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

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

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hưng Yên, ngày… tháng … năm2005

Giáo viên hướng dẫn

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, ngành trang bị điện- điện tử cho máy giacông kim loại ở nước ta đang ngày càng được trú trọng và đầu tư phát triển

Sự phát triển đó được đánh dấu bằng việc cho ra đời và đổi mới hàng loạtphương thức vận hành và điều khiển cho máy gia công kim loại dùng trongcông nghiệp, không ngoài mục đích tăng năng suất lao động cho việc gia côngcắt gọt kim loại trong các nhà máy xí nghiệp, đáp ứng nhu cầu ngày càng caocủa người thợ

Với lòng say mê tìm hiểu và ham học hỏi em đã cố gắng tận dụng tất cảnhững kiến thức đã thu lượm được từ thầy cô bạn bè, mong hoàn thành đề tàinày Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện - Điện tử,

đặc biệt là cô Lê Thị Minh Tâm đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành được đề

tài : Tính chọn công suất và thiết kế hệ thống truyền động điện cho truyền

động chính của máy bào giường

Quyển thuyết minh của em trình bày những chương sau:

 Chương 1: Đặc điểm trang bị điện cho máy bào giường

 Chương 2: Tính chọn công suất động cơ truyền động điện

 Chương 3: Phân tích và lựa chọn phương án truyền động

 Chương 4: Thiết kế hệ thống truyền động điện

 Chương 5: Tính chọn các thiết bị

 Chương 6: Biểu diễn trên matlab & simulink

Với quyển thuyết minh này, hi vọng có thể trở thành tài liệu tham khảocho học sinh, sinh viên ngành kỹ thuật điện

Hưng Yên, ngày 07 tháng 06 năm 2006

Sinh viên thực hiện:

Chương 1

ĐẶC ĐIỂM TRANG BỊ ĐIỆN CHO MÁY

BÀO GIƯỜNG

1 Chức năng và công dụng của máy bào giường.

Máy bào giường thuộc nhóm máy cắt gọt kim loại Máy bào giường cóthể gia công các chi tiết có dạng mặt phẳng lớn, khối lượng và kích thước lớn.Chiền dài cực đại của chi tiết gia công tới 12m Sản phẩm sau khi gia côngđạt được yêu cầu có độ chính xác và độ bóng nhẵn cao Máy bào giường cũng

có thể gia công các rãnh định hình với vật liệu là kim loại đen, màu và một sốdạng nhựa hoá học

2 Đặc điểm công nghệ của máy bào giường.

2.1 Hình dạng bên ngoài.

Hình 1 mô tả hình dạng bên ngoài của máy bào giường

Chi tiết gia công được kẹp chặt trên bàn máy Dao cắt được gá lắp trênbàn dao 5, bàn dao được gá lắp trên xà ngang 4 cố định khi gia công

2.2 Quy trình công nghệ của máy bào giường.

Trong quá trình làm việc, bàn di chuyển theo chu kỳ lặp đi lặp lại, mỗichu kỳ gồm 2 hành trình: hành trình thuận và hành trình ngược Trong hànhtrình thuận, thực hiện gia công chi tiết nên gọi là hành trình cắt gọt Tronghành trình ngược, bàn máy lùi về vị trí ban đầu không thực hiện cắt gọt nêngọi là hành trình không tải

Sau khi kết thúc hành trình ngược, bàn dao lại di chuyển theo chiềungang của bàn một khoảng gọi là lượng ăn dao s (mm/hành trình kép) Dịchchuyển của bàn dao sau mỗi hành trình kép là chuyển động ăn dao

Chuyển động phụ là di chuyển nhanh của xà, bàn dao nâng đầu daotrong hành trình ngược, nân hạ xà ngang, nới siết xà ngang trên trụ v.v…

Tốc độ cắt gọt (tốc độ hành trình thuận của bàn máy) được xác định tuỳthuộc vào vật liệu của chi tiết gia công và tính chất của dao Tốc độ lùi bàn(hành trình ngược của bàn máy) lớn hơn nhiều so với tốc độ cắt gọt để tăngnăng suất của máy Chuyển động mang tính chất chu kỳ

Đồ thị tốc độ và dòng điện của bàn máy bào giường được mô tả nhưhình 2 Đây là dạng đồ thị thường gặp, trong thực tế còn có nhiều dạng khácđơn giản hoặc phức tạp hơn

t 0

I

Hình 2 Đồ thị tốc độ và dòng điện của bàn máy bào giường.

Giả thiết bàn máy đang ở đầu hành trình thuận và tăng tốc độ đến tốc

độ V0=515(m/phút) - tốc độ vào dao-trong khoảng thời gian t1

+Sau khi chạy ổn định với tốc độ V0 trong khoảng thời gian t2 thì daocắt vào chi tiết (dao cắt vào chi tiết ở tốc độ thấp để tránh sứt dao hoặc chitiết)

+Bàn máy tiếp tục chạy với tốc độ ổn định V0 cho đến hết thời gian t3.+t4 tăng tốc độ từ V0Vth (tốc độ cắt gọt)

+t5: bàn máy chuyển động với tốc độ Vth và thực hiện gia công chi tiết.+t6: bàn máy sơ bộ giảm tốc độ đến V0

+t7: bàn máy làm việc ổn định với tốc độ của bàn máy là V0

+t8: dao được ra khỏi chi tiết khi tốc độ của bàn máy là V0

+t9, t10: đảo chiều từ hành trình thuận sang hành trình ngược đến tốc độ

Vng

+t11: bàn máy chạy theo hành trình ngược với tốc độ Vng.

+t12: thời gian giảm tốc đến V0 , ở hành trình ngược để chuẩn bị đảochiều

+t13: bàn máy chạy ổn định ở vận tốc thấp V0 để chuẩn bị đảo chiều.+t14: đảo chiều sang hành trình thuận để bắt đầu thực hiện một chu kỳkhác

Bàn dao được di chuyển bắt đầu từ thời điểm bàn máy đảo chiều từhành trình ngược sang hành trình thuận và kết thúc di chuyển trước khi daocắt vào chi tiết

3 Các yêu cầu đối với hệ thống truyền động điện và trang bị điện máy bào giường.

3.1 Truyền động chính.

Là chuyển động tịnh tiến qua lại của bàn máy

Hệ truyền động chính của máy bào giường phải có đảo chiều vì có 2hành trình thuận và ngược Đồng thời cũng phải có điều chỉnh tốc độ trong cả

2 hành trình vì hành trình thuận là hành trình cắt gọt có tải tốc độ nhỏ hơnhành trình ngược là hành trình không tải nhằm mục đích giảm thời gian chếtkhông tảI lâu

Phạm vi điều chỉnh tốc độ truyền động chính là tỷ số giữa tốc độ lớnnhất của bàn máy (tốc độ lớn nhất trong hành trình ngược) và tốc độ nhỏ nhấtcủa bàn máy (tốc độ thấp nhất trong hành trình thuận)

kéo không đổi

+Giảm từ thông động cơ

trong phạm vi (4.5)/1 khi

thay đổi tốc độ từ Vgh đến

Vmax =(75120) m/phút, khi đó công suất kéo gần như không đổi

Nhưng sử dụng phương pháp điều chỉnh từ thông thì làm giảm năng suấtcủa máy, vì thời gian quá trình quá độ tăng do hằng số thời gian mạch kích từđộng cơ lớn Vì vậy thực tế người ta thường mở rộng phạm vi điều chỉnhđiện áp, giảm phạm vi điều chỉnh từ thông, hoặc điều chỉnh tốc độ động cơ

trong cả dải bằng thay đổi điện áp phần ứng Trong trường hợp này công suấtđộng cơ phải tăng Vmax/Vgh lần.

Ở chế độ xác lập, độ ổn định tốc độ không lớn hơn 5% khi phụ tải thay đổi

- Cỡ trung bình (Lb = 3  5m; FK = 50  70 kN; D = (6  8)/1): hệthống truyền động là F-Đ (máy phát một chiều-động cơ điện một chiều)

- Cỡ nặng (Lb > 5m; F K > 70 kN; D = (8  25)/1): hệ thống truyền động là

F-Đ có bộ khuyếch đại trung gian; hoặc hệ chỉnh lưu dùng Tiristor-động cơ mộtchiều

3.2 Truyền động ăn dao.

Là chuyển động tịnh tiến theo phương vuông góc với chuyển động chính, có tính rời rạc, xảy ra vào cuối hành trình thuận, đầu hành trình ngược

Truyền động ăn dao làm việc có tính chất chu kỳ, trong mỗi hành trìnhkép làm việc một lần (từ thời điểm đảo chiều từ hành trình ngược sang hànhtrình thuận và kết thúc trước khi dao cắt vào chi tiết)

Phạm vi điều chỉnh lượng ăn dao là : D =(100 ¿ 200)/1 Lượng ăndao cực đại có thể đạt tới (80 ¿ 100)mm/hành trình kép

Cơ cấu ăn dao yêu cầu làm việc với tần số lớn, có thể đạt tới1000lần/giờ

Hệ thống di chuyển đầu dao cần phảI đảm bảo theo 2 chiều ở cả chế độlàm việc và di chuyển nhanh

Truyền động ăn dao thường được thực hiện bằng động cơ không đồng

bộ rô to lồng sóc và hộp tốc độ

Truyền động ăn dao có thể thực hiện bằng nhiều hệ thống : cơ khí, điệnkhí, thuỷ lực khí nén v.v …Thông thường sử dụng rộng rãI động cơ: động cơđiện và hệ thống truyền động trục vít - êcu hoặc bánh răng - thanh răng

Để thay đổi tốc độ trục làm việc, ta có thể dùng nguyên tắc tốc độ điềuchỉnh tốc độ bản thân động cơ hoặc sử dụng hộp tốc độ nhiều cấp Nguyên tắcnày tuy phức tạp hơn nguyên tắc trên nhưng có thể giữ được thời gian làmviệc của truyền động như nhau vời các lượng ăn dao khác nhau

Chương 2

TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG CHÍNH CỦA MÁY BÀO GIƯỜNG

1 Ý nghĩa của việc tính chọn đúng công suất động cơ.

Việc chọn đúng công suất độn cơ truyền động là hết sức quan trọng Nếuchọn công suất động cơ lớn hơn trị số yêu cầu thì vốn đầu tư sẽ tăng, động cơ

sẽ thường xuyên làm việc non tải làm cho hiệu suất và hệ số công suất cos ϕ

thấp Ngược lại, nếu chọn động cơ công suất nhỏ hơn trị số yêu cầu, thì máy

sẽ không đảm bảo năng suất theo thiết kế, động cơ thường xuyên làm việcquá tải làm giảm tuổi thọ động cơ

2 Phương pháp chọn công suất động cơ truyền động chính của máy bào giường

2.1 Các số liệu ban đầu.

Để tính chọn công suất động cơ, cần phải có các số liệu sau:

a) Các thông số đặc trưng cho chế độ làm việc của máy bao gồm:

- Các thông số đặc trưng cho chế độ cắt gọt như : tốc độ cắt

v , lực cắt Fz , công suất cắt Pz, hiệu suất định mức của cơ cấu

η , hệ số ma sát giữa bàn và gờ trượt μ , chiều dài hành trìnhbàn Lb(m), thời gian máy(thời gian gia công chi tiết)…

- Khối lượng của chi tiết gia công

- Thời gian làm việc và thời gian nghỉ.

b) Kết cấu cơ khí của máy bao gồm:

- Sơ đồ động học của cơ cấu.

- Khối lượng của các bộ phận chuyển động.

2.2 Các bước tính chọn công suất động cơ.

Quá trình tính chọn công suất động cơ có thể chia thành hai bước sau:a) Bước 1: Chọn sơ bộ công suất động cơ truyền động được tiến hànhtheo trình tự sau:

- Xác định công suất hoặc mômen tác dụng lên trục làm việc của hộp tốc

- Kiểm nghiệm theo điều kiện phát nóng.

- Kiểm nghiẹm theo điều kiện quá tải.

- Kiểm nghiệm theo điều kiện mở máy.

2.3 Công thức tính chọn công suất động cơ cho máy bào

Công suất động cơ truyền động cơ cấu chính của máy bào được tínhtheo biểu thức sau:

P =

F z q v 1000η (kW)Trong đó:

- Fz : lực cản khi bào

- q : tiết diện của phoi, m2.

a Yêu cầu đề tài:

Tính chọn công suất động cơ truyền động di chuyển máy bàogiường, biết các thông số cho trước sau:

- Vật liệu chi tiết gia công : thép đúc.

- Tiết diện phoi (2 ¿ 10)mm2

1800 106 2 10−5.1/3

1000 0,7 = 17,142

(kW)

Chọn công suất động cơ trong sổ tay tra cứu: Ta chọn loại động

cơ điện một chiều kích từ độc lập loại ΠΗ -290; Pđm = 19 kW; Uđm

= 220V; nđm = 1300vg/ph

Chương 3

PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

TRUYỀN ĐỘNG

1 Các hệ thống truyền động điện

1.1 Hệ thống truyền động máy phát - động cơ (F - Đ)

Trong hệ truyền động máy phát - động cơ (F - Đ), nguồn cấp cho phầnứng động cơ là bộ biến đổi máy điện (máy phát điện một chiều kích từ độclập)

Sơ đồ nguyên lý một hệ F - Đ như trên hình 4

Hình 4: Sơ đồ nguyên lý hệ F - ĐĐộng cơ Đ truyền động máy sản xuất MSX được cấp điện phần ứng từmáy phát F Động cơ sơ cấp kéo máy phát F với tốc độ không đổi là động cơđiện không đồng bộ ĐK Động cơ ĐK cũng kéo luôn máy phát tự kích từ K

để cấp điện kích từ cho động cơ Đ và máy phát F Biến trở Rkk dùng để điềuchỉnh dòng điện kích từ của máy phát tự kích K nghĩa là để điều chỉnh điện ápphát ra cấp cho các cuộn kích từ máy phát KTf và cuộn kích từ động cơ KTđ.Biến trở Rkf dùng để điều chỉnh dòng kích từ máy phát F do đó điềuchỉnh điện áp phát ra của máy phát F đặt vào phần ứng động cơ Đ Biến trở

Rkđ dùng để điều chỉnh dòng kích từ động cơ, do đó thay đổi tốc độ động cơnhờ thay đổi từ thông

Khi thay: u = EF – Iư.RưF ta có:

ω = ΕF− Iu RuF

Rudkφφ Iư

hay : ω = ΕF

kφφ −

Rud + RuFkφφ Iư

Trong đó:

- U : là điện áp đặtvào phần ứng động cơ, (V).

- RưF , RưĐ: là điện trở phần ứng máy phát và động cơ, ( Ω )

- Iư : là dòng điện phần ứng động cơ, cũng là dòng điện phần ứng máyphát , (A)

Thay Iư =

M kφφ vào ta có phương trình đặc tính cơ hệ F - Đ:

( kφφ)2 M là độ sụt tốc độ của động cơ khi

mômen của động cơ là M

b) Các đặc tính cơ của hệ F - Đ.

Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ là đặc tính ứng với điện áp phần ứngđịnh mức (UĐ = UĐđm) và điện áp kích từ định mức (UKTĐ = UKTĐđm) nghĩa là từthông định mức ( φ Đ = φ Đđm) Đặc tính cơ tự nhiên của hệ F - Đ là đường

nét đậm trên hình 5

Để điều chỉnh tốc độ động cơ ở dưới đường đặc tính tự nhiên, ta giữ từthông động cơ là định mức và điều chỉnh giảm điện áp đặt vào phần ứng động

cơ (UĐ giảm).Trường hợp này, tốc độ ω0 thay đổi (giảm) còn độ cứng đặc

tính cơ giữ nguyên Các đặc tính cơ song song nhau Thực hiện điều đó nhờđiều chỉnh tăng điện trở RKF ở mạch kích từ của máy phát F, do đó thay đổi(giảm) s.đ.đ.Ef của máy phát và điện áp đặt vào động cơ

Để điều chỉnh tốc độ động cơ ở vùng trên đường đặc tính tự nhiên, takhông thể tăng điện áp đặt vào phần ứng động cơ cao hơn giá trị định mức

UĐđm vì sẽ làm cháy động cơ Do vậy, lúc này phải giữ nguyên điện áp là định

Hình 5: Họ các đường đặc tính cơ của hệ thống F-Đ

mức và tiến hành điều chỉnh tăng điện trở RKĐ ở mạch kích từ động cơ để thayđổi giảm từ thông φ Đ của động cơ Trường hợp này, tốc độ không tải lý

tưởng ω0 tăng lên còn độ cứng đặc tính cơ giảm đi Đặc tính cơ có tốc độ

ω0 càng lớn thì càng mềm.

Dạng đặc tính cơ vùng dưới đường đặc tính cơ tự nhiên (vùng 1) vàvùng trên đường đặc tính cơ tự nhiên (vùng 2) như trên hình5

Khi điều chỉnh tốc độ động cơ từ định mức ( ω đm) xuống thấp nhờ

giảm s.đ.đ máy phát EF qua việc giảm kích từ máy phát (tăng RKF) thì trênthực tế hệ F - Đ không cho được những tốc độ quá thấp Lý do là muốn cóđược tốc độ nhỏ thì điện áp đặt vào động cơ phải nhỏ nghĩa là điện áp máyphát hay từ thông kích từ máy phát φ F phải nhỏ Về nguyên tắc, tăng RKF thì

dòng điện kích từ sẽ nhỏ nhưng từ trường φ F không thể yếu hơn từ trường

dư của máy phát được Ngay cả khi IKF = 0 thì s.đ.đ do từ dư của máy phát

Hình 6: Hệ F-Đ dùng tiristo để kích từ máy phát động cơ

tạo ra cũng đã đạt khoảng (3 ¿ 6) % trị số s.đ.đ định mức Do vậy, giới hạn

dưới ω min của tốc độ hệ F - Đ bị hạn chế.

Ngoài ra, lúc từ thông kích từ φ F yếu, tác dụng của phản ứng phần

ứng sẽ rõ rệt, điện áp rơi ở mặt tiép xúc giữa chổi than và vành góp tăng lên,

điện trở mạch lực trở nên có ý nghĩa nên cũng không thể giảm quá thấp EF

Vì thế, phạm vi điều chỉnh tốc độ theo cách thay đổi điện áp phần ứng

động cơ không quá :

DU =

ωdm

ωmin = 10 : 1Khi điều chỉnh tốc độ động cơ từ định mức ( ω đm)lên cao hơn nhờ

giảm từ thông φ Đ từ định mức xuống thấp cũng chỉ giới hạn trong phạm vi :

D φ =

ωmax

ωdm = 3 : 1Dải điều chỉnh D φ bị hạn chế

do điều kiện đảo chiều quay của động

cơ (nếu phương pháp đảo chiều quay

của động cơ là nhờ đảo chiều từ

trường kích từ của động cơ …) và do

điều kiện về độ bền cơ học của kết

Khi động cơ đảo chiều quay, các đường đặc tính của động cơ sẽ nằm ở

góc phần tư thứ III Việc đảo chiều quay động cơ Đ trong hệ F - Đ ở hình 4

được thực hiện nhờ đảo chiều (đảo cực tính) điện áp của máy phát F đặt vào

phần ứng động cơ Đ thông qua việc đảo chiều dòng điện kích từ của máy phát

nhờ đóng các tiếp điểm K1 hoặc K2 Cũng có thể dùng cầu dao đảo chiều

quay Đây là hệ F - Đ có đảo chiều quay Đối với hệ F - Đ không đảo chiềuquay thì không cần mạch đảo chiều dòng kích từ của máy phát.

Để tiện lợi hơn cho việc cấp điện kích từ có thể dùng các bộ biến đổichỉnh lưu có điều khiển như trên hình 6

c) Nhận xét về hệ F - Đ.

Ưu điểm của TĐĐ dùng hệ F - Đ có thể tóm tắt như sau:

- Phạm vi điều chỉnh tăng lên (cỡ 30 : 1)

- Điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong phạm vi điều chỉnh.

- Việc điều chỉnh tiến hành trên các mạch kích từ nên tổn hao nhỏ.

- Hệ điều chỉnh đơn giản.

- Trạng thái làm việc linh hoạt, khả năng quá tải lớn.

- Có thể thực hiện hãm một cách dễ dàng bằng nhiều cách khác nhau.

Nhược điểm của hệ:

- Sử dụng nhiều máy điện quay nên hiệu suất thấp (không quá 75%),

cồng kềnh, tốn diện tích lắp đặt, gây ồn lớn

- Công suất đặt máy lớn.

- Vốn đầu tư ban đầu cao.

Hình 7 là sơ đồ nguyên lý một hệ F - Đ (công suất trung bình) mà kích

từ máy phát F được cấp bởi một MKĐ tự kích

- CK1: cuộn chủ đạo hay cuộn điều khiển được cấp điện từ nguồn mộtchiều ổn định Điện áp đặt vào cuộn này thay đổi được nhờ biến trở R1 Điện

áp đặt Uđ sẽ định giá trị s.đ.đ máy phát EF cũng là một trị số tốc độ của độngcơ

- CK2 cuộn phản hồi dương dòng điện của động cơ Đ (cũng là dòngđiện của máy phát F)

- CK3 cuộn phản hồi âm điện áp động cơ (cũng là điện áp máy phát)

- CK4 cuộn kích từ của MKĐ

Sức từ động sinh ra trong các cuộn CK1, CK2, CK4 là cùng chiều nhaucòn S.t.đ của cuộn CK3 có chiều ngược lại S.t.đ tổng kích từ của MKĐ sẽlà:

FΣ = F1+ F2 − F3+ F4

(….)Trong đó giá trị chủ yếu do F1 quyết định

 Khi S.t.đ tổng FΣ của MKĐ thay đổi sẽ làm s.đ.đ của nó phát ra

thay đổi, dẫn tới thay đổi dòng kích từ máy phát F do đó s.đ.đ EF và tốc độđộng cơ ω Đ thay đổi Sự thay đổi này tuỳ thuộc vào giá trị Uđ đặt vào cuộn

chủ đạo CK1

 Hai cuộn phản hồi dương dòng điện CK2 và âm điện áp CK3 có tácdụng nâng cao độ cứng của đặc tính cơ, do đó nâng cao ổn định tốc độ của hệthống khi tải của động cơ biến động

Giả sử mômen tải (momen cản MC) tăng làm tốc độ động cơ tụt thấp thìdòng điện phần ứng động cơ Iư và máy phát IF tăng, điện áp máy phát UF

giảm xuống (UĐ giảm) Tương ứng điều đó s.đ.đ F2 tăng (do phản hồi dươngdòng điện) và F3 giảm (do phản hồi âm điện áp), dẫn tới s.t.đ tổng FΣ theo

biểu thức (…)tăng lên Khi s.t.đ tổng FΣ tăng thì s.đ.đ của MKĐ tăng,

Hình 8 : Hệ F-Đ có máy điện khuếch đại tự kích từ với khâu phản hồi âm tốc độ

kích từ φF tăng, U

F tăng Điện áp đặt vào phần ứng động cơ tăng lên sẽ kéotốc độ động cơ tăng lên lấy lại tốc độ cũ

Khi phụ tải động cơ giảm thì quá trình diễn biến ngược lại

Như vậy, muốn tốc độ động cơ ổn định ( ω Đ = const), cần phải điều

chỉnh sao cho (F2 – F3) tỉ lệ với ω Đ Phản hồi dương dòng điện và phản hồi

âm điện áp tương đương với phản hồi âm tốc độ (Hình 8)

 Dùng phản hồi âm tốc độ nhờ một máy phát tốc FT có điện áp phát ra

tỷ lệ với tốc độ quay của nó Máy phát FT nối cứng đồng trục với trục quaycủa động cơ nên điện áp phát ra sẽ tỷ lệ với chính tốc độ động cơ ω Đ.

Lượng phản hồi được quy định bởi vị trí con chạy của chiết áp R2

Quá trình ổn tốc nhờ phản hồi tốc độ động cơ tăng (giảm) sẽ làm s.t.đ.tổng FΣ giảm (tăng): FΣ = F

 Cuộn kích từ CK4 đảm bảo cưỡng bức kích từ máy phát MKĐ khi mởmáy để s.đ.đ của nó tăng lên nhanh chóng, do đó tăng nhanh kích từ máy phát

F và s.đ.đ của máy phát cũng tăng nhanh theo, rút ngắn thời gian quá độ làthời gian tăng tốc của động cơ

Quá trình cưỡng bức kích từ của máy phát MKĐ có thể giải thích nhưsau: Lúc bắt đầu mở máy, do chưa có điện áp máy phát MKĐ nên UMKĐ ¿

Hình 9: Nguyên lý cấu tạo của máy điện khuếch đại từ trường ngang

0, UF = UĐ ¿ 0 và các s.t.đ F3 ¿ 0, F4 ¿ 0 Tác dụng áp đảo của s.t.đ.chủ đạo F1 làm s.t.đ tổng FΣ lớn FΣ lớn còn do I

Cùng với quá trình tăng tốc, dòng Iư làm giảm s.t.đ F2 giảm và điện áp

UF tăng làm s.t.đ F3 tăng dẫn đến tính chất cưỡng bức giảm dần vì FΣ

giảm dần Quá trình cưỡng bức kết thúc nhờ phản hồi âm áp ở một giá trị nào

đó của điện áp UF ứng với tốc độ ω Đ đã đặt qua chiết áp R1.

b) Hệ máy điện khuếch đại từ trường ngang - động cơ (MKĐN - Đ).

* Máy điện khuếch đại từ trường ngang (MKĐN) về thực chất cũng là mộtmáy phát điện một chiều nhưng có cấu tạo đặc biệt

- Stato có nhiều cuộn kích từ trong đó có cuộn chủ đạo, các cuộn phản

hồi và luôn có cuộn bù

- Rôto có 4 chổi than 1 và 2 nối ngắn mạch với nhau gọi là cặp chổi than

ngang trục Cặp chổi than 3 và 4 là cặp chổi than dọc trục, cấp điện áp

ra của máy điện khuyếch đại từ trường ngang MKĐN

Về nguyên lý có thể coi MKĐN tương đương với 2 máy phát điện nốitầng với nhau thành 2 cấp khuếch đại như mạch đẳng trị (hệ số khuếch đại k =

k1 k2 có thể tới hàng vạn) Do có hệ số khuếch đại lớn nên MKĐN được dùngnhiều trong các hệ truyền động để điều chỉnh tốc đôh động cơ một chiều trongmột phạm vi rộng với độ ổn định tốc độ cao và quán tính điện từ nhỏ

* Sơ đồ nguyên lý hệ máy điện khuếch đại từ trường ngang - động cơ(MKĐN - Đ) dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ Đ qua điều chỉnh điện ápđặt vào phần ứng động cơ (hình vẽ 10)

Kích từ cho MKĐN gồm có 4 cuộn:

- CK1: cuộn chủ đạo hay cuộn điều khiển

- CK2: cuộn phản hồi dương dòng điện

- CK3: cuộn phản hồi âm điện áp

- CK4: cuộn phản hồi mềm hay cuộn ổn định

lại hạn chế sự cưỡng bức (vì FΣ bị giảm do F

3 tăng theo UMĐKĐN) và cuốicùng kết thúc quá trình cưỡng bức kích từ

 Cuộn phản hồi âm điện áp CK3 còn cùng với cuộn phản hồi dươngdòng điện CK2 để ổn định tốc độ động cơ

 Cuộn phản hồi mềm hay cuộn ổn định CK4 liên hệ với điện áp phát

ra của MKĐN (cũng là điện áp đặt vào phần ứng động cơ Đ) qua biến áp ổnđịnh BA Nếu điện áp UMKĐN ổn định thì máy biến áp không làm việc (vì từthông trong lõi từ BA không biến thiên) và s.t.đ của CK4 = 0 (F4 =0 ) Khi

R3CB

 Hai khâu phản hồi dương dòng điện và phản hồi âm điện áp có thểthay bằng khâu phản hồi âm tốc độ

ứng hoặc thay đổi điện áp đặt vào phần cảm của động cơ thông qua các bộ

BĐ chỉnh lưu dùng Thyristor Hình11 là sơ đồ khối của một hệ truyền động T

- Đ

Hệ có thay đổi tốc độ và đảo chiều quay của động cơ Việc đảo chiềuquay được thực hiện bằng cách đảo chiều dòng điện kích từ IKT qua 2 bộchỉnh lưu ba pha có điều khiển CL1 và CL2 được nối theo sơ đồ hình tia hayhình cầu Cũng có thể dùng một bộ chỉnh lưu có điều khiển với các phươngpháp đảo cực tính đầu ra bằng các tiếp điểm của rơle thay cho 2 bộ chỉnh lưu

CL1 và CL2

Khi công suất kích từ nhỏ, có thể thay các bộ chỉnh lưu 3 pha CL1 và

CL2 bằng các bộ chỉnh lưu Thyristor 1 pha

Hình 12: Hệ T - Đ đảo chiều quay nhờ đảo chiều điện áp phần ứng

Phương pháp đảo chiều quay bằng từ thông có một số hạn chế do cuộncảm có hệ số tự cảm lớn, làm tăng thời gian đảo chiều… Khi dùng phươngpháp đảo chiều quay nhở đảo chiều dòng điện phần ứng thì sơ đồ khối nhưhình 12

Động cơ Đ được điều chỉnh tốc độ qua 2 vùng :

- Vùng dưới tốc độ cơ bản: Nhờ thay đổi điện áp đặt vào phần ứng

động cơ qua bộ chỉnh lưu 3 pha có điều khiển CL1 (khi quay thuận) hoặc CL2

(khi quay ngược) Điện áp thay đổi luôn nhỏ hơn giá trị định mức Uđm còn từthông là định mức φ đm.

- Vùng trên tốc độ cơ bản: Nhờ thay đổi dòng điện kích từ (tức là thay

đổi từ thông) xuống dưới giá trị định mức qua bộ chỉnh lưu có điều khiển

CL3

*) Đặc tính cơ của hệ T - Đ.

Trong hệ T - Đ, nguồn cấp cho phần ứng động cơ là bộ CL thyristor.Dòng điện chỉnh lưu cũng chính là dòng điện phần ứng động cơ Tương tựnhư hệ truyền động F - Đ, ta có phương trình đặc tính cơ cho hệ T - Đ ở chế

Trong đó Σ Rư là tổng trở toàn mạch phần ứng động cơ (gồm: điện

trở phần ứng động cơ và điện trở các phần tử trong mạch nối tiếp với phầnứng động cơ)

Họ đặc tính cơ của hệ thống trong trường hợp này (như trên hình 13)khi điều chỉnh ở vùng dưới tốc độ cơ bản

Các đặc tính cơ của hệ thống truyền động T - Đ mềm hơn các đặc tính

cơ của hệ F - Đ vì có sụt áp do hiện tượng chuyển mạch giữa các Thyristor

Góc mở α càng lớn thì điện áp đặt vào phần ứng động cơ càng nhỏ.Khi đó, đặc tính cơ hạ thấp và ứng với một mômen cản MC nào đó, tốc độđộng cơ giảm ( ω A > ω B > ω C)

Lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ: khi phụ tải nhỏ thì các đặc tính cơ

có độ dốc lớn (phần nằm trong vùng gạch chéo) Đoa là vùng dòng điện giánđoạn Góc α càng lớn (khi điều chỉnh sâu) thì vùng dòng điện gián đoạncàng rộng và việc điều chỉnh tốc độ gặp nhiều khó khăn hơn Vùng dòng điệngián đoạn có dạng elip

Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha hình tia (p = 3) có vùng gián đoạn rộng hơn sovới sơ đồ chỉnh lưu 3 pha hình cầu (p = 6) Vùng dòng điện gián đoạn càngthu hẹp khi tăng p và tăng độ tự cảm L của mạch phần ứng Song, khi tăng sốxung p thì mạch lực chỉnh lưu cũng tăng độ phức tạp và cả mạch điều khiểncũng phức tạp hơn Còn khi tăng trị số L sẽ dẫn tới làm xấu quá trình quá độ(tăng thời gian quá độ) và làm tăng trọng lượng, kích thước của hệ thống

Tốc độ không tải lý tưởng tuỳ thuộc vào góc điều khiển α :

ω0= Ε0cos α

kφφD

Tuy nhiên ω0 ở đây chỉ là giao điểm của trục tung với đoạn thẳng

của đặc tính cơ kéo dài Thực tế, do có vùng dòng điện gián đoạn nên tốc độkhông tải lý tưởng của đặc tính là lớn hơn

*) Nhận xét

Hệ thống T - Đ có khả năng điều chỉnh trơn ( ϕ ≈ 1 ) với phạm vi điều

chỉnh rộng (D ¿ 102 ¿ 103) Hệ có độ tin cậy cao, quán tính nhỏ , hiệusuất lớn không gây ồn

Nhược điểm của hệ T - Đ là trị số cos ϕ thấp, nhất là khi điều chỉnhsâu Dòng điện chỉnh lưu có biên độ đập mạch cao, gây ra hao tổn phụ trongđộng cơ và có thể làm xấu dạng điện áp nguồn

- Sơ đồ chỉnh lưu kép cầu một pha mắc song song ngược.

- Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha mắc song song ngược

- Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha mắc song song ngược

Để chọn được sơ đồ chỉnh lưu hợp lý cho mạch động lực, ta phải xétđến từng ưu nhược điểm của từng sơ đồ chỉnh lưu trên

- Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha có ưu điểm là tiết kiệm số van điềukhiển nhất, do đó có tính kinh tế nhất Đồng thời cũng có sụt áp và tổn thấtcông suất do trùng dẫn ít nhất Tuy nhiên dạng điện áp đầu ra xấu hơn nênthường được áp dụng với những động cơ công suất vừa và nhỏ, đòi hỏi chấtlượng không cao lắm

- Sơ đồ hình tia 3 pha có ưu điểm là đơn giản số van ít hơn hình cầucho dòng qua van vừa phải có sụt áp và tổn thất công suất ít hơn hình cầu tổnthất do trùng dẫn cũng ít hơn Nhưng sơ đồ hình tia có dạng điện áp ra xấuhơn hình cầu Công suất của bộ biến đổi này nhỏ hơn hình cầu

- Sơ đồ hình cầu có ưu điểm là dòng qua các van chỉnh lưu nhỏ, ít bịquá dòng, điện áp ra của sơ đồ bằng phẳng hơn các sơ đồ khác, cuộn khánglọc nhỏ hơn sơ đồ hình tia và hệ dùng được với công suất lớn Nhưng sơ đồhình cầu số van lớn hệ thống đảo chiều phức tạp giá thành cao

- Qua so sánh các ưu nhuợc điểm sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 1 pha, hìnhtia 3 pha và hình cầu 3 pha ta chọn mạch động lực cho hệ truyền động máy

BG có công suất Pđm = 19 KW là sơ đồ hình tia 3 pha vì nó đảm bảo tínhkinh tế mà vẫn đáp ứng được các yêu cầu công nghệ của máy bào giường.

*) Sơ đồ mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha như sau :

Trong đó:

- BA là máy biến áp 3 pha dùng để cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu

- Các tiristor T1, T2, T3 dùng để biến điện áp xoay chiều 3 phabên thứ cấp máy biến áp BA là các ua, ub, uc thành điện áp một chiềutrên tải ud

- Rd, Ld, Ed là các phần tử phụ tải của bộ chỉnh lưu

- iA, iB, iC là dòng các pha cuộn sơ cấp BA

- iT1, iT2, iT3 là dòng các van chỉnh lưu

- id là dòng chỉnh lưu

*) Nguyên lý hoạt động:

Giả thiết Ld = ∞ , cho sơ đồ làm việc với một góc điều khiển bằng

α và cũng giả thiết sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm bắt đầu xét (

bị đặt điện áp ngược nên van khoá lại,Van T2 thì vẫn khoá,do vậy trongkhoảng tiếp sau α thì trong sơ đồ chỉ có van T1 dẫn dòng,khi T1 dẫn dòngthì :

Đến ω t = π thì Ua = 0 và sau đó chuyển sang âm nhưng T2 cònchưa mở nên T1 vẫn tiếp tục làm việc nhờ suất điện động tự cảm Ld (ở đây

tự giai đoạn ω t =2 π ¿ ω t =v4 lại nằm trong giai đoạn ω t =v3 ¿

ω t =v4 :Van T3 dẫn dòng ,điều này hoàn toàn phù hợp với giải thiết banđầu

1.2 Chọn phương pháp đảo chiều:

Do chỉnh lưu Thyristor dẫn dòng theo một chiều và chỉ điều khiểnđược khi mở, còn khoá theo điện áp lưới cho nên hệ truyền động van thựchiện đảo chiều khó khăn và phức tạp, cấu tạo mạch động lực và mạch điềukhiển hệ T-Đ đảo chiều yêu cầu an toàn cao và có Lôgic điều khiển chặtchẽ để làm được điều đó ta có hai phưong pháp đảo chiều sau:

- Giữ nguyên dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ phươngpháp đảo chiều này không thích hợp với máy bào giường vì thời gian đảochiều lâu, thời gian quá độ lớn, khi đảo chiều dòng Iư lớn sinh ra tia lửa điệntrên chổi than và vành góp làm giảm tuổi thọ của máy điện

- Giữ nguyên dòng kích từ và đảo chiều phần ứng với phương phápnày người ta có một số cách đảo chiều như sau;

+ Đảo chiều phần ứng bằng công tắc tơ chuyển mạch loại này quá trìnhđảo chiều lâu đảo chiều với tần số thấp và do sử dụng công tắc tơ nên khiđảo chiều sẽ sinh ra hồ quang

+Đảo chiều phần ứng bằng 2 sơ đồ chỉnh lưu đấu song song ngượcphương pháp này đảo chiều được với tần số lớn phù hợp với loại có công suấtlớn, thời gian quá độ do đảo chiều nhỏ

Qua phân tích các phương pháp đảo chiều để phù hợp với yêu cầu truyềnđộng chính của máy baò giường ta chọn phương pháp dùng 2 sơ đồ đấu songsong ngược

1.3 Chọn phương pháp điều khiển cho BBĐ đảo dòng:

Để điều khiển được BBĐ này người ta sử dụng 2 phương pháp điều khiểnđảo chiều sau :

để thực hiện hãm tái sinh sau đó  < 900 và thực hiện quá trình đảo chiều.

+

- Phương pháp điều khiển chung: Cả 2 tổ van đều có xung mở, một tổ van

ở trạng thái tác dụng có trao đổi năng lượng với động cơ điện, còn tổ kia ởtrạng thái đợi Trong phương pháp điều khiển chung có 2 cách :

+ Điều khiển chung tuyến tính: Khi đó ta có 1 + 2 = 1800 có nghiã là tagiữ cho tổng số góc mở 2 BBĐ bằng 1800 nếu tăng góc mở của BBĐ1 thìgiảm góc mở của BBĐ2 nhờ đó ta giữ được SĐĐ tổng SĐĐ tổng trongmạch nguồn từ BBĐ1 đến BBĐ2 là : Eb = Eb1 + Eb2 = 0 và dòng khép kínqua bộ biến đổi là dòng cân bằng Icb= Eb / Rb = 0 nghĩa là không có sự traođổi năng lượng giữa các tổ van

+ Điều khiển chung phi tuyến 1+2= +  ( là góc không phù hợp) vàđược chọn theo yêu cầu đặc tính tĩnh của hệ thống Do có dòng cân bằng nêntiêu tán năng lượng vô ích cho nên phải sử dụng cuộn kháng cân bằng vàphương pháp này có ưu điểm là không có thời gian trễ khi đảo chiều nên đảochiều nhanh với tần số lớn đặc tính tĩnh tốt

Do việc phân tích và chọn mạch động lực là sơ đồ hình tia 3 pha mắcsong song ngược, nên để thuận tiện ta chọn phương pháp đảo chiều điện ápđặt vào phần ứng động cơ và khống chế theo nguyên tắc hỗn hợp (phụ thuộctuyến tính) Do yêu cầu công nghệ của máy bào giường đảo chiều nhanhchính xác, với tần số cao cho nên phương pháp này có thời gian đảo chiềunhanh.

1 4 Mạch động lực :

Qua quá trình phân tích và chọn mạch động lực cũng như phương phápđiều khiển ta có sơ đồ mạch động lực như hình dưới:

a Giới thiệu sơ đồ:

Nguồn điện áp 3 pha được cung cấp cho máy biến áp 3 pha nhằm mụcđích tạo ra nguồn điện thích hợp cho BBĐ

- AB áp tômát phía sơ cấp mba

- BA: biến áp nguồn nối Y-Y có nhiệm vụ:

+ Để tạo điện áp phù hợp với BBĐ

+ Cách ly với điện giữa lưới điện xoay chiều và động lực mạch chỉnh lưu + Hạn chế tăng tốc độ của dòng qua van khi mở van (bảo vệ quá di/dt cho van).+ Hạn chế quá áp từ bên ngoài truyền vào BBĐ

-T1  T3: 12 tiristo làm nhiệm vụ chỉnh lưu

+ T1, T3, T5: thuộc BBĐ cung cấp điện áp cho động cơ quay thuận

+ T2, T4, T6: thuộc BBĐ cung cấp điện áp cho động cơ quay ngược

- Đ là động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

b Hoạt động của sơ đồ :

Sơ đồ gồm 2 BBĐ đấu song song ngược với nhau Từng BBĐ có thểlàm việc ở chế độ chỉnh lưu hoặc nghịch lưu Giả sử 1 là góc mở đối với bộthuận, 2 là góc mở với bộ ngược thì 1 + 2 = 1800 (sự phối hợp tuyến tính) Giả sử ta cho động cơ quay thuận thì BBĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu

 1 = 0  900 ; Ud1 > 0 và 2 > 900 BBĐ2 làm việc ở chế độ nghịch lưu

Ud1 = U0 Cos 1 > 0 Ud2 = U0 Cos 2 < 0

Cả 2 điện áp này đều đặt lên phần ứng động cơ và khi này động cơ quaythuận ( các thyiristo bộ ngược không cho dòng chảy qua từ Katốt đến Anốt)

0

A B C AB1

Khi 1 = 2 = 900 động cơ làm việc ở trạng thái dừng

Ví dụ:

Ta cho động cơ làm việc ở chế độ thuận với 1 = 600, 2 = 1200 thì ta có :

Ud1 = 1/2U0 ; Ud2 = - 1/2U0 khi đó điện áp đặt lên động cơ sẽ là :

Ud = (Ud1 - Ud2 )/2 = Ud0 Cos 1  Động cơ sẽ quay thuận

Giản đồ điện áp như hình vẽ:

- Biểu thức điện áp cân bằng được xác định như sau :

Umd là biên độ của điện áp dây

Giá trị cực đại của dòng cân bằng : ICBm = Umd / (2lCB)

Giá trị trung bình của dòng cân bằng :

+ Khi 600  1  00 và khi 900  1 > 600

Với (2/3 -1)  t  (-2/3 +1)

2 Thiết kế mạch Điều khiển.

Như ta đã biết để cho các van của 2 BBĐ mở tại thời điểm mong muốn tacần phải có mạch điện phát ra các xung điều khiển đưa đến mở các tiristo tạicác thời điểm yêu cầu như : biên độ, tần số, công suất và thời gian tồn tại để

mở chắc chắn các van với mọi tải mà sơ đồ gặp phải khi làm việc để làmđược điều đó ta phải đi thiết kế mạch phát xung điều khiển

2.1 Chọn phương pháp phát xung:

Với mạch động lực như đã chọn ở phần trước để đáp ứng được yêu cầuđiều khiển các tiristo của bộ biến đổi người ta có 3 phương pháp phát xungđiều khiển như sau:

- Phương pháp điều khiển theo pha ngang: phương pháp này có ưu điểm là

có mạch phát xung điều khiển đơn giản nhưng có 1 số nhược điểm là phạm viđiều khiển góc mở  không rộng Rất nhạy với sự thay đổi của điện áp nguồn

và khó tổng hợp tín hiệu điều khiển Do những nhược điểm này mà hệ thốngphát xung điều khiển theo phương pháp pha ngang không phù hợp với yêucầu công nghệ của truyền động bàn Máy Bào Giường