Đặc tính phụ tải Khảo sát cơ cấu nâng hạ người ta nhận thấy rằng momen cản của cơ cấu luôn khôngđổi cả về độ lớn và chiều bất kể chiều quay của động cơ thay đổi thế nào.. Từ đặc tính của
Tính toán phụ tải chính
Phụ tải tĩnh của cơ cấu nâng hạ chủ yếu phụ thuộc vào tải trọng Để xác định phụ tải tĩnh, cần dựa vào sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ.
Hình 2.1 Sơ đồ động học của cơ cấu nâng – hạ.
2.1.1 Phụ tải tĩnh khi nâng tải
+ Momen trục động cơ khi có tải:
G - là trọng lượng của tải trọng.
G0 - là trọng lượng của bộ lấy tải
Rt - là bán kính tang nâng u - là bội số của hệ thống ròng rọc η c - là hiệu suất của cơ cấu i - là tỉ số truyền n t v u n i R
Trong đó: vn - là tốc độ nâng tải n - là tốc độ quay của động cơ
Trong các công thức tính toán, hiệu suất η c đạt giá trị định mức khi tải trọng ở mức định mức Đối với các tải trọng khác, η c được xác định dựa trên hệ số mang tải tương ứng.
Công suất động cơ cần thiết để nâng vật:
Công suất động cơ phát ra khi nâng không tải:
2.1.2 Phụ tải tĩnh khi hạ tải.
Có hai chế độ hạ tải:
Hạ động lực thực hiện khi tải trọng nhỏ dẫn đến momen do tải trọng gây ra không đủ để vượt qua ma sát trong cơ cấu Do đó, máy điện hoạt động chủ yếu ở chế độ động cơ.
Hạ hãm được thực hiện khi tải trọng lớn, tạo ra momen lớn do tải trọng Để duy trì tốc độ ổn định trong quá trình hạ, máy điện cần hoạt động ở chế độ hãm, đảm bảo tải trọng hạ mà không có gia tốc.
Gọi momen trên trục động cơ do tải trọng gây ra không có tổn thất là Mt thì:
Khi hạ tải trọng, năng lượng được truyền từ phía tải trọng sang cơ cấu truyền động nên:
Mh : momen trên trục động cơ khi hạ tải.
∆M : tổn thất momen trong cơ cấu truyền động. ηh : hiệu suất cơ cấu khi hạ tải.
Mt < ∆M : hạ động lực Coi tổn thất trong cơ cấu nâng hạ khi nâng tải và hạ tải là như nhau thì:
So sánh [2 – 5] và [2 – 7] ta có: η h = 2 - η c
Khi tải trọng tương đối lớn (ηc > 0,5), động cơ hoạt động ở chế độ hạ hãm với ηh > 0 và Mh > 0, nghĩa là momen động cơ ngược chiều với momen phụ tải Ngược lại, khi tải trọng tương đối nhỏ (ηc < 0,5), động cơ chuyển sang chế độ hạ động lực với ηh < 0 và Mh < 0, lúc này momen động cơ cùng chiều với momen phụ tải.
Công suất động cơ khi hạ có tải và không tải:
2.2 Chọn sơ bộ công suất động cơ.
2.2.1 Xây dựng biểu đồ phụ tải tĩnh.
= ( 5000 1000 + 50 0 ) , 0 85 , 2 9 , 81 = 11,67( KW ) + Khi hạ tải: vh = 0,3 m/s
= 12,14 ( KW ) Khi hạ không tải hoặc nâng không tải, công suất động cơ thay đổi.
Hình 2.2 Quan hệ phụ thuộc ηc theo tải trọng
Dựa vào đường đặc tính quan hệ giữa hệ số mang tải và hiệu suất (hình 2.2), ta có: ηc = 0,21
0. = 50 1000 0 , 5 0 9 , 21 , 81 = 1,168 ( KW ) + Khi hạ không tải:
Mho < 0 chứng tỏ động cơ làm việc ở chế độ hạ động lực.
- Thời gian nâng tải: tn v n h 2 , 0
- Thời gian hạ tải: th v h h 3 0
- Thời gian nâng và hạ không tải: tno = tho v no h = 0 10 , 5 = 20 s Vậy thời gian làm việc:
Từ kết quả trên chọn Tck = 200 s
Hình 2.3 Đồ thị phụ tải.
Trong đó: k =(1,2÷1,3) – hệ số phụ thuộc vào đồ thị phụ tải, tần số mở máy, hãm máy Chọn k = 1,2
Thay số vào ta có:
= 229,5 ( Nm ) Động cơ được chọn phải có Mđ > Mtb.
Vậy ta chọn động cơ điện một chiều loại Π - 41, chế độ 60ph và TĐ 100%, có các thông số như sau:
- Tốc độ quay : 690 vòng/phút
- Số thanh dẫn tác dụng N : 492
- Số vòng dây một cực của cuộn song song ( wcks ) : 1480
- Từ thông hữu ích của một cực Φ (mWb ) : 17
- Dòng kích từ định mức iđm (A ) : 2,20
+ Kiểm nghiệm theo điều kiện phát nóng:
Phương pháp kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện phát nóng gián tiếp dựa trên việc suy ra mômen từ phương pháp điện đẳng trị, trong đó mômen tỷ lệ với dòng điện.
Momen định mức của động cơ:
Do Mđc > Mđt nên động cơ Π - 41đã chọn thỏa mãn điều kiện phát nóng.
+ Kiểm nghiệm quá tải về momen:
Momen cản lớn nhất: Mc max = Mn = 521 (Nm )
Momen định mức của động cơ Mđc = 1156 (Nm) > Mc max
Vậy, động cơ đã chọn thỏa mãn điều kiện quá tải về mommen.
+ Kiển nghiệm về momen khởi động của động cơ:
Mc mở máy = 2Mc max = 2.521 = 1041 ( Nm )
Ta có: Mkd = 2.Mđc = 2.1156 ≈ 2312 (N.m) > Mc mở máy. Động cơ Π – 41 đã chọn thỏa mãn yêu cầu.
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG
3.1 Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều là loại động cơ hoạt động với dòng điện một chiều, thường được ứng dụng trong công nghiệp nơi yêu cầu momen khởi động lớn và khả năng điều chỉnh tốc độ linh hoạt trong một phạm vi rộng.
Động cơ điện một chiều bao gồm hai phần chính là stato và roto Stato thường được làm từ nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện, trong khi roto có các cuộn dây quấn và kết nối với nguồn điện một chiều Một thành phần quan trọng của động cơ này là bộ phận chỉnh lưu, có chức năng đổi chiều dòng điện để đảm bảo roto quay liên tục Bộ phận chỉnh lưu thường bao gồm một cổ góp và một chổi than tiếp xúc với cổ góp.
+ Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều:
Khi áp dụng điện áp Uk lên dây quấn kích từ, dòng điện kích từ Ik sẽ xuất hiện, tạo ra từ thông Φ trong mạch từ của động cơ Khi điện áp U được đặt lên mạch phần ứng qua hệ thống chổi than và cổ góp, dòng điện I sẽ chạy qua dây quấn phần ứng Sự tương tác giữa dòng điện phần ứng I và từ thông kích từ Φ sẽ tạo ra một momen điện từ, được tính toán theo công thức cụ thể.
2 Với K là hệ số kết cấu của động cơ.
Momen điện từ này kéo phần ứng của động cơ quay quanh trục.
Trong các máy điện một chiều lớn, nhiều cuộn dây được kết nối với các phiến góp khác nhau trên cổ góp, giúp duy trì dòng điện và lực quay ổn định, không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của roto.
+ Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều:
Hình 3.1 Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Từ sơ đồ thay thế của động cơ ( Hình 3.1 ), ta có phương trình cân bằng điện áp:
Uư = Eư + ( Rư + Rf )Iư [3 – 1]
Uư - điện áp phần ứng
Eư - suất điện động phần ứng
Rư - điện trở phần ứng
Điện trở phụ mạch phần ứng (Rf) bao gồm các thành phần chính: điện trở cuộn dây phần ứng (rư), điện trở cuộn cực từ phụ (rcf), điện trở cuộn bù (ri), và điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp (rcl) Tổng điện trở phụ được tính bằng công thức Rư = rư + rcf + ri + rcl.
Sức điện động Eư của động cơ được xác định theo biểu thức:
2 - hệ số cấu tạo của động cơ p – số đôi cực từ chính
Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng (N) và số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng (a) ảnh hưởng đến từ thông kích thích dưới một cực từ (Φ) Khi biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay (n) tính bằng vòng/phút, ta có thể thấy mối quan hệ giữa các yếu tố này trong quá trình hoạt động của hệ thống điện.
60 : hệ số sức điện động của động cơ
Từ ( 3 – 1 ) và ( 3 – 2 ta có phương trình đặc tính cơ điện:
Mặt khác momen điện từ của động cơ được xác định bởi:
Thay giá trị Iư vào ( 3 – 4 ) ta được phương trình đặc tính cơ:
Từ các biểu thức trên, ta vẽ được dạng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều:
Hình 3.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.
3.1.2 Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm: a) Hãm tái sinh:
Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ vượt quá tốc độ không tải lý tưởng Trong quá trình hãm tái sinh, điện áp Uư nhỏ hơn điện áp Eư, khiến động cơ hoạt động như một máy phát điện song song với lưới điện Lúc này, dòng hãm và mô-men hãm sẽ đảo chiều và có giá trị cụ thể.
Trị số hãm tăng dần cho đến khi đạt được sự cân bằng với momen phụ tải của cơ cấu sản xuất, dẫn đến hệ thống hoạt động ổn định với ω ođ > ω 0 Đường đặc tính cơ trong chế độ hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ II và IV của mặt phẳng tọa độ.
Khi nâng tải trong hệ thống cầu trục, động cơ hoạt động ở chế độ thuận và góc phần tư thứ I Ngược lại, khi hạ tải, cần đảo chiều điện áp vào phần ứng động cơ Nếu momen tải trọng lớn hơn momen ma sát, động cơ sẽ chuyển sang chế độ hãm tái sinh.
Hình 3.3 Đặc tính hãm tái sinh.
(a) Ứng với tải thế năng
(b) Trong trường hợp cơ cấu nâng – hạ. b) Hãm ngược:
Trạng thái hãm ngược của động cơ xảy ra khi phần ứng bị ảnh hưởng bởi các bộ phận chuyển động hoặc do mô men thế năng quay ngược chiều với mô men của động cơ, dẫn đến việc mô men của động cơ chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất.
Có 2 trường hợp hãm ngược:
- Đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng
Khi động cơ hoạt động để nâng tải ở tốc độ xác định tại điểm a, việc đưa một điện trở lớn vào mạch phần ứng sẽ khiến động cơ chuyển sang hoạt động tại điểm b trên đặc tính biến trở.
Tại điểm b, momen động cơ nhỏ hơn momen cản, dẫn đến động cơ giảm tốc trong khi tải vẫn nâng lên Đến điểm c, tốc độ bằng không, nhưng momen động cơ vẫn nhỏ hơn momen tải, khiến động cơ quay ngược lại và tải trọng hạ xuống với tốc độ tăng dần Tại điểm d, momen động cơ và momen cản bằng nhau, hệ thống ổn định với tốc độ hạ không đổi, và sức điện động lúc này đổi dấu.
Trong trạng thái hãm ngược, sức điện động của động cơ cùng chiều với điện áp lưới, khiến động cơ hoạt động như một máy phát điện nối tiếp với lưới Quá trình này chuyển đổi điện năng từ lưới và cơ năng trên trục thành nhiệt năng, dẫn đến tổn thất năng lượng lớn do nhiệt năng tạo ra làm nóng điện trở.
- Đảo chiều điện áp phần ứng:
Khi động cơ hoạt động tại điểm a trên đặc tính cơ tự nhiên, việc đảo chiều điện áp phần ứng và thêm một điện trở phụ lớn sẽ khiến động cơ chuyển sang điểm b trên đặc tính cơ biến trở Tại điểm b, momen đã đảo chiều, gây cản trở chiều quay của động cơ, dẫn đến việc tốc độ động cơ giảm xuống đoạn bc Tại điểm c, tốc độ đạt giá trị 0 Nếu ngắt điện áp phần ứng, động cơ sẽ dừng lại; ngược lại, nếu giữ nguyên điện áp, động cơ sẽ quay ngược và ổn định tại điểm d Đoạn bc thể hiện đặc tính hãm ngược của động cơ.
Hình 3.4 Đặc tính cơ khi hãm ngược (a) Khi đưa Rf vào mạch phần ứng
(b) Đảo cực tính điện áp phần ứng. c) Hãm động năng:
Động cơ hoạt động như một máy phát, trong đó năng lượng cơ học tích lũy trong quá trình làm việc trước đó được biến đổi thành nhiệt năng tiêu tán dưới dạng nhiệt trong quá trình hãm.
- Hãm động năng kích từ độc lập:
Tính toán máy biến áp nguồn
4.1.1 Xác định điện áp không tải của chỉnh lưu và thông số máy biến áp.
Bộ biến đổi chỉnh lưu thyristor cần đảm bảo giá trị điện áp không tải phù hợp để cấp cho động cơ điện một chiều với các tham số quan trọng như suất điện động định mức (Eưđm) và sụt áp tổng ở mạch khi dòng phản ứng cực đại (Iưmax) Cụ thể, mối quan hệ giữa các tham số được thể hiện qua công thức: γ1 Ud0 cosαmin = γ2 Eưđm + ΣUv + Iưmax RưΣ + ∆Uγmax.
Điện áp không tải chỉnh lưu Ud0 và các hệ số γ1, γ2 đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán hiệu suất của hệ thống điện Hệ số γ1, với giá trị 0,95, phản ánh sự suy giảm điện áp lưới, trong khi γ2, nằm trong khoảng từ 1,04 đến 1,06, thể hiện khả năng dự trữ của máy biến áp Góc điều khiển cực tiểu αmin cho sơ đồ đảo chiều được xác định là 12 độ Cuối cùng, tổng sụt áp trên van ΣUv cũng là một yếu tố cần xem xét trong quá trình thiết kế và vận hành hệ thống.
RưΣ - điện trở đẳng trị tổng quy đổi về mạch một chiều.
Iưmax - dòng phần ứng cực đại, nằm trong khoảng ( 2÷ 2,5 ) Iưđm
Sụt áp cực đại do trùng dẫn được tính:
∆Uγmax = ∆Uγđm. ddm udm udm u
Idđm – dòng định mức bộ biến đổi
∆Uγđm – sụt áp trùng dẫn định mức, được xác định:
- UK: điện áp ngắn mạch ( % )
- Yγ : đối với sơ đồ 6 xung và 12 xung, Yγ = 0,5
Nếu Iưđm = Idđm, ta có: λ α γ γ γ k u u v udm d Y U
Thay số vào, ta có:
Eưđm = Uđm – Rư Iưđm = 220 – 0,17 86 = 205,38 (V ) λ udm u
Biến áp đấu theo kiểu ∆/Y, điện áp lưới 380 V
Dòng thứ cấp máy biến áp:
= 70 5 , , 176 2 = 13,5 ( A ) Công suất định mức máy biến áp:
Sba = 1,05 Pd = 1.05 Ud0 Id = 1,05.296,8.86 = 26,8 ( KVA )
+ Tính điện cảm và điện trở của máy biến áp
Chọn máy biến áp có hệ số tự cảm mạch từ Bm = 1,1 T
Kr – hệ số phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu và đặc điểm tải Với sơ đồ cầu pha, Kr = 2,5
S – số trụ của máy biến áp (S = 3 ) f – tần số biến áp nguồn Điện kháng của máy biến áp:
KL : hệ số phụ thuộc sơ đồ chỉnh lưu Với sơ đồ cầu 3 pha, KL = 10 -3
Thay số vào, ta có:
+ Tính toán sơ bộ mạch từ máy biến áp
Tiết diện trụ được tính theo công thức kinh nghiệm: f S k S
Trong đó: kQ – hệ số, phụ thuộc vào phương thức làm mát. kQ = 4÷5 với máy biến áp dầu kQ = 5÷6 với máy biến áp khô.
S – số trụ của máy biến áp S = 3
Chúng tôi đã chọn trụ hình chữ nhật với chiều dài a (cm) và chiều rộng b (cm) Lõi thép của máy biến áp được thiết kế theo hình chữ E, được ghép từ tôn silic loại 310.
Theo kinh nghiệm, tỉ lệ b/a = ( 0,5÷1,5) là tối ưu nhất.
Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp:
Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp:
Với các cuộn dây bằng đồng, máy biến áp khô, chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp J = 2,75 (A/mm 2 )
Tiết diện dây quấn sơ cấp máy biến áp:
S I ( mm 2 ) Đường kính dây dẫn:
Tiết diện dây quấn thứ cấp máy biến áp:
S I ( mm 2 ) Đường kính dây dẫn:
+ Tiết diện cửa sổ máy biến áp:
Diện tích cửa sổ máy biến áp:
Qcs – tiết diện cửa sổ máy biến áp
Qcs1, Qcs2 – là diện tích do cuộn sơ cấp và thứ cấp chiếm chỗ klđ – hệ số lấp đầy klđ = 2÷3, lấy klđ = 2
W1, W2 – số vòng dây sơ cấp và thứ cấp máy biến áp
Trong đó: h – chiều cao cửa sổ c – chiều rộng cửa sổ Chọn h/a = 2, c/a = 0,5 h/c = 4
+ Kết cấu dây quấn máy biến áp:
Dây quấn được sắp xếp dọc theo trục, với cuộn thứ cấp quấn sát trụ và cuộn sơ cấp nằm bên ngoài Mỗi cuộn dây gồm nhiều lớp dây quấn liên tục, các vòng dây sát nhau Các lớp dây được cách điện bằng bìa cách điện để đảm bảo an toàn và hiệu suất.
Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp: c g k b h
Chiều cao cửa sổ được ký hiệu là h, trong khi khoảng cách cách điện với gông được ký hiệu là hg, với hg = 2 mm Hệ số ép chặt kc có giá trị là 0,95 Bề dày trụ máy biến áp được ký hiệu là b, với b = 8,9 mm.
Số lớp dây quấn sẽ là: 2,7
Vậy, cuộn thứ cấp có 30 vòng, chia thành 3 lớp, mỗi lớp 10 vòng.
Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp:
2 = = k c b h W ( mm ) Đường kính trong của cuộn thứ cấp: Dt2 = b + 2a02 = 9 + 2.1 = 11 ( cm )
(a02 là khoảng cách từ trụ tới cuộn thứ cấp, chọn a02 = 1 cm) Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây cuộn thứ cấp cd12 = 0,1 (mm)
Bề dày cuộn thứ cấp:
Bd2 = (d2 + cd12).n12 = (5,7 + 0,1).3 = 17,4 ( mm ) Đường kính ngoài cuộn thứ cấp:
Dn2 = Dt2 + 2.Bd2 = 11 + 2.1,74 = 14,428 (cm ) Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp:
Chiều dài dây quấn thứ cấp: l2 = π.W2.Dtb2 = 1200 ( cm )
Số vòng dây trên một lớp:
Số lớp dây quấn sẽ là: 3,4
Vậy, cuộn sơ cấp có 135 vòng, chia làm 4 lớp Chọn 3 lớp đầu 34 vòng, lớp thứ 4 có
Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp:
Chọn khoảng cách từ cuộn thứ cấp tới cuộn sơ cấp là a21 = 1 (cm) Đường kính trong của cuộn sơ cấp:
Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây cuộn sơ cấp: cd11 = 0,1 (mm)
Bề dày cuộn sơ cấp:
Bd1 = (d1 + cd11).n11 = (2,5 +0,1).4 = 10,4 ( mm ) Đường kính ngoài cuộn sơ cấp:
Dn1 = Dt1 + 2Bd1 = 16,428 + 1,04 = 17,468 ( cm ) Đường kính trung bình cuộn sơ cấp:
Vậy, chiều dài cuộn sơ cấp: l1 = π.W1.Dtb1 = π.135.16,948 = 7188 (cm) = 7,188 ( m )
4.1.2 Xác định tham số mạch chỉnh lưu
Dòng trung bình qua thyristor:
86 = 28,67 ( A ) Dòng cực đại qua thyristor:
172 = 57.3 ( A ) Điện áp ngược cực đại đặt lên thyristor:
Chọn hệ số dự trữ về điện áp và dòng điện: ki = 1,5 , ku = 1,5
Vậy thyristor cần chọn phải chịu được:
- Điện áp ngược cực đại:
IT = 1,5 57,3 = 89,95 ( A ) Chọn thyristor NO44RH05 có các thông số:
+ Tính chọn cuộn kháng lọc một chiều: Điện cảm mạch phần ứng động cơ điện một chiều có thể tính gần đúng:
Lư = KL. đm p udm đm n Z I
KL – hệ số, lấy giá trị từ 1,4 ÷ 1,9
Zp – số đôi cực ( Zp = 2 )
Cuộn kháng lọc một chiều được kết nối vào mạch phần ứng của động cơ nhằm giảm vùng dòng điện gián đoạn và cải thiện điều kiện chuyển mạch ở vành góp Bộ biến đổi tạo ra điện áp đầu ra chứa sóng điều hòa bậc cao với tần số góc ωk = K m ω1, trong đó K là số nguyên bậc của các thành phần điều hòa Điện áp này sinh ra trong mạch phần ứng dòng xoay chiều điều hòa với giá trị hiệu dụng.
1 σ ωVới LΣ : điện cảm tổng của mạch một chiều.
Ta gọi gϬ là hệ số đập mạch điện áp đầu ra bộ biến đổi:
Km g U σ ω Ϭi là hệ số đập mạch dòng điện và được xác định: Σ
Hệ số đập mạch phụ thuộc vào góc điều khiển α, gϬ = f
Do thành phần dòng xoay chiều nên giá trị dòng điện định mức động cơ bị giảm:
R m đặc trưng cho sự ảnh hưởng của dòng điện điều hòa bậc cao làm tăng điện trở tổng mạch phần ứng, giá trị tỉ số này từ 2 ÷ 3.
Dòng điện xoay chiều có tác động tiêu cực đến quá trình chuyển mạch ở cổ góp máy điện Cụ thể, do ảnh hưởng của dòng xoay chiều điều hòa bậc m, từ trường của các cặp cực chuyển mạch bị chậm lại 90 độ so với dòng điện điều hòa bậc m Sự chậm trễ của điện áp chuyển mạch không đủ để bù đắp phản ứng phần ứng, vì sụt áp xoay chiều ∆U2 không thể tăng lên một cách đột ngột.
Nếu chỉ quan tâm tới việc hạn chế vùng dòng điện gián đoạn thì giá trị điện cảm cần thiết mạch một chiều sẽ là:
Idmin – dòng qua tải nhỏ nhất khi vận hành g0 – hệ số dòng điện gián đoạn, có thể lấy giá trị g0 = ( 2 ÷ 2,2 )gϬ
Thay số vào ta có:
Lư = KL. đm p udm đm n Z I
Thành phần sóng hài bậc 1:
Giá trị cuộn kháng lọc là:
Do điện trở của cuộn kháng rất nhỏ nên ta có thể coi tổng trở của cuộn kháng bằng với điện cảm của cuộn kháng lọc:
Zk = XKL = 2πf.L = 2π.50.1,1.10 -3 = 0,35 ( Ω ) Điện áp rơi trên cuộn kháng:
U ∆ (với I1m là biên độ dòng xoay chiều bậc 1, I1m = 10%Id)
Thay số vào ta có:
Công suất của cuộn kháng lọc:
Tiết diện cực từ chính của cuộn kháng lọc:
Chọn trụ hình chữ nhật, tiết diện 2 cm 2 , với chiều rộng trụ là a, chiều dày trụ là b sao cho: b/a = 1,3.
Chọn loại thép dày 0,35 (mm), có chiều rộng 10 (mm) và chiều dài 20 (mm), mật độ tự cảm Bt = 0,8 (T)
Khi có thành phần điện xoay chiều chạy qua cuộn kháng lọc thì trong cuộn kháng lọc sẽ xuất hiện một sức điện động:
Có thể coi gần đúng Ek = ∆U = 2,13 ( V )
Vậy, chọn cuộn kháng có 34 vòng.
Dòng điện chạy qua cuộn kháng: ik = Id + I1mcos(2θ + φ1) Dòng hiệu dụng chạy qua cuộn kháng:
Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng J = 2,75 ( A/mm 2 )
S k I k ( mm 2 ) Đường kính của cuộn kháng:
Chọn hệ số lấp đầy: klđ = 0,7
Kích thước cửa sổ mạch từ: Q = h.c
Chiều cao mạch từ: H = h + a = 3 + 1 = 4 ( cm )
Chiều dài mạch từ: L = 2c + a = 2.5+1 = 11 (cm )
Chọn khoảng cách từ gông đến cuộn dây: hg = 2 (mm)
Số vòng dây trên một lớp:
Chọn khoảng cách điện giữa dây quấn với trụ a01 = 3 (mm)
Cách điện giữa các lớp: cd = 0,1 (mm)
Bd = (dk + cd )nk = ( 6,32 + 0,1 ).8 = 51,36 ( mm ) Tổng bề dày cuộn dây:
BdΣ = Bd + a01 = 51,36 + 3 = 54,36 ( mm ) Đường kính trong của cuộn kháng:
Dt = b + 2 a01 = 20 + 2.3 = 26 ( mm ) Đường kính ngoài của cuộn kháng:
Dn = Dt + 2BdΣ = 26 +2.54,36 = 134,72 ( mm ) Đường kính trung bình của cuộn kháng:
Chiều dài dây quấn: lk = π.w.Dtb = π.34.80,36 = 8538,5 ( mm ) Vậy, chọn l = 9 (m)
4.1.3 Tính toán thiết bị bảo vệ
Van bán dẫn có thể bị hỏng khi nhiệt độ mặt ghép vượt quá giới hạn cho phép Khi van hoạt động, nhiệt độ mặt ghép thường tăng lên do nhiều nguyên nhân khác nhau.
− Dòng rò chạy qua van khi khóa.
− Điện áp thuận rơi trên van khi dẫn.
− Tổn hao do các xung kích để mở van
Tổn hao do chuyển mạch phụ thuộc vào hệ số chuyển mạch, và trong bài viết này, chúng ta chỉ xem xét tổn hao do điện áp thuận rơi trên van, trong khi bỏ qua các tổn hao khác vì chúng không đáng kể Công suất tổn hao là yếu tố quan trọng cần được phân tích để hiểu rõ hơn về hiệu suất của hệ thống.
∆P – tổn hao công suất trên van.
∆U – điện áp rơi trên van ( 2 V )
Idhv – dòng trung bình qua van ( 28,67 A ) Vậy:
Do tổn hao tương đối nhỏ nên ta chọn phương án làm mát cưỡng bức bằng cánh tản nhiệt, có quạt gió.
Để bảo vệ van khỏi tình trạng quá tải, cần lắp đặt aptomat ở đầu vào của bộ biến đổi Khi bộ biến đổi gặp quá tải, aptomat sẽ tự động ngắt kết nối bộ biến đổi khỏi lưới điện Dòng định mức của aptomat thường được chọn trong khoảng từ 1,1 đến 1,3 lần giá trị dòng định mức của bộ biến đổi.
Cầu chì dây chảy tác động nhanh được sử dụng để bảo vệ thyristor khỏi ngắn mạch, đồng thời bảo vệ đầu ra của bộ chỉnh lưu và ngắn mạch thứ cấp của máy biến áp.
- Nhóm cầu chì thứ nhất: bảo vệ ngắn mạch thứ cấp máy biến áp
- Nhóm cầu chì thứ hai : bảo vệ ngắn mạch cho bộ chỉnh lưu.
Dòng định mức của các nhóm cầu chì:
+ Bảo vệ quá áp cho van:
Bảo vệ quá áp cho thyristor được thực hiện bằng cách kết nối mạch R-C song song với thyristor Khi có sự chuyển mạch, dòng điện ngược biến thiên nhanh chóng tạo ra sức điện động cảm ứng lớn trong các điện cảm, dẫn đến quá điện áp trên thyristor Việc thêm mạch R-C giúp điện tích tích tụ giữa hai bản cực phóng ra trong thời gian ngắn, từ đó bảo vệ thyristor khỏi tình trạng quá áp.
Theo kinh nghiệm, thường chọn:
C = 0,25 ữ 4 àFVậy, ta chọn: R = 10 Ω, C = 0,3 àF.
Khi lựa chọn thiết bị đo tốc độ, máy phát tốc là lựa chọn lý tưởng để thu tín hiệu phản hồi Đây là loại máy điện nhỏ, hoạt động như một máy phát, có khả năng biến đổi chuyển động quay của trục động cơ thành tín hiệu áp, giúp theo dõi và điều chỉnh tốc độ một cách hiệu quả.
Phương trình đặc tính ra của máy phát tốc như sau: dt
UF – điện áp ra của máy phát tốc
K, K1 – các hệ số khuếch đại n – vận tốc quay của roto α – góc quay Theo cấu tạo và nguyên kí làm việc, máy phát tốc có thể chia thành:
− Máy phát tốc không đồng bộ
− Máy phát tốc đồng bộ
− Máy phát tốc một chiều
Sơ đồ máy phát tốc được thể hiện trên hình 4.1 Trong hệ thống, máy phát tốc thực hiện chức năng như:
− Thực hiện mối liên hệ ngược về vận tốc quay trong các hệ thống theo dõi
− Thực hiện vi phân theo góc quay
Hình 4.1 Sơ đồ máy phát tốc.
Biến trở hoạt động như một cầu phân áp, cho phép điều chỉnh điện áp ra phù hợp với điện áp đặt tốc độ động cơ Loại máy 113/1Y4 được chọn có các thông số kỹ thuật cụ thể.
+ Lựa chọn thiết bị đo dòng điện
Có 2 phương pháp chính để tạo ra phản hồi dòng là sử dụng điện trở sum và sử dụng biến dòng Ở đây dùng biến dòng với sơ đồ như sau:
Hình 4.2 Sơ đồ phản hồi dòng điện.
Mô hình toán học động cơ điện một chiều
Hình 5.1 Giản đồ thay thế động cơ điện một chiều
Trong chế độ xác lập của động cơ điện một chiều, khi áp dụng điện áp uk lên dây quấn kích từ, dòng điện ik sẽ xuất hiện trong dây quấn này, tạo ra từ thông Φ trong mạch từ của máy Tiếp theo, khi một giá trị U được đặt lên mạch phần ứng, dòng điện I sẽ chạy qua dây quấn phần ứng Sự tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ sẽ tạo ra momen điện từ với giá trị được xác định bởi công thức: u u K I a I.
= π Trong đó: p’ – số đôi cực của động cơ
N – số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ a – số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng k – hệ số kết cấu của máy
Do momen điện từ kéo cho phần ứng quay nên các dây quấn quét trong từ thông và trong các dây quấn cảm ứng suất điện động: ω π ω
Với động cơ một chiều:
Nếu các thông số của động cơ là không đổ thì có thể viết được phương trình mô tả sơ đồ thay thế hình 5.1 như sau:
UK(p) = RK IK(p) + NK p ΦK(p) Trong đó:
Nk – số vòng dây của cuộn kích từ
Rk – điện trở dây quấn kích từ Mạch phần cứng:
U(p) = Rư.I(p) + Lư.p.I(p) ± NN.p.Φ(p) + E(p) Hoặc dạng dòng điện:
Lư – điện cảm phần ứng
NN – số vòng dây cuộn kích từ
Tư = Lư/Rư – hằng số thời gian mạch phần ứng
Phương trình chuyển động của hệ thống:
M(p) – Mc(p) = J.p.ω Trong đó: J là momen quán tính của hệ quy đổi về trục động cơ.
Từ các phương trình trên, ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc của động cơ như hình vẽ
Sơ đồ cấu trúc này có tính phi tuyến mạnh, do đó trong ứng dụng tính toán, cần mô hình hóa tuyến tính quanh điểm làm việc Điểm làm việc được chọn phải ổn định, nhằm tuyến tính hóa đặc tính từ hóa và đặc tính mô men tải.
Hình 5.1 minh họa sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều, trong đó tại điểm làm việc xác lập, các thông số quan trọng bao gồm điện áp phần ứng U0, dòng điện phần ứng I0, tốc độ quay ωB, từ thông Φ0, mômen tải MB, điện áp kích từ Uk0 và dòng điện kích từ Ik0.
Các đại lượng biến thiên nhỏ xung quanh điển làm việc ∆U(p), ∆I(p), ∆ω(p), ∆Φ(p),
U0 + ∆U(p) = Rư [I0 + ∆I(p)] + p.Lư.[I0 + ∆I(p)] + K.[Φ0+∆Φ(p)].[ω B +∆ω(p)] Mạch kích từ:
Uk0 + ΔUk(p) = Rk.[Ik0 + ΔIk(p)] + p.Lk.[Ik0 + ΔIk(p)]
+ Phương trình chuyển động cơ học:
Bỏ qua các vô cùng bé bậc cao trong phương trình trên, ta có:
Sơ đồ tuyến tính hóa từ các phương trình thu được như sau:
Hình 5.2 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa
Khi dòng điện kích từ động cơ không đổi, hoặc khi từ thông được kích thích bằng nam chân vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số:
Hình 5.3 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi
Sơ đồ cấu trúc động cơ với từ thông kích từ không đổi được minh họa trong hình 5.3 Qua phương pháp đại số, sơ đồ cấu trúc được rút gọn như thể hiện trong hình 5.4.
Kđ = 1/Cu - hệ số khuếch đại động cơ
R - hằng số thời gian cơ học
Hình 5.4 Các sơ đồ cấu trúc thu gọn a) Theo tốc độ; b) Theo dòng điện
5.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện.
Mạch vòng điều chỉnh dòng điện là một phần quan trọng trong hệ thống truyền động, ảnh hưởng lớn đến chất lượng điều chỉnh Chức năng chính của mạch vòng này là xác định momen kéo của động cơ, đồng thời đảm bảo bảo vệ và điều chỉnh gia tốc cho hệ thống.
Hình 5.5 Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện
Ri - là bộ điều chỉnh dòng điện
Mω là bộ điều chỉnh điện áp Khi hằng số thời gian cơ học (Tc) lớn hơn nhiều so với hằng số thời gian mạch phần ứng (Tư), sức điện động của động cơ có thể được coi là không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh mạch vòng dòng điện.
Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh dòng điện bao gồm các thành phần chính như F là mạch lọc tín hiệu, Ri là bộ biến đổi điều chỉnh dòng điện, BĐ là bộ biến đổi một chiều, và Si là xenxơ dòng điện.
Xenxơ dòng điện có thể được thực hiện thông qua việc sử dụng biến dòng trong mạch xoay chiều hoặc thông qua các điện trở sum và các mạch cách li trong mạch một chiều.
Hình 5.6 Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện
Ti, Tđk, Tvo, Tư, Ti là các hằng số thời gian quan trọng trong mạch lọc, mạch điều khiển, mạch chỉnh lưu, và quá trình chuyển mạch chỉnh lưu Những hằng số này đóng vai trò thiết yếu trong việc xác định hiệu suất và ổn định của phần ứng và xenxơ dòng điện trong các ứng dụng điện tử.
Rư – điện trở mạch phần ứng α
- hệ số khuếch đại của chỉnh lưu
Hàm truyền của mạch vòng dòng điện (hàm truyền của đối tượng điều chỉnh) là như sau:
S0i (p) = ( 1 )( 1 )( 1 / )( 1 )( 1 ) i u vo đk f u i cl pT pT
Các hằng số thời gian Tf, Tđk, Tvo, Ti là những hằng số rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ Nếu đặt Ts = Tf + Tđk + Tvo + Ti, ta có thể biểu diễn lại công thức ở dạng gần đúng.
+ Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modun, ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện có dạng khâu PI:
Từ các thông số của động cơ:
Lư = 2,6 ( mH ) Hằng số thời gian mạch phần ứng:
Momen quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ:
K = 2 , 72 84 , 3 86 = 3,38 ( kgm 2 ) Hằng số thời gian cơ học:
Hằng số thời gian của bộ biến đổi:
Hằng số thời gian của mạch điều khiển chỉnh lưu chọn bằng:
Hệ số biến đổi của mạch chỉnh lưu:
Hằng số thời gian của khâu phản hồi dòng điện chọn bằng:
Hệ số hàm truyền phản hồi dòng điện:
12 = 0,14 Vậy, hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện sẽ là:
= 1 + 0 0 , 11 , 015 p p Hàm truyền của mạch vòng dòng điện thu được sẽ là:
5.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ
Hệ thống điều chỉnh tốc độ là một hệ thống quan trọng trong kỹ thuật, điều chỉnh tốc độ góc của động cơ điện Những hệ thống này thường được hình thành từ các hệ thống điều chỉnh dòng điện và có thể hoạt động với hai chế độ: đảo chiều hoặc vô sai cấp hai Momen tải Mc là nguồn nhiễu chính trong hệ thống này, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ chính xác của quá trình điều chỉnh tốc độ.
Hình 5.7 Sơ đồ khối hệ T-Đ đảo chiều
Các bộ điều chỉnh tốc độ Rω có thể được thiết kế dựa trên tín hiệu điều khiển hoặc nhiễu tải Mc, tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ Hệ thống cần có khả năng điều chỉnh tốt từ cả hai nguồn: tín hiệu điều khiển và nhiễu phụ tải.
Hệ truyền động đảo chiều bao gồm hai bộ biến đổi BBĐ1 và BBĐ2 được mắc song song ngược nhau, như minh họa trong hình 5.7 Để thực hiện việc đảo chiều quay, các máy phát xung FX1 và FX2 sẽ phát xung điều khiển cho hai bộ biến đổi này Đồng thời, các bộ điều chỉnh dòng điện Ri1 và xenxơ dòng Si1, cùng với Ri2 và xenxơ dòng Si2, tạo thành mạch vòng điều chỉnh dòng điện.
Phần tử phi tuyến HCD là phần tử hạn chế dòng trong quá trình quá độ Xenxơ tốc độ
Sω đóng vai trò khâu phản hồi tốc độ Sơ đồ khối chức năng được trình bày trên hình 5.8.
Để tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ, chúng ta áp dụng biểu thức kết quả từ việc tổng hợp mạch vòng dòng điện, trong đó bỏ qua sức điện động của động cơ.
= + p T p T K p U p I s s i id Để thuận tiện cho những tính toán tiếp theo, ta có thể sử dụng công thức gần đúng: p T K p U p I s i id d
Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh tốc độ được trình bày trong hình 5.8, trong đó Sω là xenxơ tốc độ với hàm truyền là khâu quán tính, có hệ số truyền Kω và hằng số thời gian lọc Tω Thông thường, Tω có giá trị nhỏ, do đó có thể đặt 2T’s = 2Ts + Tω, dẫn đến đối tượng điều chỉnh có hàm truyền tương ứng.
Theo tiêu chuẩn modun tối ưu, có thể xác định được hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ là khâu tỉ lệ:
Hình 5.9 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh tốc độ
Từ những bước tính trên, ta có:
Chọn hằng số thời gian lọc:
Hàm truyền của mạch vòng tốc độ là:
