Vậy với giả thiết là sơ đồ làm việc ở chế độ dòng liên tục và bỏ qua quá trình chuyển mạch thì khi bộ chỉnh lưu cầu m pha làm việc, ở một thời điểm bất kỳ trong sơ đồ luôn có 2 van có thể dẫn dòng khi có xung điều khiển: Van ở nhóm Katôt chung nối với pha có điện áp dương nhất và van ở nhóm Anôt chung nối với pha có điện áp âm nhất Thời điểm mở tự nhiên của sơ đồ cầu cũng được xác định như đối với sơ đồ tia có số pha tương ứng. Để điều khiển điện áp chỉnh lưu trên phụ tải một chiều ta thay đổi thời điểm đưa xung điều khiển đến các cực điều khiển của các van, làm thay đổi khoảng dẫn dòng của van làm điện áp trung bình của chỉnh lưu thay đổi. Đặc điểm của các sơ đồ hình tia là ngoài các thời gian chuyển mạch các van ứng với γ (là khoảng thời gian khi một van nào đó đang ngừng làm việc và van tiếp sau đang bắt đầu làm việc) dòng điện phụ tải id bằng dòng điện trong van đang mở Do đó dòng điện trong mạch phụ tải được xác định bởi sức điện động pha làm việc của máy biến áp, còn độ sụt áp trong bộ biến đổi thì được xác định bởi độ sụt áp trên pha đó. Ở sơ đò cầu, bên ngoài chu kỳ chuyển mạch vẩn có hai van làm việc đồng thời.Dòng điện phụ tải chảy liên tiếp qua hai van và hai pha của máy biến áp dưới tác dụng của hiệu số sức điện động của các van tương ứng, nghĩa là dưới tác dụng của sức điện động dây Sau một chu kỳ biến thiên của điện áp xoay chiều cả 6 van của bộ biến đổi đều tham gia làm việc Trị số trung bình của sức điện động chỉnh lưu Ed ở trạng thái dòng điện liên tục được xác định như sau: Ed = Eđm cos
Trong đó: Eđm là trị số cực đại của sức điện động chỉnh lưu ứng với trường hợp
Với sơ đồ 3 pha hình tia trị số cực đại của sức điện động chỉnh lưu là:
Với sơ đồ 3 pha hình cầu là: Eđm2 =2,34Ef2
Trong đó:E2f là trị số hiệu dụng của sức điện động (s.đ.đ) pha thứ cấp máy biến áp.
Kết luận : Để phù hợp với yêu cầu của đề tài thì ta chọn bộ chỉnh lưu cầu 3 pha.
4.1.2.3 Dòng điện chỉnh lưu trên phụ tải một chiều.
Do điện áp chỉnh lưu lặp đi lặp lại2m (hoặc m) lần trong một chu kỳ của điện áp nguồn nên ở chế độ xác lập thì dòng qua tải cũng lặp đi lặp lại như vậy (tuỳ thuộc sơ đồ chỉnh lưu là tia hay cầu, số pha chẳn hay lẻ) Như vậy chỉ cần biết dòng và áp trên tải trong khoảng thời gian là 1/m chu kỳ hay là tương đương góc độ điện 2 π /q (q = 2m hoặc là q = m) Để xác định dòng và áp trên tải ta dựa vào sơ đồ thay thế của chỉnh lưu trong một khoảng thời gian làm việc của một van.
Hình 3.3- sơ đồ thay thế của chỉnh lưu trong khoảng thời gian làm việc của van.
Với: U - tổng đại số điện áp nguồn xoay chiều tác động trong mạch vòng nối với các van đang dẫn dòng trong sơ đồ ở thời gian đang xét.
- Nếu là sơ đồ tia thì chỉ có 1 van mở, u = uf.
- Nếu là sơ đồ cầu thì có 2 van ở 2 pha khác nhau cùng làm việc, u = ud.
- Nếu chọn mốc thời gian xét t = 0 là thời điểm bắt đầu mở một van trong sơ đồ thì u = Um.sin(wt + y).
+ Um - Biên độ điện áp nguồn (pha hoặc dây)
+ Ѱ - góc pha đầu, được xác định: Ѱ = π /2 - π /q + a
Với: T - đặc trưng cho van đang dẫn dòng, ở sơ đồ hình tia là 1 van, sơ đồ hình cầu là 2 van nối tiếp nhau, bỏ qua sụt áp trên van.
Ed, Rd, Ld - là các phần tử của phụ tải
Ud, Id - dòng và áp trên tải.
Phương trình cân bằng điện áp từ sơ đồ thay thế: d m d d d d U t E dt
R sin( ) Giải phương trình này ta nhận được biểu thức của dòng điện chỉnh lưu:
Tuỳ thuộc đặc tính phụ tải, dạng sơ đồ, giá trị góc điều khiển mà có thể có các chế độ làm việc khác nhau:
- Nếu trong toàn bộ thời gian làm việc id> 0 ta có chế độ dòng tải liên tục.
- Nếu trong một chu kỳ làm việc mà dòng tải có q khoảng bằng không và q khoảng khác không (q = m nếu là sơ đồ tia, q = 2m nếu là sơ đồ cầu ) ta có chế độ dòng tải gián đoạn.
- Chế độ giới hạn giữa 2 chế độ nêu trên được gọi là chế độ dòng biên liên tục.
Tính chọn mạch động lực
4.2.1 Thông số cơ bản của động cơ
- Điện cảm mạch phần ứng của động cơ.
2.3 ,14.2 650 116 =3 , 48 (mH ) Trong đó: γ = 0 , 25: hệ số lấy cho động cơ có cuộn bù.
4.2.2 Tính chọn bộ biến đổi
Như đã phân tích ở trên, ta dùng chỉnh lưu cầu 3 pha.
Ta có: sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha như hình 3.3 ở trên.
Người ta điều chỉnh điện áp trung bình của tải bằng cách điều chỉnh góc mở của các Thyristor.
Xét sơ đồ cầu 3 pha gồm 6 Thyristor chia thành 2 nhóm:
Nhóm Anot chung: T4, T6 và T2 Điện áp các pha thứ cấp máy biến áp. v a = √ 2 U 2 sin θ ; v b = √ 2 U 2 sin( θ - 2 π /3); v c = √ 2 U 2 sin( θ - 4 π /3);
Hình 3.4 – đồ thị dạng song chỉnh lưu cầu 3 pha
Hoạt động của sơ đồ: Giả thiết T5 và T6 đang cho dòng chảy qua V F = v c , V G = v b
Khi = 1 = π /6 + cho xung điều khiển mở T1 Thyristor này mở vì v a > 0 Sự mở của T1 làm cho T5 bị khóa lại một cách tự nhiên vì v a > v c Lúc này T6 và T1 cho dòng chảy qua Điện áp trên tải: u d = u ab = v a - v b.
Khi = 2 = 3 π /6 + cho xung điều khiển mở T2 Thyristor này mở vì khi T6 dẫn, nó đặt v b lên Anot T2 Khi = 2 thì v b > v c Sự mở của T2 làm cho T6 bị khóa lại một cách tự nhiên vì v b > v c.
Các xung điều khiển lệch nhau /3 được lần lượt đưa đến cực điều khiển của các Thyristor theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1, Trong mỗi nhóm, khi một Thyristor mở nó sẽ khóa ngay thyristor dẫn dòng trước nó, ta có:
Giá trị trung bình của điện áp tải.
Giá trị hiệu dụng của dòng thứ cấp máy biến áp:
Giá trị hiệu dụng dòng sơ cấp máy biến áp:
Công suất tính toán máy biến áp:
Thay số liệu vào ta có: S = (S1 + S2)/2 = 1,047.Pd
- Điện áp chỉnh lưu có số lượng xung gấp đôi so với sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha.
- Số van thường dùng nhiều nên sụt áp trên các van là đáng kể, với yêu cầu dòng tải nhỏ.
- Điện áp chỉnh lưu lớn thì ta thường dùng sơ đồ này.Sử dụng được hết công suất biến áp.
4.2.3 Tính chọn van động lực (Thyristor)
Theo tính toán, ta có; Uđm "0 (V); Pđm = 22 (kW) nên ta được Iđm = 116(A) Tính chọn Thyristor dựa vào các yếu tố cơ bản là dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm việc, các thông số cơ bản của van được tính đến như sau:
4.2.3.1 Điện áp ngược của van.
Do chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng nên. k u = 3.√ 6 π ; k nv =√ 6 ≈ 2 , 45 Với: ku; knv: lần lượt là các hệ số điện áp tải và điện áp ngược.
=> Điện áp ngược của van cần chọn. Điện áp ngược của van cần chọn phải lớn hơn điện áp làm việc và được tính theo công thức:
U nv = k dtU U lv =1, 8 230 , 3= 414 , 54 (V ) Với: kdtU = 1,8 – hệ số dữ trữ điện áp (thường chọn lớn hơn 1,6).
4.2.3.2 Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng.
Dòng điện làm việc của van được chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua van.
√ 3 ≈ 66 , 97 ( A ) Với: khd– Hệ số dòng điện hiệu dụng.
Trong sơ đồ cầu 3 pha đối xứng, ta có: khd = 1 / √ 3
Điều kiện làm việc tối ưu cho van là cánh tỏa nhiệt có diện tích tỏa nhiệt đủ lớn và không sử dụng quạt đối lưu không khí Trong điều kiện này, dòng điện làm việc cho phép của van có thể đạt tới 40% so với dòng điện định mức danh định.
Chọn Ilv = 30%Iđmv, ta có: Iđmv = 3,33.Ilv = 3,33 116 = 386 (A)
Từ thông số Unv, Iđmv và các yêu tố liên quan ta chọn Thyristor FT100DY10.
Bảng 3.1 – Thông số của van động lực.
Uđm - Điện áp ngược cực đại của van
Iđm - Dòng điện định mức của van
Ipik - Đỉnh xung dòng điện
Ig - Dòng điện xung điều khiển
Ug - Điện áp xung điều khiển
Ih - Dòng điệsn tự giữ
U - Sụt áp trên Thyristor ở trạng thái dẫn du/dt - Tốc độ biến thiên điện áp
Tcm - Thời gian chuyển mạch (mở và khoá).
Tmax - Nhiệt độ làm việc cực đại.
4.2.4 Tính toán máy biến áp chỉnh lưu
Chọn máy biến áp 3 pha 3 tru, sơ đồ đấu dây kiểu ∆ / Y , làm mát bằng không khí tự nhiên.
4.2.4.1 Xác định các thông số cơ bản. Điện áp pha sơ cấp của MBA là: U1 = 380 (V)
Phương trình cân bằng điện áp khi có tải
Udocos min = Ud + 2 ∆ U v + ∆ U dn + ∆ U ba α min 0 là góc dự trữ khi có suy giảm diện áp lưới
∆ U dn ≈ 0: sụt áp trên dây nối
∆ U ba = ∆ U r + ∆ U x sụt áp trên điện trở và điện kháng MBAChọn sơ bộ (5% - 10%)
Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải, ta có.
U d 0 = U d + 2 ∆ U v + ∆ U dn + ∆ U ba cos α min = 220+ 2.3+ 0+13 , 2 cos10 0 ≈ 242 , 89 (V )
*) Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp.
*) Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp,
*) Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp.
*) Công suất cực đại của tải.
*) Công suất biến áp nguồn cấp.
S BA =k s P d max = 1, 05.28 , 17= 29 , 57( kVA ) Trong đó: SBA – công suất biểu kiến của biến áp
Pd – công suất cực đại của tải ks – hệ số công suất, chọn sơ đồ cầu 3 pha ta có ks = 1,05
4.2.4.2 Tính toán sơ bộ mạch từ.
*) Tiết diện sơ bộ trụ.
Tiết diện trụ của lõi thép biến áp được tính từ công thức:
Trong đó: Sba – công suất biến áp (W) m – số trụ của máy biến áp. f – tần số điện xoay chiều. kQ – hệ số phụ thuộc phương thức làm mát (KQ = 4 – 6).
Chọn kQ = 6 ( điểm giống và khác giữa biến áp dầu và khô), ta có
*) Đường kính của trụ. d = √ 4 Q π Fe = √ 4.84 π , 24 = 10 , 3 ( cm )
Chuẩn hóa đường kính trụ theo tiêu chuẩn d = 11 cm.
Ta chọn chiều cao trụ là h = 25 cm
4.2.4.3 Tính toán dây quấn. a Số vòng dây mỗi cuộn.
4 , 44 f Q Fe B ( v ò ng ) Trong đó: W – số vòng dây của cuộn cần tính.
U – điện áp của cuộn cần tính.
4 , 44 50 84 , 24 1 ≈ 56 ( v ò ng ) b Dòng điện của các cuộn dây
Ta dùng cách tra dòng điện sơ cấp và thứ cấp theo bảng 1.2 sách tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất.
Nên: I2 = k2 Id = 0,82.116 = 95,12(A). c Tiết diện dây dẫn.
Trong đó: SCu – tiết diện dây quấn.
I – dòng điện chạy qua cuộn dây.
J – mật độ dòng điện trong MBA
Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong MBA: với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô nên chọn J1 = J2 = 2,75 (A/mm 2 ).
2 , 75 ≈ 9 , 33(mm¿¿ 2) ¿ Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cách điện cấp B, chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: SCu1 = 9,35 mm 2
Kích thước dây dẫn có kể đến cách điện.
Tính lại mật độ dòng điện.
Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cách điện cấp B, chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: SCu2 = 34,80 mm 2
Kích thước dây dẫn có kể đến cách điện.
Tính lại mật độ dòng điện.
Dây quấn được quấn theo chiều dọc trục và theo kiểu quấn đồng tâm Mỗi cuộn dây được quấn thành nhiều lớp dây, mỗi lớp dây được quấn liên tục và các vòng dây sát nhau.
Ta có dây quấn tiết diện hình chữ nhật. a Kết cấu dây dẫn sơ cấp.
*) Tính sơ bộ số vòng dây trên mỗi lớp.
W 1 l = h−2 h g b n1 k c ( v ò ng ) Trong đó: h – chiều cao trụ, chọn = 25 cm hg – khoảng cách từ gồng đến cuộn dây sơ cấp, chọn sơ bộ hg = 1,5 cm. kc – hệ số ép chặt, kc = 0,95 bn1 – chiều rộng của cuộn dây chử nhật kể cả cách điện.
*) Tính sơ bộ số lớp dây. n 1 l = W 1
38 ≈ 5 , 34 ( lớp ) Chọn số lớp n1l = 6, như vậy có 203 vòng chia thành 6 lớp: chọn 5 lớp có đầu vào
34 vòng, riêng lớp thứ 6 có 33 vòng
*) Chiều cao thực tế của cuộn dây. h 1 = W 1l b n 1 k c = 38.0 , 55
0 , 95 = 22 ( 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 chọn: cd01 = 1,0 (cm) Đường kính trong của ống cách điện:
Dt = dFe + 2.cd01 - 2.S01 = 11 +2.1 –2.0,1 ,8 (cm) Đưòng kính trong của cuộn dây.
Dt1 = Dt + 2.S01 = 12,8 +2.0,1 = 13(cm) Chọn bề dày cách điện giữa hai lớp dây ở cuộn dây: cd1l = 0,1(mm)
Bề dày cuộn dây sơ cấp.
Bd1= (a1+cd1l.).n11 = (1,81+0,1).6 = 11,46 (mm)= 1,15(cm) Đường kính ngoài của cuốn dây.
Dn1= Dt1+2.Bd1 = 13 + 2.1,15 = 15,3 (cm) Đường kính trung bình của cuộn dây.
L1 =W1..Dtb1 = 203 π 14,15 ≈ 9019 (cm) ≈ 90 , 19 (m) Chọn bề dầy cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp: cd12=1,0(cm) b Kết cấu dây dẫn thứ cấp
*) Chọn sơ bộ chiều cao cuộn dây: h2 = h1 = 22 (cm)
*) Tính sơ bộ số vòng dây trên mỗi lớp.
*) Tính sơ bộ số lớp dây. n 2 l = W 2
23 ≈ 2 ( lớp ) Chọn số lớp n2l = 2, như vậy có 56 vòng chia thành 2 lớp, mỗi lớp có 23 vòng
*) Chiều cao thực tế của cuộn dây. h 2 = W 2l b n2 k c = 23.0 , 93
0 ,95 " ,15 (cm) Đưòng kính trong của cuộn dây.
Dt2 = Dn1 + 2.cd12 = 15,3 + 2.1 = 17,3 (cm) Chọn bề dày cách điện giữa hai lớp dây ở cuộn dây: cd2l = 0,1 (mm)
Bd2 = (a2 + cd2l.).n21 = (9,3 + 0,1).2 = 18,8 (mm) = 1,88 (cm) Đường kính ngoài của cuốn dây.
D = D + 2.B = 17,3 + 2.1,88 = 21,06 (cm) Đường kính trung bình của cuộn dây.
2 ,18(cm) Chiều dài dây quấn.
L2 = W2. Dtb2 = 56 π 19,18 ≈ 3372 (cm) ≈ 33 , 72 (m) Đường kính trung bình của các cuộn dây.
2 ,03(cm) 4.2.4.5 Tính các thông số máy biến áp.
- Điện trở của cuộn sơ cấp MBA ở 75 0 C
Với: ρ =0,02133 ¿) là điện trở suất của đồng ở 75 0 C.
- Điển trở của cuộn thứ cấp MBA ở 75 0 C
- Điện trở ngắn mạch của MBA.
- Điện trở kháng ngắn mạch của MBA.
Trong đó: Rbk – bán kính trong cuộn dây thứ cấp (m) h – chiều cao cửa sổ lõi thép (m) cd – bề dày cách điện giữa các cuộn dây với nhau (0,3 – 1 mm) ω14 rad
Thay các thông số ta có:
- Điện áp rơi trên điện trở.
- Điện áp rơi trên điện kháng.
- Sụt áp trên máy biến áp.
- Tổng trở ngắn mạch MBA.
- Điện áp ngắn mạch phần trăm của MBA.
- Dòng điện ngắn mạch của MBA.
4.2.5 Thiết kế cuộn kháng lọc
4.2.5.1 xác định phạm vi góc điều khiển
Chọn góc mở cực tiểu α min = 10 0 Với góc mở này là góc mở dữ trữ để có thể bù được sự giảm điện áp lưới.
Khi góc mở nhỏ nhất α = α min thì điện áp trên tải là lớn nhất và tương ứng với tốc độ động cơ lớn nhất n max = n dm , ta có U d max = U d 0 cosα min = U d đ m
Khi góc mở lớn nhất α = α max thì điện áp trên tải sẽ nhỏ nhất tương ứng cới tốc độ động cơ sẻ nhỏ nhất nmin, U d min =U d0 cos α max Ta có: α max =arcos U d min
Trong đó Ud min được xác định như sau:
Thay số vào ta được.
Từ đó ta suy ra. α max = arcos U d min
4.2.5.2 Xác định điện cảm cuôn kháng lọc
Khi góc mở tăng, biên độ thành phần sóng hài bậc cao sẽ tăng, gây đập mạch điện áp và dòng điện, làm hại động cơ Để hạn chế hiện tượng này, phải mắc nối tiếp với động cơ một cuộn kháng lọc đủ lớn sao cho dòng mạch không tải nhỏ hơn 10% dòng điện định mức làm việc.
Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao, cuộn kháng lọc còn có tác dụng hạn chế vùng dòng điện gián đoạn. Điện kháng lọc còn được tính khi góc mở = max
Cân bằng hai vế ta có:
U =R i +Ldi dt;v ì R i ≪Ldi dtn ê n U =Ldi dt
Trong các thành phần xoay chiều bậc cao, thì thành phần sóng bậc k = 1 có mức độ lớn nhất gần đúng ta có:
6.2 π f 0 ,1 I ưđ m ρ=6 là số xung đập mạch trong một chu kỳ điện áp.
L= 82 , 09 6.2 π 50 0 ,1.116 =3 , 75.10 −3 ( H )=3 ,75 (mH ) Điện cảm mạch phần ứng đã có.
= 3,48 (mH) Điện cảm cuộn kháng lọc.
Sơ đồ động lực
Ta có, tốc độ truyền động điện của hệ thống được điều chỉnh bằng cách biến đổi góc thông chậm α của van, tức là điều chỉnh suất điện động Eđ của bộ biến đổi Khi biến đổi α = 0 ÷ π / 2, trị số Eđ biến thiên từ Eđm đến 0 Rỏ rang là các đặc tính cơ và đặc tính tốc độ của truyền động điện là một họ các đườngt hẳng song song nhau Các đường thẳng đó cắt trục tung tại những điểm tương ứng với các tốc độ không tải lý tưởng. ω ' 0 = E đ m cosα − ∆ U v
K ∅ đ m Đặc tính cơ và đặc tính tốc độ củat ruyền động điện khi bộ biến đổi làm việc ở trạng thái dòng đeện gián đoạn không thểb iểu diễn bằng giải tích được.
Khi bộ biến đổi hoạt động ở chế độ liên tục, góc mở van α ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ không tải ω'0 Nếu α = π/2, ω'0 = 0 và động cơ ở trạng thái hãm động năng Ngược lại, khi α > π/2, ω'0 < 0 và hệ thống hoạt động ở trạng thái hãm tái sinh, biến năng cơ thành năng lượng điện xoay chiều đưa vào lưới Trong trường hợp này, dòng điện lưới chạy ngược chiều với suất điện động của động cơ, tạo thành chế độ nghịch lưu Để tránh hiện tượng "đột biến nghịch lưu", góc mở van phải được giới hạn bởi α max ≤ π−(γ+δ), trong đó δ là thời gian hồi phục của van, thường nhỏ hơn 150 μs đối với thyristor ở tần số 50 Hz.
Thường thường khi phân tích hoạt động của bộ biến đổi ở trạng thái nghịc lưu, người ta sử dụng khái niệm “góc thông trước” của van β = π − α
Tương ứng dder loại trừ hiện tượng “đột biến nghịch lưu” ta có điều kiện hạn chế sau: β min ≥ γ + δ
Trong thực tế ở các hệ thống tryền động, van ngườit a thường áp dụng ba phương pháp biến đổi chiều mômen động cơ sau:
Biến đổi chiều từ thông động cơ khi chiều dòng điện phần ứng không đổi (hình a).
Biến đổi cực tính điện áp phần ứng nhờ các công tắc chuyển mạch (hình b).Biến đổi cực tính đeện áp phần ứng nhờ bộ biến đổi van hai nhóm (hình c).
Hình 3.5 – phương pháp biến đổi chiều mômen động cơ.
Các sơ đồ điều khiển động cơ sử dụng phương pháp kích xung từ bộ biến đổi đơn giá rẻ và đơn giản nhất (sơ đồ (a)) nhưng thời gian đảo chiều lớn (0,5 – 2,5s) Mặc dù sơ đồ (b) có thời gian đảo chiều nhỏ nhưng không thể dưới 0,1s do phải đảm bảo thứ tự tác động trong hệ điều khiển Đối với hệ thống truyền động cần đảo chiều nhanh, có trạng thái động cơ hoặc hãm trong cùng một chiều quay động cơ thì sử dụng sơ đồ có hai nhóm van (bộ biến đổi kép) có khả năng dẫn điện theo cả hai chiều.
Hai mạch chỉnh lưu điều khiển gồm đấu chéo và ngược song song Về nguyên lý, hai mạch đấu chéo và đấu ngược song song hoạt động tương tự nhau Khi một bộ biến đổi hoạt động, bộ biến đổi kia sẽ nghỉ, khi đổi chế độ của bộ biến đổi thì dòng điện qua tải sẽ đổi chiều Trong thực tế, sơ đồ đấu ngược song song thường được áp dụng với các phương pháp điều khiển khác nhau Ở sơ đồ đấu ngược song song, cả hai nhóm van đều được cung cấp điện từ một nhóm cuộn thứ cấp của máy biến áp.
Khi hệ thống truyền động điện làm việc ở chế độ động cơ, một nhóm van (1V) làm việc ở trạng thái chỉnh lưu còn nhóm kia (2V) bị khóa hoặc chuẩn bị làm việc ở trạng thái chỉnh lưu Trong trường hợp thứ hai, để loại trừ hiện tượng truyền năng lượng do 1V biến đổi vào lưới qua 2V ta phải bảo đảm Eđ2> Eđ1 Nếu 2V làm việc ở chế độ chỉnh lưu, thì 1V phải được khóa hoặc chuẩn bị làm việc ở chế độ nghịch lưu.Khi đó tương ứng với trường hợp trên, ta có E đ 1 ≥ E đ 2 Như vậy nói chung E dn1 ≥ E đ c 2 ,trong đó Eđn1, Eđc2 – là suất điện động của nhóm van bộ biến đổi làm việc ở trạng thái nghịch lưu và chỉnh lưu.
Trong chế độ phanh tái sinh, hệ thống sử dụng hai nhóm van: nhóm làm việc ngược chiều và nhóm khóa hoặc chuẩn bị chỉnh lưu Quan hệ giữa điện thế lưới và điện thế DC của nhóm chỉnh lưu phải đảm bảo E dn1 ≥ E đ c 2.
Trạng thái làm việc của bộ biến đổi van đảo chiều phụ thuộc vào phương thức điều khiển của cả hai nhóm van Khi điều khiển chung, tín hiệu điều khiển được đưa vào cả hai nhóm van sao cho đảm bảo được E dn1 ≥ E đ c2 Trường hợp này cần hạn chế dòng điện cân bằng chạy giữa hai nhóm van dưới tác dụng của các trị số tức thời của suất điện động các nhóm van Do đó trong mạch của bộ biến đổi người ta nối các cuộn kháng cân bằng CB1 – CB4 như hình vẽ.
Hình 3.6 – sơ đồ nối song song ngược của hệ thống CL-Đ có đảo chiều. Để loại trừ dòng điện cân bằng người ta sử dụng phương pháp điều khiển riêng các nhóm van đang làm việc Khi đó các tín hiệu điều khiển (xung) chỉ được đưa vào các nhóm van đang làm việc, còn các nhóm van không làm việc tại thời điểm đang xét không có xung điều khiển nên nó bị cắt Để thay đổi trạng thái làm việc của bộ biến đổi người ta dùng một thiết bị biến đổi đặc biệt để ban đầu làm mất xung điều khiển trên nhóm van đang làm việc, rồi sau đó khoảng một thời gian ngắn (5 – 10 μs ¿ đưa xung điều khiển lên nhóm van thứ hai Với thứ tự như vậy trạng thái dòng điện gián đoạn của bộ biến đổi sẻ tương ứng với quá trình chuyển đổi hệ thống truyền động điện từ trạng thái động cơ sang trạng thái hãm và ngược lại.
Các đực tính tốc độ và đặc tính cơ của truyền động van đảo chiều không phụ thuộc vào cách phối hợp góc điều khiển của nhóm van này với các nhóm van khác Do đó, phương thức điều khiển riêng ưu việt hơn phương thức điều khiển chung về khả năng linh hoạt trong vận hành.
+) Không cần nối cuộn kháng cân bằng.
+) Tận dụng được khả năng máy biến áp (Ed.d.c max = Eđm) giảm bớt xác suất đột biến nghịc lưu vì thời gian biến đổi làm việc ở trạng thái nghịch lưu ít hơn.
+) Giảm được tổn thất năng lượng và nâng cao hiệu suất truyền động điện do không có dòng điện cân bằng, tuy nhiên khi điều chỉnh riêng, yêu cầu về độ tin cậy của thiết bị chuyển đổi (để chuyển xung điều khiển từ nhóm van này sang nhóm van khác) cao hơn; có một khoảng hở khi chuyển đổi bộ biến đổi từ trạng thái chỉnh lưu sang trạng thái nghịch lưu, nên thời hạn của quá trình quá độ tăng lên Cũng cần chú ý rằng, phương thức điều khiển riêng không thể sử dụng cho các hệ truyền động có khả năng làm việc ở trạng thái không tải lý tưởng hoặc trong vùng gần đó vì trạng thái dòng điện gián đoạn của bộ biến đổi tương ứng với các phụ tải nhỏ của động cơ. Để hạn chế dòng điện ngắn mạch, thường người ta chọn máy biến áp có điện áp ngắn mạch lớn Unm = 8 – 10%, do đó xBA cũng có trị số lớn Kết quả là thành phần điện trở của bộ biến đổi do hiện tượng giảm áp trong quá trình chuyển mạch các van khá lớn [Rcm = (-XBA.m)/2 π ] Đó là nguyên nhân chính làm mềm đặc tính cơ của truyền động điện Nếu bộ biến đổi được nối vào lưới xoay chiều thông qua máy biến áp thì người ta phải nối cuộn khán hạn chế dòng điện vào mạch xoay chiều nối tiếp với bộ biến đổi Cảm kháng XBA và RBA của máy biến áp nên hiện tượng trên vẫn tồn tại. Để mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ truyền động này, có thể sử dụng các hồi tiếp giống như hệ F – Đ, hồi tiếp dương theo dòng điện phần ứng, hồi tiếp âm theo tốc độ và theo điện áp Để hạn chế dòng điện trong bộ biến đổi và trong phần ứng động cơ, sử dụng hồi tiếp âm dòng điện có ngắt, khi đó truyền động điện có đặc tính máy xúc Vì bộ biến đổi van có hệ số khuyêchs đại rất lớn, nên trong nhiều trường hợp có thể thực hiện các hồi tiếp kể trên thông qua khuyêchs đại trung gian.
Ta có sơ đồ mạch như sau.
Trong sơ đồ gồm có:
Máy biến áp BA: làm nhiệm vụ cung cấp nguồn cho mạch.
CK – là cuộn kháng dùng để lọc nguồn một chiều gọi là cuộn kháng san bằng.
BD – là các máy biến dòng được sử dụng để lấy tín hiệu âm dòng điện, đưa trở lại khống chế đầu vào mạch điều khiển.
Các bộ R – C: được mắc song song với các Thyristor trong các quá trình chuyển mạch và biến thiên du/dt; di/dt.
Đ – là động cơ điện một chiều kích từ độc lập, dùng để truyền động cho hệ thống.
Hình 3.7 – sơ đồ mạch động lực của hệ truyền động.
Tình chọn thiết bị bảo vệ
4.4.1.Bảo vệ qua nhiệt cho các van bán dẫn
Khi van bán dẫm làm việc có dòng điện chạy qua, trên van có sụt áp ∆ U , do đó có tổn hao công suất ∆ p Tổn hao này sinh nhiệt, đốt nóng van bán dẫn mặt khác, van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép (Tcp), nếu quá nhiệt độ cho phép các van bán dẫn sẻ bị phá hỏng Để van làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, phải chọn và thiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lý.
Tính toán cánh tản nhiệt.
+ Tổn thất công suất trên 1 Thyristor: ∆ p=∆ U I lv =3.66,97 0,91(W)
+ Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: S TN = ∆ p / K m τ
∆ p – tổn thất công suất W. τ – độ chênh nhiệt độ so với môi trường.
Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 40 0 C.
Nhiệt độ làm việc cho phép của Thyristor Tcp = 125 0 C.
Chọn nhiệt độ trên cánh tỏa nhiệt Tlv = 80 0 C.
Ktn – hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ Chọn Ktn = 8 W/m 2 0 C.
Chọn loại cánh tỏa nhiệt có 8 cánh, kích thước mỗi cánh là: a.b = 10.10 (cm.cm). Tổng diện tích tỏa nhiệt của cánh: STN = 8.2.10.10 = 1600 (cm 2 ).
Trong trường hợp dòng điện làm việc quá lớn, để đảm bảo điều kiện tỏa nhiệt, người ta phải tiến hành mắc song song các van bán dẫn Khi mắc van bán dẫn dòng điện chạy qua các van có thể được phân bố không đều bởi vì các đặc tính vôn – ampe của các vna không hoàn toàn giống nhau Đồng thời trong các van có điều khiển còn chịu ảnh hưởng rất lớn của việc mở không đồng thời của các van Để giảm sự phân bố không đồng đều trên, người ta có thể mắc nối tiếp với các van các điện trở Tuy nhiên, phương pháp này lại chỉ có ý nghĩa khi điện áp rơi trên điện trở là không đáng kể
4.4.2 Bảo vệ quá dòng 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 độ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu.
Dòng điện làm việc chạy qua aptomat:
Dòng điện aptomát cần chọn.
Có 3 tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện.
Chỉnh định dòng ngắn mạch: Inm = 2,5Ilv = 2,5 66,97 = 167,42 (A).
Dòng quá tải: Iqt = 1,5Ilv = 1,5 66,97 = 100,45 (A)
Từ thông số trên chọn aptomat loại 225AF, kiểu ABE203a do LG chế tạo, có thông số Iđm = 50 (A), và Uđm = 600 (V).
Chọn cầu dao có dòng định mức: Iđm = 1,1.Ilv = 1,1 66,97 = 73,66 (A).
Từ thông số trên chọn cầu dao 5TE1-340 do SIEMENS chế tạo, có Iđm = 80 (A), và Uđm = 690 (V)
Cầu dao đóng vai trò tạo khoảng cách an toàn cho quá trình sửa chữa hệ thống truyền động Ngoài ra, thiết bị này còn giúp đóng mở nguồn chỉnh lưu trong trường hợp khoảng cách giữa nguồn cấp và bộ chỉnh lưu xa đáng kể.
*) Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Thyristo, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu.
Nhóm 1cc: dòng điện định mức dây chảy nhóm 1cc.
I 1 cc = 1 ,1 I 2 = 1 ,1 94 , 71 = 104 , 18 ( A ) Nhóm 2cc: dòng điện định mức dây chảy nhóm 2cc.
I 2 cc = 1 , 1 I hd = 1 , 1 66 , 97 = 73 , 66 ( A ) Nhóm 3cc: dòng điện định mức dây chảy nhóm 3cc.
Vậy chọn cầu nhẩy nhóm: 1cc loại 110 (A)
4.4.3 Bảo vệ quá điện áp cho van
Linh kiện bán dẫn rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp Những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới van bán dẫn là:
+) Điện áp đặt vào van lớn quá thông số của van.
+) Xung điện áp do chuyển mạch van.
+) Xung điện áp từ phía lưới xoay chiều do cắt tải có điện cảm lớn trên đường dây.
+) Xung điện áp do cắt đột ngột biến áp non tải.
Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt các van 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 nên xung điện áp trên bề mặt tiếp giáp P – N,đồng thời 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 quá độ trong quá trình chuyển mạch nên Thyristor không bị quá điện áp.
Hình 3.8 – mạch R – C bảo vệ xung điện áp khi chuyển mạch van.
Các thông số của R, C chọn theo kinh nghiệm R = (5 ÷ 30) ; C = (0,25 ÷ 4) F. (Điện tử công suất – Nguyễn Bính). Để bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, ta phải mắc song song với tải ở đầu vào một mạch R – C, nhằm lọc xung Khi xuất hiện xung điện áp trên đường dây, nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây Trị số R, C phụ thuộc nhiều vào tải, R = (5 ÷ 20 ¿𝛺; C = 4 μF (Điện tử công suất – Nguyễn Bính).
Hình 3.9 – mạch R – C bảo vệ xung điện áp từ lưới.
Hình 3.10 – sơ đồ mạch động lực hệ thống CL – Đ có thiết bị bảo vệ.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỞ VAN
Khâu đồng bộ hóa và phát xung răng cưa
Mạch phát xung răng cưa đảm nhận chức năng tạo ra điện áp tựa có dạng hình răng cưa biến đổi một cách chu kỳ trùng với chu kỳ của các xung ở đầu ra của mạch phát xung Điện áp răng cưa để điều khiển mạch phát xung sao cho mạch phát ra một hệ thống các xung điều khiển xuất hiện lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu.
Mạch đồng bộ hóa (ĐBH) sẽ đảm bảo điều kiện chức năng tạo ra điện áp điều khiển nói trên.
Mạch đồng bộ hóa sử dụng máy biến áp đồng bộ (BAĐB) để tạo ra điện áp đồng bộ pha với pha nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu Sơ đồ nguyên lý của mạch đồng bộ hóa.
Hình 4.2 - Mạch đồng bộ hoá và giản đồ điện áp.
Sử dụng biến áp đồng bộ (Y/Y) giúp điện áp đồng bộ (Uđb) bên thứ cấp trùng pha với điện áp nguồn xoay chiều Tuy nhiên, để đảm bảo tính biệt lập về điện giữa mạch nguồn và mạch tải, điện áp Uđb được dịch chậm pha 30 độ bằng mạch dịch pha gồm điện trở R và tụ điện C.
Mục đích của việc dịch pha tín hiệu đồng bộ chậm đi một góc /6 (30 0 điện) là nhằm thống nhất trị số điều khiển của Thyristor ứng với điện áp nguồn trên mạch động lực và góc điều khiển ở mạch phát xung và như vậy có thể điều khiển các Thyristor với trị số góc điều khiển nhỏ Ta biết rằng góc mở tự nhiên của các Thyristor được tính lại vị trí giao nhau của hai điện áp pha kề nhau và góc điều khiển được tính từ thời điểm đó trở đi Giao điểm nói trên (điểm ứng với góc mở tự nhiên ở vị trí chậm sau điểm bắt đầu của các nửa chu kỳ điện áp pha 30 0 điện) Mặt khác góc điều khiển ở mạch phát xung được tính từ điểm bắt đầu của điện áp tựa răng cưa (cũng là điểm bắt đầu của các nửa chu kỳ điện áp đồng bộ hóa) đến vị trí mà U r + U đk = 0 Do đó việc dịch điện áp đồng bộ (Uđb) chậm đi góc 30 0 điện sẽ làm thỏa mãn khi góc điều khiển
= 0 cũng tương ứng với góc mở tự nhiên của các Thyristor.
5.1.2 Mạch phát xung răng răng cưa
5.1.2.1 Mạch tạo xung chữ nhật.
Mạch phát xung có sử dụng các Tranzitor Tr1 Tr 4 mắc với nhau thành một mạch liên hợp, kết hợp với các phần tử logic (hoặc - đảo) hay NOR để biến điện áp đồng bộ dạng sóng hình sin thành các xung hình chữ nhật Sơ đồ nguyên lý của mạch tạo xung hình chữ nhật như hình 4.3.
Mạch tạo xung chữ nhật bao gồm các Trazitor Tr1 Tr 4 , phần tử logic "hoặc - đảo" và các điện trở R2 R5 Tín hiệu điện áp đồng bộ hóa(đã dịch pha) Uđbd được nối và cực gốc và cực phát của 2 Tranzitor Tr3 và Tr4 tạo thành mạch liên hợp.
Hình 4.3 – mạch tạo xung chữ nhật.
*) Nguyên lý hoạt động. Để phân tích nguyên lý hoạt động của mạch ta có khái niệm điện áp ngưỡng, đó là trị số điện áp dáng trên nội trở của các linh kiện bán dẫn (kí hiệu Ung) Đối với các Tranzitor thì Ung = 0,4 0,7 (V) Khi điện áp điều khiển (U BE ) có trị sốU BE < U ng thì Tranzitor khóa, còn khiU BE > U ng thì Tranzitor mở nhanh chóng đến mức bão hòa. Căn cứ vào các khái niệm trên, nguyên lý làm việc của mạch tạo xung chữ nhật được phân tích như sau:
Xét trong một chu kỳ của điện áp đồng bộ (Uđbd).
- Trong nửa chu kỳ dương (0 ).
Khi U đbd < U ng thì Tr1 khóa, Tr3 cũng khoá do chịu điện áp điện áp ngược đặt vào mạch phát - gốc Dưới tác dụng của Ucc qua điện trở định thiên R3 và Tr2 mở, dẫn dòng qua R 4 làm Tr4 mở Do Tr2 và Tr4 mở bão hoà làm thế tại điểm A và điểm B 0.Hay nói tại A, B có mức lôgic “0”.
Khi Uđbd> Ung thì Tr1 mở (Tr3 vẫn khóa do chịu điện áp ngược) Tr1 mở dẫn dòng qua Tr4 về (-)Ucc làm Tr2 khoá (thế B - E của Tr2 0) nên điểm A có mức lôgíc “1”, Tr4 mở nên điểm B có mức lôgíc “0”. Ở cuối nửa chu kỳ khi uđbd giảm đếnU đbd < U ng , Tr1 khoá nên điểm A lại có mức lôgíc “0” thì hiện tượng xảy ra tương tự ở đầu nửa chu kỳ nàyU đbd < U ng
Kết luận: Điểm A luôn có mức logic “1” khiUđbd> Ung Điểm A luôn có mức logic “0” khiU đbd < U ng Điểm B luôn có mức logic ‘0”.
- Trong nửa chu kỳ âm (0 ). Ở nửa chu kỳ âm này Tr1 chịu điện áp ngược đặt vào mạch phát - gốc nên Tr1 khóa dẫn đến Tr2 mở nhờ điện trở định thiên R3 nên điểm A luôn có mức lôgíc “0”. Đối với Tr3 cũng xét tương tự như trường hợp trên Đầu và cuối của nửa chu kỳ âm này (Uđbd< Ung) thì Tr3 khóa Tr2 mở bão hòa nên điểm B có mức logic “0”.
Khi U đbd > U ng thì Tr3 mở, Tr2 khóa làm cho điểm B có mức logic “1”.
Kết luận: Điểm A luôn có mức logic “0”. Điểm B có mức logic “0” khi U đbd > U ng Điểm B có mức logic “1” khi Uđbd< Ung.
Kết luận: Trong một chu kỳ quá trình tạo các xung chữ nhật (ứng với 2 mức lôgic
“0” và “1”) lặp đi lặp lại theo chu kỳ của điện áp đồng bộ hoá Các tín hiệu lấy từ điểm
A và B được đưa tới 2 đầu vào của phần tử lôgic NOR (phần tử hoặc – không) Đầu ra của NOR (điểm C) nhận các mức lôgíc theo phương trình trạng thái của phần tử Căn cứ vào kết quả khảo sát trên xác định được mức lôgic tại đầu ra C của phần tử
Thời gian tồn tại mức lôgic “1” ở đầu ra rất ngắn (ở thời điểm đầu và cuối của các nửa chu kỳ điện áp đồng bộ khiU đb < U ng ).
5.1.2.2 mạch tạo điện áp răng cưa.
Mạch tạo điện áp răng cưa gồm một bộ khuyếch đại thuật toán (KĐTT) OC1, tụ điện C1 mắc thành mạch tích phân có khoá khống chế là một Transistor.
Hình 4.4 – mạch tạo điện áp răng cưa.
Tín hiệu vào của mạch là tín hiệu ra của mạch tạo xung chữ nhật (đầu ra C của phần tử NOR) Đây là tín hiệu lôgic có 2 mức là “0” và “1”, được đưa tới cực gốc khoá khống chế Tr5 Nó đảm bảo chức năng khống chế sự hoạt động của mạch tích phân theo đúng yêu cầu đầu ra Tín hiệu đầu vào của mạch tích phân là điện áp một chiều có trị số âm không đổi.
- Khi điểm C có mức lôgíc “0”, Tr5 khoá, bộ khuếch đại thuật toán OC1 cùng với tụ C1 và các phần tử chức năng làm việc như mạch tích phân với nguồn điện áp đầu vào là -Ucc = -Uo Tụ C1 được nạp bởi dòng đầu ra của khuếch đại thuật toán OC1. Nếu OC1 là lý tưởng thì có thể coi điện trở đầu vào là vô cùng Khi đó dòng nạp của tụ điện C1 có giá trị không đổi ic = - i1 = Uv / R.
Biểu thức điện áp nạp cho tụ:
Vì ic = const nên điện áp trên tụ là:
Với giả thiết bộ KĐTT là lý tưởng, hệ số khuếch đại là vô vùng lớn, vậy nếuKĐTT đang ở chế độ khuếch đại tuyến tính thì điện thế giữa 2 đầu vào được coi là “0”, do đó điện áp ra của KĐTT của mạch bằng điện áp trên tụ Nghĩa là điện áp đầu ra của sơ đồ là điện áp răng cưa tuyến tính đúng bằng điện áp trên tụ C1.
- Khi điểm C có mức lôgic “1” thì Tr5 mở, tụ C1 phóng điện rất nhanh qua Tr5.
Tụ C1 và Tr5 được chọn sao cho C1 có thể phóng hết điện tích trong thời gian Tr5 mở. Khi điện áp trên tụ C1 về không sẽ giữ nguyên giá trị bằng không và chuẩn bị cho việc tạo xung tiếp theo.
XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH TĨNH HỆ TRUYỀN ĐỘNG
Khái quát chung
Khảo sát chế độ tĩnh của hệ thống được tiến hành nhằm mục đích để kiểm tra độ cứng đặc tính cơ của hệ thống Xem có đảm bảo sụt tốc độ tương đối hay không, qua đó mô tả được quá trình diễn biến của hệ thống và các chế độ làm việc của nó, từ đó có thể đánh giá được chất lượng tĩnh của hệ thống truyền động.
Xây dựng đặc tĩnh của hệ thống là xây dựng đặc tính [n = f(M)] hoặc [n = f (I)]. Thông thường thì xây dựng đặc tĩnh cơ điện [n = f(I)], vì dòng điện qua động cơ sẽ phản ánh trực tiếp chế độ tải.
Khi xây dựng đặc tính tĩnh, đối với hệ thống truyền động điện có các phần tử làm việc ở vùng phi tuyến và vùng tuyến tính nên ta cần có các giả thiết.
- Động cơ làm việc dài hạn với mạch từ chưa bão hoà.
- Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi bằng hằng số (const).
- Thyristor là phần tử làm việc không có quán tính.
- Điện trở mạch phần ứng không thay đổi trong suốt quá trình làm việc.
Xây dựng đặc tính tĩnh
Căn cứ vào hệ thống thiết kế ta có sơ đồ cấu trúc như sau.
Trong đó: Uđ: Tín hiệu điện áp đặt tốc độ (điện áp chủ đạo)
Ky: Hệ khuếch đại của mạch khuếch đại trung gian Ky = 1,97.
K: Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi K = 22,8.
K: Hệ số khuếch đại của động cơ một chiều K = 3,5.
KI: Hệ số khuếch đại của mạch phản hồi dòng điện.
Ing: Tín hiệu dòng điện ngắt.
Phương trình đặc tính cơ của hệ thống:
Ud = [(Uđ - .n).Ky - KI.(Iư - Ing )] K Mặt khác lại có: n= U d − I ư R Σ
Trong đó: Ce. = Ke mà K δ =1/ K e cuối cùng được n = (Ud - Iư.R).k, ta suy ra.
Cân bằng hai biểu thức (1) và (2) ta được: n
Suy ra: n = {[(uđ - .n).K y - KI.(Iư- Ing)].K- Iư.R}.K ¿> n= U đ K y K π K δ + I ng K I K π K δ − I ư ( K I K π + R Σ ) K δ
1 + γ K y K π K δ Đặt K = Ky.K.K là hệ số yêu cầu của hệ thống ¿>n=U đ K+I ng K I K π K δ −I ư ( K I K π + R Σ ) K δ
Khi khâu hạn chế dòng chưa tác động thì KI = 0 ta đặt KI = KI 1(I)
Ing: Dòng điện hổ trợ trong mạch hạn chế dòng có ngắt Trị số của Ing đúng bằng trị số của dòng mà tại đó khâu hạn chế bắt đầu tham gia vào mạch.
6.2.1 Xây dựng đường đặc tính cao nhất
Tốc độ lớn nhất của động cơ thường được giới hạn bởi độ bền cơ học của phần tử quay của động cơ Ở tốc độ cao thì bộ phận này chịu tác động của lực điện khá lớn nên có thể bị hỏng
Hơn nữa lúc này tia lửa điện giữa chổi than và vành góp sẽ có thể làm hỏng vành góp Để đảm bảo an toàn cho hệ thống khi làm việc lâu dài thì đường đặc tính cao nhất phải là đường ứng với tốc độ định mức của động cơ nđm = 650 (v/ph)
Căn cứ vào nguyên lý của hệ thống thì mỗi đường đặc tính sẽ có 3 đoạn ứng với
3 trạng thái làm việc của hệ thống.
- Đoạn 1: Đoạn làm việc ổn định, chỉ có khâu phản hồi âm tốc độ tác động.
- Đoạn 2: Có đồng thời cả hai mạch vòng phản hồi âm tốc độ và âm dòng điện tác động.
- Đoạn 3: Lúc này tốc độ giảm đủ nhỏ làm cho mạch vòng phản hồi âm tốc độ bị bão hoà nên chỉ còn khâu ngắt dòng tác động.
Vì các đoạn đặc tính đều tuyến tính, ta có thể xác định đoạn đặc tính cơ bằng cách tìm hai điểm trên mỗi đoạn Xây dựng đoạn đặc tính thứ nhất bằng cách xác định hai điểm trên đoạn thẳng đó.
Trong đoạn này chỉ có mạch vòng phản hồi âm tốc độ tác động nên I < 0 do đó 1(I).K I = 0.
+ Đường đặc tính cao nhất đi qua điểm định mức (Iđm, nđm) nên ta tính được.
157 , 2 , 81(V ) + Tốc độ không tải lý tưởng (điểm ứng với giá trị Iư = 0). n 01 = U đ K
+ Tốc độ ứng với điểm cuối cùng của đoạn đặc tính (n1).
Ta biết rằng đối với động cơ điện một chiều thì khi Iư tăng (Iư 1,2.Idm) thì phải tiến hành hạn chế sự tăng của dòng điện Vậy đặt Ing = 1,2 Iđm = 1,2 116 = 139,2 (A). Thay Iư = Ing vào biểu thức (I) ta xác định tốc độ n1. n=U đ K−I ng R Σ K δ
1+0,016 157,2 d7(v/ph) Vậy đoạn đặc tính thứ nhất đi qua các điểm: A = (0; 662) và đm = (116 ;650) và điểm B = (139; 647). b Xây dựng đoạn đặc tính thứ hai.
Trong đoạn này Iư> Ing nên I 0 do đó 1(I).K I = KI có hai vòng phản hồi cùng tác động
Phương trình đặc tính: n = U đ K + I ng K I K π K δ − I ư ( K I K π + R Σ ) K δ
1 + γ K ( II ) Đoạn đặc tính thứ hai này đi qua 2 điểm đầu và cuối là B và C trong đó tọa độ điểm B = (139; 647) đã xác định ở trên Ta phải xác định điểm C Tại C (Ic,nc) tốc độ n đủ nhỏ làm cho mạch vòng phản hồi âm tốc độ đạt mức bão hoà.
Do sử dụng vi mạch khuếch đại thuật toán A74 có U= 14(V) nên điện áp răng cưa có biên độ cực đại là 14V Khi sử dụng điện áp tựa này, ta đã tiến hành dịch nó đi theo chiều âm của điện áp so sánh cho trị số = 0 khi = /2, vị trí này đạt được tại thời điểm Urc = Urcmax/2 = 7(V) Vậy ta điều chỉnh chiết áp sao cho Ubh = Urcmax/2 = 7(V) (vì phép so sánh chỉ thực hiện với Uđkmax = Urcmax/2).
+Tốc độ bão hoà nbh có:
Để xác định dòng điện tại vị trí bão hòa (Ibh), hệ số phản hồi dòng điện được tính toán theo công thức: Uđ - .n bh ).Ky = Ubh Hệ thống truyền động thường sử dụng Ing = (1,2 1,5)I đm và sẽ dừng hoạt động khi Iư (2,2 2,5)I đm (dòng dừng Idg).
Khi tính KI ta xét sự tác động độc lập của mạch vòng hạn chế dòng điện.
Vậy ta có: n = [Ubh - KI (Iư - Ing )].KK - Iư R K
Tại điểm dừng: n = 0, Iư = Idg ta được: n = 0 = [Ubh - KI (Idg - Ing )] K.K - Idg R K ¿> K I = U bh K π − I dg R Σ
= 7.22 , 8−290.0,1085 (290 − 139 , 2).22 , 8 = 0,037 Tại điểm C: Iư = Ibh ta được: nbh = [Ubh - KI (Ibh - Ing )] K.K - Ibh R K ¿> I bh = (U ¿¿ bh+ I ng K I ) K π K δ − n bh
Vậy đoạn đặc tính thứ hai đi qua 2 điểm: B = (139; 647) và C = (199; 638) c Xây dựng đoạn đặc tính thứ ba.
Lúc này tốc độ của động cơ đã đặt đến mức đủ nhỏ, làm cho mạch phản hồi âm tốc độ bão hoà Vậy chỉ còn mạch vòng hạn chế dòng điện tác động
Phương trình đặc tính: n = [Ubh - KI (Iư - Ing )].K.K - Iư.R.K (III) Đoạn đặc tính này đi qua hai điểm là điểm C = (199; 638) và điểm dừng của động cơ D (Id, 0).
Tính lại trị số dòng dừng Idg tại điểm dừng:
0 = n = [Ubh - KI (Iư - Ing )].K.K - Iư.R.K ¿>I dg =(U¿¿bh+I ng K I ) K π
6.2.2 Xây dựng đường đặc tính thấp nhất Đường đặc tính thấp nhất là đường giới hạn dưới trong phạm vi điều chỉnh D , điểm ứng với trị số dòng định mức: nmin = nđm/D = 650/20 = 32 (v/ph)
Trị số điện áp chủ đạo nhỏ nhất:
157 , 2 = 1 , 66 ( V ) Tốc độ không tải lý tưởng: n 0min = U min K
1 + 0,037 157 , 2 8( v / ph ) Điểm cuối cùng của đoạn đặc tính này B ’ = (iB ’, nB ’) Ta có trị số dòng điện ngắt (ing) là không đổi với mọi đường đặc tính vậy iB ' = ing = 139 (A) n B ' = U min K − I đm R Σ K δ
1+0,037 157 , 2 1( v / ph) Đoạn đặc tính thứ nhất này qua các điểm: A ’ = (0; 38) điểm đm ’ = (116; 32) và điểm B ’ = (139; 31). b Xây dựng đoạn đặc tính thứ hai.
Theo các phần tử ở trên phần trước ta có:
+ Tốc độ bão hoà. n bh ' = U min K− I bh R Σ K δ
1 + 0,037 157 , 2 '( v / ph) Đoạn đặc tính thứ hai của đường đặc tính thấp nhất này đi qua hai điểm đầu và cuối là B ’ = (139; 31) và C ’ = (199; 27). c Xây dựng đoạn đặc tính thứ ba.
Căn cứ vào phương trình đặc tính (III) nhận thấy rằng, các thông số của phương trình là chung cho mọi đường đặc tính Vậy nên các đường đặc tính có chung điểm dừng (idg; 0) Thay các thông số của điểm C ' (199; 27) vào phương trình (III) thấy các thông số này thoả mãn phương trình, kết luận điểm C ' thoả mãn nằm trên đoạn CD của đường đặc tính giới hạn trên đoạn đặc tính thứ 3 của các đường nằm trên cùng đường thẳng.
XÉT ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG
Xét tính ổn định của hệ thống
Xét tính ổn định của hệ thống truyền động là khảo sát một hệ thống tự động được mô tả toán học dưới dạng hàm truyền đạt:
Phương trình vi phân tương ứng của hệ thống là: a n d n y dt n +…+ a 1 dy dt + a 0 y=b m d m u dt m + …+ b 1 du dt +b 0 u
Nghiệm của phương trình vi phân là: y(t) = y0(t) + yqd(t)
Trong đó: - y0(t): là nghiệm riêng của phương trình đặc trưng cho quá trình xác lập.
- yqd(t): là nghiệm tổng quát, đặc trưng cho quá trình quá độ.
Tính ổn định của hệ thống chỉ phụ thuộc vào quá trình quá độ, còn quá trình xác lập là một quá trình ổn định.
- Một hệ thống điều khiển tự động ổn định nếu quá trình quá độ tắt dần theo thời gian: lim t →∞ y qd (t )=0
- Một hệ thống điều khiển tự động không ổn định nếu quá trình quá độ tăng dần theo thời gian: lim t →∞ y qd ( t )= ∞
- Một hệ thống điều khiển tự động ở biên giới ổn định nếu quá trình quá độ không đổi hay giao động tắt dần.
7.1.2 Tiêu chuẩn ổn định đại số a Điều kiện cần để hệ thống ổn định.
Xét một hệ thống điều khiển tự động có phương trình đặc tính tổng quát sau:
N (P) = a n p n + … + a 1 p + a 0 = 0 Vậy: điều kiện cần để một hệ thống điều khiển tự động tuyến tính ổn định là tất cả các hệ số của phương trình đặc tính không. b Tiêu chuẩn Routh.
*) Cách thành lập bảng Routh.
Với các phần tử cij là: c n−2.1 = | a a n−1 n a a n−2 n−3 | a n−1 ;c n−2.2 = | a a n−1 n a a n−4 n−5 | a n − 1 ;… … c 0.1 = | c c 2.1 1.1 c c 2.2 2.3 | c 1.3
Quy tắc: mỗi số hạng trong bảng Routh là một tỷ số, trong đó:
Tử số của định thức bậc hai có dấu âm, được tính bằng cách xác định cột thứ nhất và cột thứ hai của định thức Cột thứ nhất là cột đứng sát bên trái số hạng đang tính, thuộc hai hàng đứng nằm ngay trên hàng có chứa số hạng đó Cột thứ hai là cột đứng sát bên phải số hạng đang tính, cũng thuộc hai hàng trên.
- Mẫu số: tất cả các số hạng trên cùng một hang có cùng mẫu số là số hạng ở cột thứ nhất của hang sát trên hang có số hạng đang tính.
*) Phát biểu tiêu chuẩn Routh. Điều kiện cần và đủ để hệ thống tuyến tính ổn định là tất cả các số hạng trong cột thứ nhất của bảng Routh phải dương.
*) Các tính chất của bảng Routh.
- Có thể nhân hoặc chia tất cả các số hạng trên cùng một hang của bảng Routh với cùng một số dương.
- Số lần đổi dấu của tất cả các số hạng trong cột thứ nhất của bảng Routh bằng số nghiệm của phương trình đặc tính có phần thực dương.
- Nếu trong cột thứ nhất của bảng Routh có một hàng bằng 0 thì hệ thống cũng không ổn định Để xác định số nghiệm âm, có thể thay đổi số 0 bằng số ε > 0 rất bé có thể tiếp tục xác định các số hạng còn lại.
- Nếu tất cả các số hạng trên cùng 1 hàng của bảng Routh bằng 0 thì hệ thống ở biên giới ổn định.
- Trường hợp hệ thống không có khâu trể, có thể khai triển Fourier hàm mũ như sau e −pτ = 1 + (− pτ )
2 + … c Tiêu chuẩn ổn định Hurwitz
*) Phát biểu: Điều kiện càn và đủ để hệ thống tuyến tính ổn định là các hệ số an và các định thức Hurwitz dương.
*) Cách thành lập định thức Hurwitz: Định thức ∆ n có:
- Đường chéo chính của ∆ n bắt đầu từ a1 liên tiếp đến an.
- Các số hạng trong cùng một cột có chỉ số tăng dần từ dưới lên trên.
- Các số hạng có chỉ số lớn hơn n hay nhỏ hơn 0 ghi là 0.
7.1.3 Tiêu chuẩn ổn định tần số a Tiêu chuẩn Nyquyst theo tần số biên pha
*) Phát biểu: Điều kiện cần và đủ để một hệ thống kín phản hồi -1 ổn định là:
- Khi hệ hở ổn định hoặc ở biên giới ổn định, đặc tính tần số biên pha của hệ hở không bao điểm M(-1; j0).
- Khi hệ hở không ổn định đặc tính tần biên pha của hệ hở bao điểm M(-1; j0) m/2 vòng kín khi w biến thiên từ 0 đến ∞ , với m là số nghiệm của phương trình đặc tính của hệ hở có phần thực dương.
- Tiêu chuẩn này chỉ áp dụng cho hệ kín Trong trường hợp không có phản hồi -1 thì hệ chuyển về hệ phản hồi -1 tương đương.
- Có thể xác định số lần bao N của đặc tính tần số (w biến thiên từ 0 đến ∞ ) với điểm M như sau:
Với: C + giảo điểm dương: là giao điểm của W(jww) với trục thực, có chiều tăng theo chiều tăng của w.
C - giao điểm âm: là giao điểm của W(jww) với trục thực, có chiều giảm dần theo chiều tăng của w. b Tiêu chuẩn Nyquyst theo đặc tính tần số logarit.
*) Phát biểu: Điều kiện cần và đủ để một hệ thống kín phản hồi -1 ổn định khi hệ hở ổn định (hay ở biên giới ổn định) là số giao điểm dương bằng số giao điểm âm trong phạm vi tần số w để L(w) > 0.
- C + giảo điểm dương: là giao điểm của φ ( w ) với đường thẳng − π , có chiều giảm theo chiều tăng của w.
- C + giảo điểm dương: là giao điểm của φ (w) với đường thẳng − π , có chiều tăng theo chiều tăng của w.
Tiêu chuẩn chỉ áp dụng cho hệ kín phản hồi -1, hệ hở đã ổn định. c Tiêu chuẩn ổn định Mikhailov
*) Phát biểu: Điều kiện cần và đủ để một hệ thống tuyến tính ổn định là biểu đồ véc tơ đa thức đặc tính A(jw) xuất phát từ trục thực dương quay n góc phần tư ngược chiều lkim đồng hồ khi w tăng từ 0 đến ∞
Tiêu chuẩn này được áp dụng để xét ổn định cho hệ bất kỳ (hở hoặc kín) Đa thức đặc tính là đa thức ở tử số của hàm truyền đạt.
7.1.4 Xét tính ổn định của hệ thống
Xét tính ổn định của hệ thống có ổn định hay không dựa vào các tiêu chuẩn ổn định Từ đó ta tiến hành hiệu chỉnh hệ thống làm việc an toàn, tin cậy đạt được các yêu cầu mong muốn.Trong hệ thống truyền động điện 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 vòng này chỉ có phản hồi âm tốc độ tác dụng.
Sơ đồ cấu trúc tương đương của hệ thống :
Hàm truyền đạt của hệ thống là:
Trong đó: WBĐ = KBĐ/(1+TBĐ.P) là hàm truyền của bộ biến đổi.
TBĐ = 1/2qf là hằng số thời gian của bộ biến đổi. q là tần số xung chỉnh lưu, q = 3. f = 50Hz là tần số lưới.
Hệ số cấu trúc của động cơ.
650 = 0 , 32 Tính hệ số phản hồi. Điện áp ra của máy FT được đưa vào bộ khuyếch đại trung gian nên chỉ lấy một phần qua chiết áp Ur ≤ 12V.
Như phân tích ở trên ta có: γ = 0,016
Hằng số thời gian điện từ:
0,1085 = 0 , 03 ( s ) Hằng số thời gian cơ học:
1,85 10 −3 P 3 +0,61 P 2 +18,54.P+1,73 Trong đó: WD – là hàm truyền động cơ.
Hệ số khuếch đại hệ thống:
Ta thấy số hạng trong cột thứ nhất của Routh đều dương, do đó hệ thống đã ổn định
Hiệu chỉnh hệ thống truyền động
Ta tiến hành hiệu chỉnh theo đặc tính biên độ lôgarit Muốn vậy ta đưa về phản hồi âm một đơn vị.
Hình 6.2 – sơ đồ phản hồi âm đơn vị.
Với: T2 = TBĐ = 3,33 10 -3 (s). ω 2 = 1/T2 = 300 (rad/s) => lg ω 2 = 2,4771 (dec)
Từ các số liệu trên ta vẽ được đường đực tính L0 là đặc tính biên độ - logarit của hàm W0.
Tiến hành xây dựng Lm là đặc tính biên độ - logarit mong muốn dựa trên các chỉ tiêu chất lượng động: δ max ≤ 30 %
Từ chỉ tiêu δ max ≤ 30 % (theo giáo trình tự động điều khiển) tra được đường cong xác định tần số cắt ω 2 ta có:
Với điều kiện: T max ≤3 (s ) => ω c = 13 π Từ ω c = 13 π k’, đường thẳng có độ nghiêng -20db/dec.
Vùng trung tuần của Lm giới hạn bởi ω 2 và ω 3với: ω 3 = ω c 2 ω 2 = 5,554 =¿ lg ω 3 = 0,745
Từ điểm ω 3 vừa xác định trên Lmk’ đường nghiêng -20db/dec, đường này cắt L0 tại ω 4 và vùng hạ tần của Lm là ω÷ ω 4.
Vùng tần số cực thấp của Lm trùng với L0 Bằng cách tính toán hình học ta tính được: ω 4 = 0,22(rad/s) => lg ω 4 = -0,656
Từ ω 2k’ đường nghiêng -60db/dec, vùng tần số lớn hơn ω 2 là vùng tần số cao của
Lm Qua L0 và Lm ta xác định được Lhc = Lm + L0.
Từ đặc tính ta viết hàm điều chỉnh:
Từ đây ta đưa ra hai loại khối điều chỉnh như sau:
Là khối khuếch đại thuật toán kết hợp với tụ điện – điện trở Hàm truyến của khối hiệu chỉnh này là:
Loại này hiệu chỉnh có dạng: T1< T2.
Hình 6.3 – đặc tính biên độ - logarit.
Khối hiệu chỉnh sử dụng các điện trở kết hợp với tụ điện Ta có hàm truyền đạt là:
Loại này hiệu chỉnh cho các hàm có: T1> T2.
Hình 6.4 – khối hiệu chỉnh thứ hai.
Như vậy để tạo hàm Whc ta dùng ba khâu hiệu chỉnh, hai khâu giống nhau có dạng khâu thứ nhất thực hiện hàm truyền.
Trong sơ đồ nguyên lý tạo ra khâu hiệu chỉnh thứ nhất và thứ hai nhờ hai IC của khối tổng hợp và khuếch đại trung gian.
Sơ đồ mạch điện như hình vẽ.
Hình 6.5 – sơ đồ mạch hiệu chỉnh.
Khi mắc thêm khâu hiệu chỉnh thứ ba, hệ số khuếch đại của hệ thống giảm đi là:
Do đó khâu tổng hợp và khâu khuếch đạ trung gian phải tính toán sao cho hệ số khuếch đại của hai khâu này và khâu thứ ba phải đảm bảo:
Từ đây ta chọn được: R29 = 100(𝛺); R25 = 63,7 (𝛺).
*) Khảo sát đặc tính quá độ bằng máy tính. Ứng dụng mô hình matlab khảo sát quá độ cho mô hình cấu trúc sau đây:
*) Xét ổn định lại hệ thống.
Hàm truyền hệ thống hở mong muốn sau khi hiệu chỉnh là:
Ta có đặc tính tần số pha – logarit là: φ 1 =−arctg 2 ω ξ T 4
Từ đây ta vẽ được các đường đặc tính φ ω , cộng các đặc tính lại ta được đường đặc tính φ hω của hệ thống.
Trong phạm vi Lω > 0, góc pha φω chuyển từ giá trị dương sang giá trị âm một lần và ngược lại, tức là số điểm chuyển đổi C+ bằng C- Điều này cho thấy hệ kín ổn định do sự cân bằng giữa các điểm chuyển đổi dương và âm của góc pha.
Hình 6.7 – Đặc tính pha – logarit.
XÂY DỰNG VÀ THUYẾT MINH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ TRUYỀN ĐỘNG
Giới thiệu và xây dựng sơ đồ
Hệ thống tuyền động điện diều khiển động cơ truyền động chính cầu trục thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Khởi động theo cả hai chiều.
- Tự động ổn định tốc độ và hạn chế dòng điện phụ tải.
- Phạm vi điều chỉnh tốc độ tốt: D = 10.
Như đã xây dựng và phân tích ở trên (phần III và phần IV) ta có sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển Tiến hành ghép nối chugs lại ta được sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động.
8.1.1 Mạch động lực Đ - Động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
BA2 - Máy biến áp cấp nguồn cho bộ chính lưu.
AP - Áp tô mát đóng cắt nguồn điện mạch động lực.
Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển cung cấp nguồn một chiều cho động cơ, dùng 2 bộ biến đổi song song và ngược nhau.
Cuộn dây cân bằng dòng điện CB1 CB4 để giảm dòng cân bằng giữa 2 pha biến đổi.
Các mạch R - C để báo vệ quá điện áp, quá dòng cho các van.
Máy phát tốc FT để tạo ra khâu phản hồi âm tốc độ.
Hai hệ phát xung điều khiển cho các Thyristor: 1 bộ phát xung thuận và 1 bộ phát xung ngược Các bộ này đều sử dụng Transistor, BAX, KĐTT để bảo vệ và báo tín hiệu xung.
MBA đồng bộ để tạo ra tín hiệu đồng bộ cho các kênh phát xung.
Tín hiệu điều khiển được tổng hợp từ điện áp chủ đạo, tín hiệu phản hồi âm tốc độ, tín hiệu phản hồi âm dòng điện.
Bộ nguồn nuôi tạo ra điện áp nuôi cho các IC.
*) Mạch điều khiển của một pha.
Hình 7.1 – Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển một pha.
Thuyết minh nguyên lý sơ đồ
Đóng áptômát AP để cấp nguồn cho hệ thống truyền động điện (mạch kích từ MBA động lực và nguồn nuôi mạch điều khiển).Khi mạch điều khiển phát lệnh mở các van T1 ÷ T12với góc mở α1< 90 0 , α2> 90 0 sao choα1 + α2 = 180 0 (Với α1 là góc mở của T1 ÷ T6, α2 là góc mở của T7 ÷ T12).
Để điều khiển tốc độ động cơ phù hợp với chu trình cắt gọt, mạch điều khiển sử dụng các xung điều khiển từ khối tạo xung đến mạch sửa xung, từ đó mở các van Thyristor thông qua BAX Tín hiệu điều khiển được tạo ra nhờ mạch điều khiển khuyếch đại trung gian và so sánh với điện áp răng cưa Khi thay đổi độ lớn của Uđk sẽ thay đổi thời gian xuất hiện xung, điều chỉnh các góc mở α1, α2 của bộ chỉnh lưu để điều chỉnh tốc độ động cơ Khi cần chạy chậm để vào dao an toàn, góc mở α1 sẽ lớn, tương ứng với Uđk nhỏ Ngược lại, khi cần tăng tốc, góc mở α1 sẽ giảm.
8.2.1 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ
Với giả thiết động cơ đang làm việc ở vùng khâu ngắt dòng không tác động, nếu ta thay đổi điện áp trên biến trở R18 ở đầu vào OC5 làm cho điện áp Ucđ thay đổi dẫn đến Uđk = Ucđ – γ.n thay đổi Khi Uđk thay đổi góc mở α thay đổi (vì UđkT, UđkN thay đổi) dẫn đến điện áp chỉnh lưu thay đổi, có nghĩa là điện áp đặt vào phần ứng động cơ thay đổi ⇒ Tốc độ động cơ thay đổi.
8.2.2 Nguyên lý ổn định tốc độ
Sở dĩ tốc độ động cơ được ổn định ở một tốc độ đặt nào đó vì tín hiệu đầu vào
OC5 được lấy bằng tín hiệu (Ucđ – γ.n ) Giả thiết động cơ đang làm việc ở một chế độ đặt nào đó với một điện áp Ucđ nhất định nào đó Nếu vì một lý do nào đó tốc độ động cơ giảm xuống dẫn đến (Ucđ – γ.n ) tăng lên → Uđk tăng, góc mở α giảm dần xuống một giá trị nào đó → các Thyristor mở sớm hơn → Điện áp chỉnh lưu tăng lên → động cơ tăng tốc độ Khi (Ucđ – γ.n) giảm → Uđk giảm, góc mở α tăng → ω tăng lên → các Thyristor mở muộn hơn do đó Ud = Udo.cosφ giảm xuống → tốc độ động cơ giảm xuống
Vậy trong cả hai trường hợp tải tăng hay giảm nhờ khâu phản hồi âm tốc độ nên động cơ vẫn giữ được tốc độ ổn định.
BĐĐB : Biến áp đồng bộ ĐBH : Đồng bộ hóa
KĐTT : Khếch đại thuật toán
