Thiết kế hệ thống truyền động Van- Động cơ một chiều không đảo chiều quay

Thiết kế hệ thống truyền động Van- Động cơ một chiều không đảo chiều quay

Lời nói đầu

Trong công cuộc công nghiệp hoá vμ hiện đại hoá hiện nay, ngμnh tự động hoá đóng một vai trò hết sức quan trọng Ngμy nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, đặc biệt lμ ngμnh điện tử công suất Với việc phát minh ra các linh kiện bán dẫn đã vμ đang ngμy cμng đáp ứng được các yêu cầu của các hệ thống truyền động Ưu điểm của việc sử dụng các linh kiện bán dẫn mμ lμm cho hệ thống trở nên gọn nhẹ hơn, giá thμnh thấp hơn vμ có độ chính xác tác động cao hơn Với nhu cầu sản suất vμ tiêu dùng như hiện nay, thì việc tự động hoá cho xí nghiệp trong đó sử dụng các linh kiện gọn nhẹ lμ một nhu cầu hết sức cấp thiết

Để áp dụng lý thuyết với thực tế trong học kỳ nμy chúng em đợc giao đồ án

môn học tổng hợp hệ điện cơ với yêu cầu “Thiết kế hệ thống truyền động Van -

Động cơ một chiều không đảo chiều quay”

Với sự nỗ lực của bản thân vμ sự giúp đỡ tận tình của cô giáo hướng dẫn:

Nguyễn Thị Mai Hương vμ các thầy cô giáo trong bộ môn, đến nay đồ án của

em đã được hoμn thμnh

Do kiến thức chuyên môn còn hạn chế, các tμi liệu tham khảo có hạn, nên

đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong đợc sự chỉ bảo, góp ý của các thầy, cô giáo cùng các bạn để bản đồ án của em được hoμn thiện hơn Em xin chân thμnh cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn, đặc biệt lμ cô Nguyễn Thị Mai Hương đã tận tình giúp đỡ em để bản thiết kế hoμn thμnh đúng thời hạn

Sinh viên thiết kế

Trần Minh Công

Phần I Phân tích lựa chọn phương án truyền động điện

I Đặt vấn đề :

Trong sản xuất giỏ trị, chất lượng và năng suất của sản phẩm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Một trong những yếu tố đú là dõy truyền sản xuất, dõy truyền càng hiện đại thỡ hệ thống càng phức tạp Bất kỳ một dõy truyền sản xuất nào cũng cú cỏc bộ phận truyền động, nú cú thể được tạo ra từ sự phối hợp nhiều thiết bị khỏc nhau Ứng với mỗi một cụng nghệ yờu cầu cú thể đưa ra rất nhiều phương ỏn truyền động khỏc nhau Vỡ vậy vấn đề đặt ra phải phõn tớch và lựa chọn một phương ỏn tối ưu nhất Một phương ỏn truyền động được gọi là tối ưu khi sử dụng hợp lý cỏc thiết bị và khai thỏc tối đa khả năng của chỳng đỏp ứng được cỏc yờu cầu kỹ thuật ở quỏ trỡnh xỏc lập và quỏ trỡnh quỏ độ đồng thời phải đỏp ứng được chỉ tiờu về kinh tế (chi phớ đầu tư, chất lượng và năng suất sản phẩm…) Hiện nay hầu hết cỏc cụng nghệ đều sử dụng cỏc động cơ điện làm truyền động

I.1 Chọn động cơ điện

Động cơ là một phần tử rất quan trọng trong dõy truyền truyền sản xuất, thường xuyờn phải làm việc với nhiều trạng thỏi như là khởi động (quỏ trỡnh quỏ độ), trạng thỏi quỏ tải, trạng thỏi hóm Hiện nay chia ra làm hai loại động cơ chớnh là :

+ Động cơ điện xoay chiều

+ Động cơ điện 1 chiều

I.1.1 Động cơ điện xoay chiều

2 nm

2 ' 2 1 1

' 2

2 f

X s

R r s ω

R U 3 M

Trong đó :

Uf : Điện áp pha đặt vào stato của động cơ

Xnm: Điện kháng ngắn mạch (Xnm =X1+X’2)

r1,X1 : Điện trở và điện kháng mạch rô to

R2’ ,X’2 : Điện trở và điện kháng rô to đã quy đổi về phía stato

ω1 : Tốc độ không đồng bộ

P

πf 2

s= −

ω : là tốc độ làm việc của động cơ

Hình 1.1:Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ ĐC không đồng bộ

Thông thường ta hay sét phương trình đặc tính cơ như hình 1 có giá trị sth và

Mth xác định như sau:

ω2

f1

f2 f3

th

th th

S a 2 S

S S S

) S a (1 M 2 M

+ +

+

=

2 mm

2 1

' 2 th

X r

R S

th

S ω

M

β = −

2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ

a Phương pháp điều chỉnh tần số nguồn (f1)

Với sự ra đời của các bộ biến tần kiểu mới có thể thay đổi tần số điện áp ra 3 pha rất linh hoạt nên hiện nay nhiều công nghệ đã sử dụng phương pháp này để điều chỉnh tốc độ động cơ truyền động Điều này được thực hiện trên nguyên tắc sau : từ công thức

P

πf 2

1 = − vầ

1 nm

2 2 th

f πL 8

U P 3

Đặc tính cơ thay đổi tần số (hình1 2)

Hình 1.2 Đặc tính cơ khi thay đổi tần số

U 3 M

2 nm

2 1 1 1

1

2 f th

+ +

=

2 mm

2 1

' 2 th

X r

R S

Nhận xét :

Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ không đồng bộ thường có hệ số trượt tới hạn nhỏ nên không thực hiện điều chỉnh cho động cơ rô to lồng sóc Còn khi thực hiện cho động cơ rô to dây quấn cần nối thêm điện trở phụ vào mạch rô to để mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và mô men

- Đối với phương pháp này cần phải thiết kế thêm bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều

- Khi điện áp đặt vào phần ứng động cơ giảm Mth giảm trong khi đó giữ nguyên

f1 =const khi giảm điện áp thì độ cứng β giảm nên độ sụt tốc độ lớn làm tốc độ động cơ không ổn định khi tăng tải đột ngột đồng thời mô men khởi động và mô men tới hạn giảm dẫn đến trường hợp không thể khởi động được

- Phương pháp này có thể được ứng dụng cho các động cơ có công suất lớn khi yêu cầu dòng điện khởi động nhỏ

c Phương pháp thay đổi số đôi cực (P)

X

R

S = =const do đó độ cứng đặc tính cơ β không đổi

Đặc tính cơ khi thay đổi số đôi cực (hình 1.4)

Hình 1.4 Đặc tính cơ Khi thay đổi số đôi cực P

độ

d.Phương pháp đưa điện trở phụ vào mạch rô to (đối với động cơ rô to dâyquấn)

) X r (r ω 2

U 3 M

2 nm

2 1 1 1

1

2 f th

+ +

2 mm

2 1

' 2 th

X r

R S

+

th 1

th

S ω

U 3 M

2 nm

2 1 1 1

1

2 f th

+ +

2 mm

2 1

' 2 th

X r

R S

+

th 1

th

S ω

M

β = −Khi đưa điện trở phụ và điện kháng phụ vào mạch stato động cơ ta thấy Độ cứng đặc tính cơ giảm ,Mth và Sth đều giảm

Đặc tính cơ (Hình 1.6)

Hình 1.6 Đặc tính cơ động cơ rô to lồng sóc khi đưa R f và X f vào mạch stato

M 0

Nhận xét :

- Phương pháp này áp dụng cho động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc có công xuất trung bình và lớn khi yêu cầu cần giảm dòng điện khở động tuy nhiên sẽ kéo theo mô men khởi động cũng nhỏ

- Khi cần tạo ra đặc tính cơ có mô men khởi động là Mnm thì đặc tính cơ khi đưa

Xf vào cứng hơn khi đưa Rf Điều này chứng tỏ tổn hao năng lượng khi đưa điện trở vào mạch stato là lớn

2 Động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong những truyền động công suất trung bình và lớn, có yêu cầu ổn định tốc độ cao Động cơ đồng bộ thường dùng cho máy bơm quạt gió ,hệ truyền động trong nhà máy luyện kim và cũng thường dùng làm động cơ sơ cấp trong các tổ máy phát -Động cơ công suất lớn

- Động cơ đồng bộ có độ ổn định tốc độ cao hệ số cosφ và hiệu suất lớn ,vận hành tin cậy

a Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ (hình 1.7)

Hình 1.7 sơ đồ nguyên lý và đặc tính sơ đồng bộ

- Trong phạm vi mô men cho phép M<Mmax thì đặc tính cơ tuyệt đối cứng β = ∞còn khi M >Mmax thì động cơ sẽ bị mất đồng bộ

- Động cơ này là việc động cơ tốc độ gặp khó khăn do chỉ có phương pháp duy nhất là biến tần nguồn điện Tuy nhiên, do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử thì nhược điểm này đã được khắc phục bằng các bộ biến tần công nghiệp của các hãng sản xuất thiết bị điện tử công nghiệp nổi tiếng trên thế giới như SIEMENT( Đức ), OMRON (Pháp) v.v nhưng do giá thành còn cao và hầu hết các công nghệ hiện nay chưa có hệ thống truyền động thích hợp với loại động cơ này vì vậy mà động cơ đồng bộ chưa thông dụng ở nước ta

I.1.2 Động cơ một chiều

Động cơ một chiều được ra đời rất sớm và cơ sở lý thuyết về loại động cơ này

đã được hoàn thiện ,Hiện nay nó chiếm 70 % trong các hệ truyền động từ công suất nhỏ đến công suất lớn Tuỳ thuộc vào yêu cầu hệ truyền động mà động cơ một chiều có cuộn kích từ mắc nối tiếp hay song song với phần ứng nên chia làm hai loại động cơ một chiều :

+Động cơ một chiều kích từ độc lập +Động cơ một chiều kích từ nối tiếp +Động cơ một chiều hỗn hợp

I ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ NỐI TIẾP

Đặc điểm của động cơ một chiều kích từ nối tiếp là cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng (hình 1.8), nên cuộn kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít, chế tạo dễ dàng

I K

R R K

Uu u f

φ

+

− φ

= ω

Hình 1.8.b) Đặc tính tính từ hoá của động cơ một chiều kích từ nối tiếp

c) Đặc tính cơ của một động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

trong công thức từ thông phụ thuộc vào dòng điện kích từ chính là dòng điện phần ứng (Ikt =Iư) quan hệ giữa từ thông và dòng điện là quan hệ phi tuyến theo đường cong từ hoá do đó để đơn giản cho việc tính toán ta tuyến tính hoá đoạn đường cong để Φ =f(Ikt) là quan hệ tuyến tính khi đó Φ = C.I mà ta có :

A C K

R R M C K

- Mô men động cơ kích từ nối tiếp không phụ thuộc vào sụt áp trên đường dây

- Nhờ có dạng đặc tính cơ hybecbol nên động cơ có khả năng tự điều chỉnh tốc

tải động cơ sẽ quay nhanh hẳn để tăng năng suất máy ngược lại khi tải lớn động

cơ sẽ quay với tốc độ chậm

II Động cơ một chiều kích từ độc lập

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ mắc vào nguồn một chiều độc lập (hình 1.9) (đối nguồn có công suất không đủ lớn) và cũng có thể cuộn kích từ mắc song song với mạch phần ứng (đối nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn)

1 Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Đặc tính cơ của một động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Đặc điểm : Đối với động cơ loại này cuộn kích từ mắc độc lập với phần ứng động cơ nên tiết diện dây nhỏ ,điện trở lớn ,dòng kích từ không phụ thuộc vào tính chất của tải

Phương trình đặc tính cơ :

M ) K (

R R K

U

2 dm

f u dm

u

φ

+

− φ

= ω

Nhận xét:

- Với nguồn một chiều công suất vô cùng lớn thì cuộn dây kích từ mắc song song với phần ứng động cơ có thể được xem là không ảnh hưởng tới điện áp đặt vào phần ứng của động cơ

- Từ thông sinh ra trong động cơ không phụ thuộc vào tính chất của tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ Vì vậy có thể thay đổi từ thông

để điều chỉnh tốc độ

- §ường đặc tính cơ là đường thẳng và động cơ làm việc ổn định khi tốc độ không đổi thì mô men điện từ bằng mô men trên trục động cơ ,điểm làm việc trên đặc tính tương ứng giao điểm đặc tính tải với đặc tính cơ tự nhiên

- Phạm vi điều chỉnh tốc độ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ bền cơ khí kết cấu cơ của máy, khả năng chuyển mạch cổ góp,độ duy trì tốc độ dặt khi có sự dao động của phụ tải tĩnh

- Có đặc tính cơ cứng mô men khởi động lớn có thể điều chỉnh được mô men dùng các phương pháp cưỡng bức như đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng

2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ

a Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

Khi thay đổi điện áp phần ứng Uư=var ,Rư =const ,Φkt =const

Tốc độ không tải lý tưởng:

ω

φ

ox

x dm

U K

= = var

Độ cứng đặc tính cơ:

const R

- Khi thay đổi điện áp phần ứng động cơ phải giữ cho từ thông kích từ không đổi

và định mức

- Ứng với một tải thì độ sụt tốc độ trong toàn dải điều chỉnh là như nhau Sai lệch tốc độ tương đối trên đường đặc tính thấp nhất sẽ lớn nhất

- Dải điều chỉnh rộng và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản

- Phương pháp này cần có bộ nguồn để thay đổi điện áp

b Phương pháp thay đổi từ thông

Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ :

Khi điều chỉnh từ thông ta giữ cho điện áp đặt vào phần ứng động cơ không đổi

và định mức Uđm =const ,Rư =const ,Φkt =var

Tốc độ không tải lý tưởng:

Do cấu tạo động cơ, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông Nên khi từ thông giảm thì ωox tăng, còn β sẽ giảm Ta có đặc tính cơ với ωox tăng dần và độ cứng của đặc tính cơ giảm dần khi giảm từ thông (hình 1.11)

- Khi thay đổi giảm từ thông ta thu được họ đặc tính cơ có tốc độ ω >ω0 và độ dốc càng tăng khi từ thông càng giảm nhỏ Khi từ thông giảm đến một giá trị nào đó thì có thể làm cho khả năng chuyển mạch của cổ góp bị xấu đi, gây hồ quang

- Dải điều chỉnh nhỏ và thường điều chỉnh trên tốc độ cơ bản

- Khi tốc độ tăng làm cho truyền động mất ổn định

- Giảm mô men khởi động, ít tổn hao do điều chỉnh, kinh tế

Như vậy điều chỉnh từ thông chỉ phù hợp với loại truyền động khi cần tăng tốc

độ lớn hơn tốc độ định mức Vì vậy ta cũng loại bỏ phương pháp này

c Phương pháp đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng động cơ

Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng.(Uđm =const ,Φkt định mức ,R=var)

Tốc độ không tải lý tưởng: ω

φ

K

dm dm

- Phương pháp này có độ sụt tốc độ lớn khi điều chỉnh hay điều chỉnh có cấp, độ trơn điều chỉnh lớn

- Mô men khởi động và dòng khởi động giảm nhỏ Khi điện trở phụ đưa vào càng lớn thì đặc tính cơ càng mềm

- Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản

- Phương pháp này gây tổn hao lớn vê mặt năng lượng, làm giảm hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ

- Phương Pháp này dễ dàng thực hiện khi hệ thống không yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ

III Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp

Loại động cơ này có 2 cuộn dây kích từ một cuộn mắc song song ,một mắc nối tiếp với phần ứng động cơ vì vậy nó tận dụng được các ưu điểm của động cơ một chiều kích từ nối tiếp và kích từ độc lập

Nhận xét:

- Đặc tính cơ có dạng trung gian đặc tính cơ động cơ một chiều kích từ độc lập

và đặc tính cơ kích từ nối tiếp

- Từ thông chính của động cơ phụ thuộc vào tính chất của tải

- Đường đặc tính cơ mềm có thể chạy ở tốc độ không tải

- Loại động cơ này có cấu tạo phức tạp và giá thành cao nên ít được sử dụng trong thực tế

Dùng cho các hệ truyền động yếu cầu có công suất trung bình và lớn, yêu cầu độ

ổn định tốc độ cao, hiệu suất và hệ số cosφ cao

b Nhược điểm:

Trong các hệ truyền động công suất nhỏ chế tạo rất khó khăn

3 Động cơ điện một chiều

a.Ưu điểm:

Dải điều chỉnh rộng, điều chỉnh thuận lợi dễ dàng khi thay đổi một trong các thông số vật lý của động cơ, có thể điều chỉnh trơn điều chỉnh vô cấp, mô men khởi động lớn, quá trình khởi động êm, thời gian khởi động nhỏ hệ số quá tải lớn

b Nhược điểm:

Có cấu tạo phức tạp giá thành cao gặp khó khăn trong vận hành, sửa chữa, bảo dưỡng, phải có bộ biến đổi kèm theo làm tăng chi phí đầu tư

I.1.4 Kết luận chọn động cơ truyền động

a Chọn động cơ

Qua phân tích và các nhận xét về các loại động cơ ta thấy mỗi loại động cơ có những ưu điểm riêng cho từng loại phụ tải giá thành và môi trường làm việc Căn cứ vào yêu cầu thiết kế của đề tài thấy động cơ một chiều có nhiều ưu điểm hơn động cơ xoay chiều Vì vậy em chọn động cơ một chiều làm động cơ truyền động

b Chọn kích từ cho động cơ:

Qua phân tích về 3 loại kích từ của động cơ điện một chiều ta thấy loại động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp có kết cấu phức tạp giá thành cao nên ít được sử dụng Kích từ nối tiếp thì cho đặc tính cơ mềm, từ thông phụ thuộc vào dòng điện tải, tiết diện dây lớn, độ ổn định tốc độ kém thay đổi nhanh khi tải thay đổi Kích từ độc lập thì từ thông chính không phụ thuộc vào tải, tiết diện dây kích từ nhỏ, có thể điều chỉnh tăng giảm từ thông theo mong muốn, dải điều chỉnh tốc

độ cao, có thể điều chỉnh trơn Từ sự so sánh tương quan trên em chọn loại kích

từ độc lập

I.1.5 Chọn Phương pháp điều chỉnh tốc độ

Hiện nay trong các nhà máy đều có các hệ truyền động điện để đáp ứng yêu cầu công nghệ từ yêu cầu đơn giản đến phức tạp để nâng cao chất lượng sản phẩm, năng suất lao động chẳng hạn như hệ truyền động máy tiện khi bắt đầu gia công chi tiết thì yêu cầu tốc độ giảm để tránh mẻ dao, khi ra dao yêu cầu di chuyển nhanh để tăng độ nhẵn bề mặt chi tiết và nâng cao năng suất Như đã phân tích

có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ:

+ Thay đổi điện áp phần ứng + Thay đổi từ thông chính + Đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng động cơ Mỗi phương pháp điều chỉnh có những ưu điểm riêng phụ thuộc vào yêu cầu công nghệ mà chọn phương pháp thích hợp Em quyết định chọn phương án

điều tốc độ dưới tốc độ cơ bản bằng cách thay đổi điện áp phần ứng đặt vào động cơ

I.2 Chọn Bộ biến đổi điện áp

Bộ biến đổi điện áp có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều cấp cho phần ứng của động cơ Hiện nay người ta thường sử dụng các bộ biến đổi sau:

Nhược điểm lớn nhất của hệ F - Đ là dùng nhiều máy điện quay trong đó ít nhất

là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp 3 lần công suất động cơ chấp hành Ngoài ra các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ nên khó khăn điều chỉnh sâu tốc độ

- Bộ biến đổi van động cơ có nhiều ưu điểm như: Các van đều làm từ những linh kiện bán dẫn điện tử đơn giản nên sơ đồ đơn giản, gọn nhẹ, không gây ồn, chi phí thấp, hiệu suất cao, dễ thực hiện tự động hoá, tác động nhanh, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, điều chỉnh trơn và phù hợp với nhiều loại phụ tải Bên cạnh đó còn có những nhược điểm nhỏ như khả năng chịu quá tải kém nên cần phải có bảo vệ, điện áp ra đập mạch nên cần phải có mạch lọc

Từ nhận xét trên và theo yêu cầu của đề tài em quyết định chọn BBĐ van - động cơ làm hệ truyền động

có thể lμ các máy công cụ trong công nghiệp, hoặc các hệ thống nâng hạ, cẩu

Điện năng cung cấp ở đây có thể lμ dòng 1 chiều hay xoay chiều

Mạch động lực của hệ thống truyền động điện đã cho theo đề tμi lμ hệ thống

van-động cơ bao gồm van-động cơ điện, bộ biến đổi vμ các thiết bị phụ khác

Động cơ điện theo đề tμi lμ động cơ điện một chiều, kích từ độc lập, không

đảo chiều, phạm vi điều chỉnh tốc độ 400/1 với sai lệch tĩnh [St]% = 5%

Phương pháp điều chỉnh tốc độ ta lựa chọn lμ phương pháp thay đổi điện áp đặt vμo phần ứng động cơ Với phương pháp nμy ta có thể điều chỉnh vô cấp tốc độ,

độ bằng phẳng của tốc độ bằng 1, độ dốc đặc tính bằng const, dải điều chỉnh rộng, chỉ tiêu năng lượng được đánh giá tốt, bảo đảm ổn định tốc độ động cơ tốt hơn nhiều so với các phương pháp khác Như vậy vấn đề đặt ra lμ ta phải chọn sơ

đồ bộ biến đổi vμ một số thiết bị phụ cho mạch động lực, mμ chủ yếu lμ bộ biến

Với yêu cầu cụ thể của phụ tải đã cho thì các sơ đồ chỉnh lưu sau có thể đáp ứng được:

1) Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha

2) Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha

3) Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 1 pha bán điều khiển

Tại ωt = α = v1 người ta truyền tín hiệu điều khiển đến T1, van T1 mở nên

uT1 = 0; ud = u21 > 0 D0 bị đặt điện áp ngược nên khoá uD0 = - ud Van T2 vẫn

đang ở trạng thái khoá:

ud = u21; uT1 = 0; uT2 = u22 - u21 = 2u22; iT1 = id =Id; iT2 = 0; iD0 = 0

Đến ωt =π thì u21 = 0 vμ bắt đầu chuyển sang âm còn u22 = 0 vμ bắt đầu chuyển sang dương Từ thời điểm nμy điện áp nguồn tác động ngược chiều dẫn dòng của T1 vμ đặt điện áp thuận lên T2 nhưng T2 chưa mở vì chưa có tín hiệu

điều khiển D0 mở uD0 = 0; uT1 = u21 vμ bắt đầu chuyển sang âm, T1 khoá lại mμ T2 vẫn khoá nên lúc nμy trong sơ đồ chỉ có van D0 dẫn dòng vμ ta có:

ud = 0; uT1 = u21; uT2 = u22 ; iT1 = 0; iT2 = 0; iD0 = id = Id

Tại ωt =ν2=π+α thì T2 có tín hiệu điều khiển vμ được đặt điện áp thuận nên T2 mở uT2 = 0, uD0 = u22 >0 vμ uD0 = -ud = u22 < 0 nên D0 khoá Trong giai đoạn nμy chỉ có van T2 dẫn dòng nên:

ud = u22; uT2 = 0; uT1 = u21 - u22 = 2u21; iT2 = id =Id; iT1 = 0; iD0 = 0

Trong các chu kỳ tiếp theo sơ đồ lại lặp lại trạng thái lμm việc như chu kỳ thứ nhất

* Một số biểu thức:

2/)cos1

)/

(

I

ID0tb = d α π ; ID0 =Id(α/π)

2 max

R R

BA

*

*

Sơ đồ nguyên lý mạch động lực của hệ thống Hoạt động của sơ đồ:

Khi ωt= α cho xung điều khiển mở T1 trong khoảng thời gian ν1ữπ tiristor

T1 vμ điôt D2 cho dòng chảy qua Khi U2 bắt đầu đổi dấu D1 mở ngay, T1 tự nhiên khoá lại, dòng id=Id chuyển từ T1 sang D1 (lúc nμy D2 vẫn cho dòng chảy qua do sức điện động tự cảm trong Ld tạo ra)

D1 vμ D2 cùng cho dòng chảy qua, Ud=0

Khi ωt =ν2=π+α cho xung mở T2 Dòng tải id=Id chảy qua D1 vμ T2 Điốt D2

bị khoá lại Khi U2 bắt đầu đổi dấu D2 mở ngay, T2 tự nhiên khoá lại, dòng id=Idchuyển từ T2 sang D2 (lúc nμy D1 vẫn cho dòng chảy qua do sức điện động tự

Khi ωt =ν3=2π+α cho xung mở T1 quá trình hoạt động của các van tương tự như chu kỳ trước đó

Đồ thị điện áp và dòng điện của mạch chỉnh lưu cầu bán điều khiển

Trong sơ đồ nμy, góc dẫn dòng của Tiristor vμ của điôt không bằng nhau Góc dẫn dòng của điốt lμ λD=π+α, còn góc dẫn dòng của tiristor lμ λT=π-α Giá trị trung bình của điện áp tải:

Ud = 1 ∫ 2U Sin d2 = 2U2 1+

π

của dòng tải

∑

=R

U

dcủa dòng trong tiristor

π

α

ưπ

=θπ

).(

Id.I2

1

d T

của dòng trong điốt

π

α

ưπ

=θπ

= +∫α

).(

Id.I2

1

d T

Giá trị hiệu dụng của dòng chảy trong cuộn dây thứ cấp máy biến áp

π

α

ư

=θπ

= ∫π

α

1IdI

Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha lμ một sơ đồ chỉnh lưu tốt Cho phép sử dụng ở

hệ thống truyền động công suất lớn, chất lượng điện áp ra tốt, điện áp đặt trên van nhỏ hơn một nửa so với điện áp đặt trên mỗi van của sơ đồ chỉnh lưu hình tia

2 pha vμ 3pha do đó dễ chọn van trong tính toán thiết kế, nhưng nhược điển của

nó lμ mạch động lực phức tạp, mạch điều khiển phức tạp, số lượng van nhiều, giá thμnh cao, trong khi yêu cầu của phụ tải mμ đề tải cho không cần chất lượng điện

áp ra quá tốt

Sơ đồ chỉnh lưu hình tia hai pha có D0 lμ sơ đồ đơn giản hơn so với sơ đồ chỉnh lưu hình cầu vμ hình tia 3 pha Để đáp ứng được yêu cầu của phụ tải mμ đề tμi đã cho vμ bảo đảm được tính kinh tế ta chọn sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha có D0 lμ mạch động lực của hệ thống truyền động điện

B Chọn phương pháp h∙m

- Hãm theo phương pháp cơ

- Hãm theo phương pháp điện

Hãm theo phương pháp cơ lμ dùng phanh cơ hoặc phanh điện-cơ,phanh điện cơ thường đặt ở cổ trục động cơ vμ có nhiều kiểu,nhiều loại nhưng nguyên tắc hoạt động chung tương tự nhau.Đó lμ khi cấp điện cho động cơ chạy thì cuộn phanh cũng được cấp điện vμ cổ trục động cơ được nới lỏng Khi cắt điện để

động cơ dừng thì cuộn phanh cũng mất điện vμ cổ trục động cơ bị ép lại

Hãm một hệ TĐĐ nhằm một trong các mục đích sau :

Trạng thái hãm của động cơ lμ trạng thái động cơ sinh ra mômen điện từ ngược với chiều quay mμ rôto dang có

Phanh hãm cơ vμ điện-cơ có má phanh tỳ ép vμo trục động cơ khi phanh.Khi hãm điện, trục động cơ không bị phần tử nμo tỳ vμo cả mμ chỉ có mômen điện từ tác dụng vμo rôto động cơ để cản lại chuyển động quay đó của động cơ

Đối với động cơ 1 chiều KTĐL ta có các phương pháp hãm lμ :

a1 Hãm tái sinh

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải Khi hãm tái sinh Eư>Uư động cơ lμm việc như một máy phát điện song song với lưới So với chế độ động cơ, dòng vμ momen hãm đã đổi chiều vμ được xác định theo biểu thức:

hệ thống lμm việc ổn định với ωođ>ωo

Phương trình đặc tính cơ ở đoạn hãm tái sinh lμ

ω = Uφ ư φK

R

( ) 2.

Đường đặc tính cơ ở trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ 2 vμ thứ

4 của mặt phẳng toạ độ

Trong trạng thái hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều vμ công suất được đưa trả về lưới có giá trị P=(E-U)I Đây lμ phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh ra điện năng hữu ích

* Hãm tái sinh xảy ra trong các trường hợp sau đây :

+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm điện áp nguồn

+ Với tải mang tính chất thế năng, ta tiến hμnh hạ tải bằng cách đảo chiều điện

áp phản ứng.ở đay ta nghiên cứu tải mang tính chất phản kháng nên ta không xét trường hợp nμy

Khi hãm tái sinh không nên đưa điện trở phụ vμo mạch phần ứng vì đưa thêm

điện trở phụ vμo sẽ lμm cho hiệu suất của việc hãm tái sinh giảm đi vμ tốc độ lμm việc khi hãm lớn gây mất an toμn

* Nhận xét :

Hãm tái sinh lμ phương pháp hãm kinh tế nhưng do ta chọn loại bộ biến đổi lμ cầu một pha tức lμ bộ biến đổi đơn Bộ biến đổi đơn khôngcho phép dẫn dòng ngược mμ chỉ cho dẫn dòng theo một chiều nên hệ truyền động của ta không thực hiện được hãm tái sinh

a2 Hãm ngược

Hμm ngược lμ trạng thái máy phát của động cơ, mμ khi rôto của động cơ quay ngược chiều so với chiều quay do cực tính của điện áp nguồn gây ra

Có 2 loại hãm ngược :

+ Hãm đưa điện trở phụ vμo mạch phần ứng

+ Hãm đảo chiều điện áp phần ứng vμ đưa thêm điện trở phụ

Ta đi xét các loại hãm ngược nêu trên :

* Hãm đưa điện trở phụ vμo mạch phần ứng (sử dụng với tải mang tính chất thế năng)

dm

R R U

* Hãm đảo chiều điện áp vμ đưa thêm điện trở phụ vμo mạch phản ứng:

Với kiểu hãm nμy có nhược điểm giống như trường hợp hãm trên nó còn có thêm nhược điểm nữa lμ phải thêm thiết bị cắt điện vμo đúng thời điểm tốc độ

động cơ bằng không (ω=0) nếu không động cơ (Mđc>Mc) sẽ quay ngược lại

sang lμm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở Tại b mô men đã đổi chiều chống lại chiều quay của động cơ nên tốc độ giảm theo đoạn bc, tại c tốc độ bằng không nếu ta cắt phần ứng ra khỏi điện áp nguồn đặt vμo động cơ thì động cơ sẽ dừng lại, còn nếu ta không nếu ta không cắt phần ứng ra khỏi điện áp nguồn đặt vμo động cơ thì tại c (Mo>Mc) động cơ sẽ quay ngược lại vμ lμm việc ổn định tại

Vì vậy cần đưa thêm điện trở Rf đủ lớn vμo mạch phần ứng để hạn chế Ih

Tóm lại hãm ngược bằng phương pháp đảo cực tính đặt vμo phần ứng động cơ nhơ trên dòng điện rất lớn gây tổn thất năng lượng lớn Eư cùng chiều U động cơ lμm việc như một máy phát mắc nối tiếp với lưới Lúc đó nó vừa nhận năng lượng từ lưới điện đồng thời năng lượng điện do nó phát ra đều tiêu tán trên mạch phần ứng dưới dạng nhiệt lμm giảm tuổi thọ động cơ Mặt khác nếu như tốc độ động cơ đã giảm thấp nếu ta không cắt động cơ ra khỏi lưới một cách chính xác thì động cơ sẽ quay ngược lại do đó không phù hợp với yêu cầu công

nghệ

Trong sơ đồ bộ chỉnh lưu tia 2 pha có D0 ta chọn cho hệ thống truyền động không lμm việc ở chế độ nghịch lưu, không có chuyển năng lượng về nguồn do

đó không có hãm tái sinh Mặt khác phụ tải đã cho không đảo chiều, suất điện

động E không đổi chiều vì vậy tốc độ động cơ không đảo chiều Muốn hãm ngược ta phải có các công tắc tơ để thực hiện đảo chiều điện áp, như vậy sẽ rất phức tạp, giá thμnh cao, kích thước lại lớn Mặt khác về mặt năng lượng thì hãm ngược có chỉ tiêu năng lượng xấu nhất, cho nên ta không chọn hãm ngược trong

hệ thống truyền động Vì vậy chỉ còn lại có hãm động năng với ưu điểm lμ đơn giản vμ chỉ tiêu năng lượng hơn ở hãm ngược lμ hợp lý hơn cả cho hệ thống truyền động

* Chọn thiết bị bảo vệ sơ đồ mạch động lực:

1- AB: Aptomat dựng để bảo vệ và đúng cắt mạch điện

2- MBA: Mỏy biến ỏp chỉnh lưu cung cấp điện ỏp phự hợp cho bộ chỉnh lưu, cỏch li về mặt điện giữa nguồn xoay chiều với mạch động lực bộ chỉnh lưu 3- R,C: Cỏc điện trở và điện dung dựng để bảo vệ quỏ gia tốc điện ỏp qua cỏc van

4- CK: Cuộn khỏng san bằng được mắc nối tiếp với mạch động lực để san bằng dũng điện qua phụ tải

5- RH: Điện trở dựng để hóm động năng, làm giảm thời gian hóm và dũng điện hóm cho động cơ

R C

T2

T1

- Nguyên lý hoạt động của mạch h∙m:

Khi hệ thống lμm việc bình thường các tiếp điểm K thường mở đóng, các tiếp

điểm K thường đóng mở nhờ mạch điều khiển qua trình khởi động (ở đây không trình bμy) Khi muốn hãm động cơ ta tiến hμnh ấn nút dừng ở mạch điều khiển Lúc đó các tiếp điểm K trở về trạng thái lμm việc bình thường động cơ được cắt

cấp điện Do quán tính cơ roto động cơ vẫn quay vμ sinh ra một sức điện động E=K.Φ.ω Sức điện động nμy khép mạch qua Rh vμ tiêu tán năng l−ợng -> động cơ đ−ợc hãm Quá trình hãm tốc độ động cơ giảm dần Khi nμo tốc độ động cơ bằng 0 thì quá trình hãm kết thúc

Phần 3

Chọn vμ phân tích mạch điều khiển

III.1 Giới thiệu chung:

Để có điện áp cấp cho động cơ thì các Tiristo cần có các tín hiệu điều khiển; dẫn đến cần có mạch phát xung cấp cho các Tiristo.Để đạt được sự ổn định tốc

độ cμn có phản hồi âm vμ do vậy cần đảm bảo yêu cầu về hệ số khuếch đại nên

ta phải có bộ khuếch đại Ngoμi ra cần có nguồn nuôi các khâu phát xung, khuếch đại Cần có bộ tạo ra điện áp chủ đạo, lấy tín hiệu phản hồi

III.2 Thiết kế mạch phát xung điều khiển sơ đồ chỉnh lưu

III.2.1 Giới thiệu chung:

Ta đã biết để van của bộ chỉnh lưu có thể mở tại các thời điểm mong muốn thì ngoμi điều kiện trên van đó phải có điện áp thuận thì trên điện cực điều khiển vμ katot của van phải có một điện áp điều khiển (mμ thường gọi lμ tín hiệu điều khiển) Để có hệ thống xuất hiện theo đúng yêu cầu mở van người ta sử dụng một mạch điện tạo ra các tín hiệu đó gọi lμ mạch điều khiển hay hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu

- Các xung điều khiển được tính toán về độ dμi xung sao cho đủ thời gian cần thiết (với một độ dự trữ nhất định) để mở van với mọi loại phụ tải có thể có khi sơ đồ lμm việc Thông thường độ dμi xung nằm trong khoảng 200 đến 600 μs

- Các hệ thống phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu hiện nay đang sử dụng có thể phân chia lμm hai nhóm: Nhóm hệ thống điều khiển đồng bộ vμ nhóm hệ thống

điều khiển không đồng bộ Nhóm thứ nhất đang được sử dụng phổ biến hiện nay

vμ ta chỉ nghiên cứu nhóm nμy

Các hệ thống đồng bộ thường sử dụng hiện nay bao gồm:

+ Hệ thống điều khiển theo pha ngang: phương pháp nμy có ưu điểm lμ có mạch phát xung điều khiển đơn giản nhưng có 1 số nhược điểm lμ phạm vi điều khiển góc mở α không rộng Rất nhạy với sự thay đổi của điện áp nguồn vμ khó tổng hợp tín hiệu điều khiển Do những nhược điểm nμy mμ hệ thống phát xung

điều khiển theo phương pháp pha ngang không phù hợp với yêu cầu công nghệ + Phương pháp điều khiển dùng điốt hai cực gốc (Tranzito một tiếp giáp):

Mạch phát xung phương pháp nμy đơn giản nhưng có nhược điểm lμ chỉ phù hợp với hệ thống công suất nhỏ, đảo chiều khó khăn Cho nên trong thực tế ít dùng + Phương pháp điều khiển theo nguyên tắc pha đứng: phương pháp nμy tuy có mạch phát xung phức tạp nhưng đáp ứng được các yêu cầu chỉ tiêu chất lượng

- Độ rộng xung đảm bảo yêu cầu lμm việc

- Tổng hợp tín hiệu dễ dμng

- Góc mở α của tiristor có thể thay đổi được trong khoảng rộng

- Độ dốc sườn trước của xung đảm bảo có hệ số khuyếch đại phù hợp,lμm viẹc tin cậy chính xác với độ nhạy cao

- Có thể điều khiển được hệ có công suất lớn

* Sau đây ta sẽ xây dựng một hệ thống điều khiển theo pha đứng

Sơ đồ khối của mạch tạo xung điều khiển:

- Nguyên tắc thiết kế mạch tạo xung trong các bộ chỉnh lưu: Về nguyên tắc mỗi Tiristor có một kênh Ta sử dụng mạch động lực lμ chỉnh lưu tia 2 pha có D0 thì phải có hai kênh tạo xung, kênh nọ lệch kênh kia 1800

2 Sơ đồ khối mạch điều khiển theo pha đứng

Khối 1: Khối đồng bộ hoá vμ phát sóng răng cưa Khối nμy có nhiệm vụ

lấy tín hiệu đồng bộ hoá vμ phát ra sóng điện áp hình răng cưa để đưa vμo khối

so sánh

Khối 2: Khối so sánh, có nhiệm vụ so sánh giữa tín hiệu điện áp tựa hình

răng cưa với điện áp điều khiển Uđk để phát ra tín hiệu xung điện áp đưa tới mạch tạo xung

Khối 3: Khối tạo xung, có nhiệm vụ tạo ra các xung điều khiển đưa tới

chân điều khiển của Tiristo

III.2.2 Phân tích lựa chọn khâu đồng bộ hoá và tạo sóng răng cưa

a Nhiệm vụ của khối:

Tạo ra hệ thống các xung điện áp có dạng răng cưa xuất hiện lặp đi lặp lại với chu kỳ bằng chu kỳ của điện áp đồng bộ (xoay chiều) cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu Đồng thời điều khiển được thời điểm xuất hiện của chúng trong

Sau đây ta xây dựng khối đồng bộ hoá vμ tạo sóng răng cưa dùng IC + tụ

Sơ đồ gồm BAĐBH tạo ra điện áp đồng bộ hoá

Phần tạo điện áp răng cưa sử sụng điốt, tranzitor, các điện trở, tụ điện vμ ở đây để tạo ra dòng nạp ổn định ta ứng dụng tính chất đặc biệt của các bộ khuếch đại

thuật toán vi điện tử KĐTT

W R1

R1 D1

R2

Ic 1

C

Urc R3