PHẦN II : THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC
2.1. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực
2.1.1 Phân tích và lựa chọn sơ đồ bộ biến đổi
1. Sơ đồ chỉnh lưu Tia 3 pha 3 Thyristor có D0
Hình 2.2 .Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha có Do
a). Giới thiệu sơ đồ
BA : Máy biến áp điện lực dùng biến đổi điện áp cao thành điện áp phù hợp với các tiristor.
T1,T2 ,T3 : các tiristor có điều khiển . ĐC : Động cơ 1 chiều kích từ độc lập.
L : Cuộn kháng lọc dùng để lọc thành phần xoay chiều. b). Nguyên lý làm việc và giản đồ điện áp ,dòng điện.
Ta giả thiết sơ đồ có Ld=, sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm bắt đầu xét. Với sơ đồ này, tuỳ thuộc vào giá trị góc điều khiển mà có thể xẩy ra 2 trường hợp:
* Khi 300 00 thì van D0 khơng làm việc nên hoạt động của sơ đồ hồn tồn giống như khi khơng có D0, lúc đó các biểu thức tính tốn giống như khi khơng có D0 đã xét.
d do
U U .cos
* khi 1500 >300 lúc này D0 sẽ làm việc, sự làm việc của sơ đồ được tóm tắt như sau:
- Từ t = 0 t = /3 van T3 dẫn dịng, ta có:
+ Trên T1 có iT1 = 0; uT1 = uac . + Trên Do có iDo= 0; ud = uc.
+ Trên T2 có iT2 = 0; uT2 = ubc . + Trên T3 có iT3 = id; uT3 = 0.
- Các khoảng : từ t = /3 t = 1= /6 + , từ t = t = 2, từ
t = 5/3 t = 3, từ t = 7 /3 t = 4 van D0 dẫn dòng:
+ Trên T1 có iT1 = 0; uT1 = ua. + Trên T3 có iT3 = id; uT3 = uc.
+ Trên T2 có iT2 = 0; uT2 = ub. + Trên Do có iDo = id; ud = 0.
- Từ t = 1 = /6 + t = van T1 dẫn dòng:
+ Trên T1 có iT1=id ;uT1=0 . + Trên T3 có iT3=0 ;uT3=uca.
+ Trên T2 có iT2=0 ;uT2=uba. + Trên Do có iDo=0; ud=ua - Từ t=2t =5/3 van T2 dẫn dịng:
+ Trên T1 có iT1 = 0; uT1 = uab . + Trên T3 có iT3 = 0; uT3 = ucb .
+ Trên Do có iDo = 0; ud = ub. + Trên T2 có iT2=id; uT2 = 0 .
c). Các công thức cơ bản với , th max 2 ng max 2 U 2U ; U 6U , Nhận xét :
Qua phân tích về nguyên lý làm việc của các sơ đồ tia 3 pha thấy dạng sóng điện áp ra đã được cải thiện đáng kể có 3 lần đập mạch trong 1 chu kỳ điện áp nguồn vì vậy điện áp ra trung bình đã được tăng nên để phù hợp với điện áp định mức của động cơ. Đặc biệt khi sử dụng thêm Do thì các tirisror chịu những điện áp nhỏ hơn khi khơng có D0 do đó làm tăng được tuổi thọ của các thiết bị.
2.1.1.2. Sơ đồ nối dây hình Cầu
Phổ biến hiện nay là sử dụng sơ đồ cầu 1 pha và 3 pha. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha :
Có nhiều cách mắc t 1 t 3 t 2 t 4 ® c k t c k t ® d2 t 2 d1 t 1 Hình a Hình b
c k t ® d2 t 1 d1 t 2 ® d2 d3 d4 d1 c k t Hình c Hình d
+ Sơ đồ hình a ( Sử dụng 4T : Cầu 1 pha điều khiển toàn phần ).
+ Sơ đồ hình b , c ( Sử dụng 2T + 2D : chỉnh lưu hai nửa sóng điều khiển bán phần ) + Sơ đồ hình d ( Sử dụng 4D + 1T ) T có nhiệm vụ điều khiển còn 4D làm nhiệm vụ chỉnh lưu .
Các sơ đồ có hoặc khơng có D0 tuỳ thuộc vào tính chất của tải .
Trong các sơ đồ trên nếu sử dụng 2 BBĐ mắc song song ngược để đảo chiều động cơ thì sơ đồ hình a là có thể và với tải khơng đảo chiều thì sơ đồ hình c là có lợi nhất ( T1 ,
T2 chỉnh lưu , D1 D2 có vai trị như D0 ) .
Các dạng điện áp ra có dạng gần giống nhau , để tổng quát ta phân tích ngun lý hoạt động sơ đồ hình a
T1T2 T3T4 T1T2 T3T4 T1T2 iT1T2 iT3T4 v1 v2 v3 v4 v5 UT1T2 Ud 0 0 0 v1 v2 v3 v4 v5 0 U2 -U2
Hinh 2.4. Giản đồ điện áp ,dòng điện cầu 1 pha
+ Giả sử trước thời điểm v1 T3 , T4 vẫn dẫn dòng
Từ ut = 0 v1 và từ ut= v2 v3, u1> 0 và có xung điều khiển T3 T4 dẫn dòng: iT3 = iT4 = id =Id; Ut3 = Ut4 =0;
Ud = -U2; UT1 = UT2 = U2; iT1 = iT2 = 0. Từ ut= v1 v2 thì 2 van T1và T2 dẫn dòng:
iT1 = iT2 = id =Id; Ut3 = Ut4 = -U2; Ud = U2; UT1 = UT2 = 0; iT3 = iT4 = 0
Điện áp trên tải như hình vẽ .
2 2 max max 2 2 2 2 sin cos 0,9 2 2 2 � � d m do d Ttb Tth Tng u U td t U U U I I U U U 2.1.1.3. Chọn sơ đồ chỉnh lưu.
Nói chung dạng điện áp ra của các sơ đồ trên là tương đối giống nhau. Tuy nhiên muốn giảm dòng qua các T và tăng độ bằng phẳng của điện áp ra ta tăng số pha chỉnh lưu lên. Trong công nghiệp thông thường sử dụng điện áp 3 pha nên sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha và cầu 3 pha là phổ biến nhất.
Trong 2 loai sơ đồ hình tia 3 pha và hình cầu 3 pha . Sơ đồ hình tia 3 pha đơn giản hơn sử dụng ít T hơn nên đỡ tốn kém hơn. Điện áp chỉnh lưu trên sơ đồ cầu 3 pha là lớn hơn , dạng điện áp ra cũng bằng phẳng hơn, cũng đi kèm với sử dụng nhiều T
hơn dẫn đến vấn đề về kinh tế tốn kém và mạch lực khó xây dựng hơn so với sơ đồ hình tia. Vậy lên phù hợp với yêu cầu bài toán em sẽ chọn sơ đồ chỉnh lưu tia 3
pha có D0.
2.1.2. Phân tích và lựa chọn phương pháp hãm dừng động cơ 2.1.2.1. Các phương pháp hãm dừng động cơ
Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra momen quay ngược chiều tốc độ quay. Với động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba phương pháp hãm: Hãm tái sinh, hãm ngược, hãm động năng. Việc chọn phương pháp hãm phù hợp với công nghệ là điều rất quan trọng.
Với yêu cầu khơng cần hãm chính xác, chỉ cần hãm dừng nhanh để tăng năng suất đảm bảo yêu cầu công nghệ là không đảo chiều quay. Sau đây ta xét các chế độ hãm của động cơ điện một chiều kích từ độc lập để chọn ra một phương pháp hãm thích hợp.
2.1.2.2. 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 làm việc như một máy phát điện song song với lưới. Sơ với chế độ động cơ, dòng và momen hãm đã đổi chiều và được xác định theo biểu thức:
Mh=KIn<0
Trị số hãm lớn dần lên cho đến khi cân bằng với moomen phụ tải của cơ cấu thì hệ thống làm việc ổn định với .
Phương trình đặc tính cơ ở đoạn hãm tái sinh là:
Đường đặc tính cơ ở trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần tư thứ 2 và thứ 4 của mặt phẳng tọa độ.
Trong trạng thái hãm tái sinh, dịng điện hãm đổi chiều và cơng suất được đưa trả
về lưới có giá trị P (E U).I . Đây là phương pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh ra điện năng hữu ích. Đoan BC là đoạn hãm tái sính được thể hiện ở hình 2.5.
Hình 2.5. Đặc tính hãm tái sinh
2.1.2.3. Hãm ngược
Trạng thái hãm ngược của động cơ xảy ra khi phần ứng dưới tác dụng của động năng tích lũy trong các bộ phận chuyển động hoặc do momen thế năng quay ngược chiều với momen điện từ của động cơ. Momen sinh ra bởi động cơ khi đó chống lại sự chuyển đổi của cơ cấu sản xuất.
Với bộ biến đổi Thyristor- Động cơ ta có thể thực hiện hãm ngược bằng các cách sau:
* Đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng Dòng điện hãm:
Phương trình đặc tính cơ:
(Phương trình đặc tính cơ là phương trình đặc tính biến trở)
Nhận xét: Khi hãm ngược ta vẫn sử dụng điện lưới do đó sẽ khơng thực hiện được khi sự cố mất điện.
Do bộ biến đổi đơn khơng cho phép dẫn dịng ngược ( mà ở chế độ hãm ngược thì dịng điện đưa lên lưới bị đảo chiều nên hệ truyền động của ta không thực hiện được hãm tái sinh.
*) Đảo chiều điện áp phần ứng cùng với đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng
Khi động cơ đang làm việc bình thường ta đảo chiều điện áp đặt vào mạch phần ứng động cơ xảy ra hãm ngược. Vì dịng điện hãm rất lớn nên thường mắc them điện trở phụ vào mạch phần ứng stato để Ih ≤ (2÷2.5)Idm.
Hình 2.6. Đặc tính hãm ngược
Với kiểu hãm này có nhược điểm là phải them thiết bị đóng cắt điện vào đúng thời điểm tốc độ động cơ bằng 0, nếu không độn cơ MĐC>Mc sẽ quay ngược lại.
Vì thơng thường động cơ làm việc ở điểm a trên đặc tính tự nhiên với tải Mc ta
đổi chiều điện áp phần ứng và đưa them điện trở phụ vào mạch, động cơ chuyển sang làm việc ở điểm b trên đặc tính biến trở. Tại b moomen 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 vào động cơ thì động cơ sẽ dừng lại, cịn nếu ta không cắt phần ứng ra khỏi điện áp nguồn đặt vào động cơ thì tại c đọng cơ sẽ quay ngược lại và làm việc ổn định tại D .
Trong trường hợp này dịng điện hãm rất lớn vì:
Vì vậy cần đưa thêm điện trở phụ Rf đủ lớn vào mạch phần ứng để hạn chế Ih . Tóm lại hãm ngược bằng phương pháp đảo cực tính đặt vào phần ứng động cơ như trên dòng điện rất lớn gây tổn thất năng lượng lớn. E cùng chiều U động cơ làm việc như một mát 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 làm giảm tuôiổi 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 khơng phù hợp với u cầu cơng nghệ.
Hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học do động cơ đã tích lũy được trong q trình làm việc trước đó biến thành điện năng tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt.
*) Hãm động năng kích từ độc lập
Ta cắt phần ứng động cơ khỏi lưới điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm nhưng cịn mạch kích từ vẫn nối với nguồn như cũ.
Dịng điện ban đầu:
Tương ứng có momen hãm ban đầu: Mhđ=KIhd<0
Hình 2.7. Sơ đồ hãm động năng kích từ độc lập
Phương trình đặc tính cơ điện:
Phương trình đặc tính cơ:
Khi thì độ cứng của đặc tính cơ hãm phụ thuộc vào Rh. Khi Rh càng nhỏ, đặc tính cơ càng cứng, momen càng lớn, hãm càng nhanh.
Tuy nhiên cần phải chọn Rh sao cho dòng hãm ban đầu nằm trong giới hạn cho phép Ihd=(2Iđm.
Khi hãm động năng kích từ độc lập năng lượng chủ yếu được tạo ra do động năng của động cơ tích lũy đucợ nên cơng suất tiêu tốn chỉ nằm trên mạch kích từ.
Pktdm= (11,5)%Pđm
Phương trình cân bằng cơng suất khi hãm động năng: E.Ih = (R + Rh).Ih.Ih
Hình 2.8. Sơ đồ hãm động năng tự kích của động cơ một chiều kích từ độc lập a) Sơ đồ ngun lý; b) Đặc tính hãm
Nó khắc phục nhược điểm của hãm động năng kích từ độc lập. Thật vậy hãm động năng tự kích xảy ra khi động cơ đang quay ta cắt cả phần ứng lẫn cuộn kích thích ra khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãm.
Theo sơ đồ nguyên lý ta có : I=In+Ikt
Và các phương trình đặc tính là:
Trong q trình hãm tốc độ giảm dần, dịng kích từ giảm dần do đó từ thơng giảm dần và là hàm số của tốc độ. Vì vậy các đặc tính cơ khi hãm có dạng như đường đặc tính khơng tải của máy phát điện tự kích phi tuyến và chỉ dùng cho động cơ kích từ song song vì phần ứng và cuộn kích từ nối tiếp với nhau.
2.1.2.5. Chọn phương pháp hãm
Trong sơ đồ bộ biến đổi khơng đảo chiều dịng nên ta chọn cho hệ thống truyền động không làm việc ở chế độ nghịch lưu, khơng có chuyển năng lượng về nguồn do đó khơng có hãm tái sinh. Mặt khác phụ tải đã cho không đảo chiều, sức điện động E khơng đổi chiều vì vậy tốc độ động cơ khơng đảo chiều. Muốn hãm ngược ta phải có các cơng tắc tơ để thực hiện đảo chiều điện áp, như vậy sẽ rất phức tạp, gía thành cao, kích thước lại lớn. Mặt khác về mặt nặng 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 cịn lại có hãm động năng với ưu điểm là đơn giản và chỉ tiêu năng lượng hơn hãm ngược là hợp lý hơn cả cho hệ thống truyền động.
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lí mạch lực hệ thống
Sơ đồ hệ thống gồm có : Trong đó:
- ATM: Aptomat dung để bảo vệ và đóng cắt mạch điện. - MBA: mấy biến áp động lực có các nhiệm vụ sau: + Cung cấp điện áp phù hợp cho bộ chỉnh lưu
+ Cách ly về mặt điện giữa nguồn xoay chiều với mạch động lực bộ chỉnh lưu. + Nhờ có điện cảm nên có thể hạn chế tốc độ tăng dịng điện qua các van. + Hạn chế dòng ngắn mạch qua các van.
+ Giảm ảnh hưởng của bộ biến đổi đến lưới điện xoay chiều.
- T1 T3: các van dung để biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều có thể diều khiển được nhờ vào tín hiệu điều khiển để cung cấp cho động cơ.
- R,C : các điện trở và điện dung dung để bảo vệ quá gia tốc áp qua các van. - CK : cuộn kháng san bằng được mắc nối tiếp với mạch động lực để san bằng dòng điện qua phụ tải.
- ĐC : động cơ một chiều, là đối tượng điều chỉnh của hệ thống.
- RH : điện trở dung để hãm động năng, làm giảm thời gian hãm và dòng điện hãm cho động cơ. - CKT: Cuộn kích từ động cơ. 2.2. Tính chọn thiết bị máy động lực 2.2.1. Chọn động cơ Loại (Kw) (V) (A) (v/ph)
II-22 2,2 220 12,5 3000 1,220 0,0334 0,055
Động cơ truyền động được sử dụng cho hệ truyền động là động cơ một chiều kích từ độc lập. Dựa vào các thơng số của đề tài mà ta chọn được loại động cơ như ở phần 1. Động cơ có các thơng số sau:
* Các thơng số cơ bản cịn lại của động cơ + Vận tốc góc và từ thơng định mức: đm đm n .2 3000.2 314,16(rad / s) 60 60 đm u u đm đm U R .I 220 1,220.12,5 k 0,65(Wb) 314,16 + Momen định mức và ngắn mạch
Mômen điện từ của động cơ ở chế độ định mức, bỏ qua tổn hao cơ và sắt từ thì có thể coi: M = Mcơ ≈ Mđt = KФđm.Iđm = 0,65.12,5 = 8,125 (Nm)
Dòng điện ngắn mạch của dộng cơ: Inm = Uđm/Ru = 220/1,220 =180,3 (A) Mômen ngắn mạch: Mnm = KФđm.Inm = 0,65. 180,3 = 118(Nm)
+ Dòng tải khi quy đổi về trục động cơ cqđ c đm M 4,44 I 6,83(A) k 0,65 + ntt 2621(v / p)� tt 304,1(rad / s)thì điện áp phần ứng cần là: uđm tt c u U k . I .R 0,65.309,4 6,83.1,220 211(V) �