1. Điều khiển các cơ cấu của cầu trục bằng bộ khống chế động lực kiểu H-51 a. Giới thiệu thiết bị điện
Các bộ khống chế động lực dùng để điều khiển các động cơ truyền động các cơ cấu của cầu trục có công suất nhỏ và trung bình với chế độ làm việc nhẹ nhàng.
Bộ khống chế động lực có cấu tạo đơn giản, dễ dàng trong công nghệ chế tạo, giá thành không cao, điều khiển các cơ cấu của cầu trục một cách linh hoạt, dứt
Trên hình 2.1a biểu diễn sơ đồ điều khiển động cơ không đồng bộ roto dây quấn bằng bộ khống chế động lực H-51, còn trên hình 2.1b là họ đặc tính cơ của động cơ truyền động cơ cấu nâng - hạ (hoặc các cơ cấu di chuyển).
Bộ khống chế động lực H-51 là loại đối xứng có 5 vị trí bên phải (1-5) tương ứng với chế độ làm việc nâng hàng (đối với cơ cấu nâng - hạ) và chạy tiến (đối với cơ cấu di chuyển) còn 5 vị trí bên trái (1-5) tương ứng với chế độ hạ hàng (đối với cơ cấu nâng hạ ) và chạy lùi (đối với cơ cấu di chuyển).
Bộ khống chế động lực H-51 có 12 tiếp điểm: 4 tiếp điểm đầu (KC1, KC3, KC5 và KC7) dùng để đảo chiều quay của động cơ bằng cách thay đổi thứ tự hai trong ba pha điện áp nguồn cấp cho dây quấn stato động cơ, 5 tiếp điểm tiếp theo (KC2, KC4, KC6, KC8 và KC10) dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi trị số điện trở phụ Rf trong mạch roto của động cơ. Còn ba tiếp điểm KC9, KC11 và KC12 dùng cho mạch bảo vệ.
Hình 2.1a. Sơ đồ điều khiển động cơ nâng - hạ bằng bộ KC động lực H-51
b. Phân tích tác động mạch điện
Khi mở máy và điều chỉnh tốc độ, người vận hành quay từ từ vô lăng của bộ khống chế động lực từ vị trí 1 sang vị trí 5 để tránh hiện tượng dòng điện và mômen quay của động cơ tăng một cách nhảy vọt quá giới hạn cho phép. Họ đặc tính cơ của động cơ tương ứng với các vị trí của bộ khống chế được biểu diễn trên hình 2.1b.
Đường đặc tính 1 với trị số mômen của động cơ rất bé
(M1 khi tốc độ của động cơ bằng 0), dùng để khắc phục khe hở giữa các bánh răng trong cơ cấu truyền lực (hộp tốc độ) kéo căng sơ bộ cáp khi khởi động (tránh cho cáp không bị đứt).
Khi khởi động hoặc trong trường hợp cần dừng chính xác (với moomen M1
ta có tốc độ thấp là n1).
Để hạ hàng ở tốc độ thấp khi không tải với bộ khống chế động lực thường không thực hiện được. Tốc độ hạ thấp nhất chỉ có thể thực hiện được ở chế độ hạ hãm (máy điện làm việc ở chế độ máy phát). Ví dụ, với phụ tải M1 (hình 2.1b) tốc độ hạ tháp nhất là n2.
Nếu bộ khống chế động lực dùng loại không đối xứng, nếu đặt bộ khống chế ở vị trí 1 (hạ hàng) động cơ làm việc như động cơ một pha và ta nhận được đường đặc tính A (đường nét đứt trên hình 2.1b), khi đó ta nhận được tốc độ hạ thấp hơn n3 (với phụ tải bằng M1).
2. Hệ truyền động cơ cấu nâng – hạ của cầu trục dùng hệ máy phát – động cơ điện một chiều (F-Đ)
Đối với những cầu trục có trọng tải lớn, chế độ làm việc nặng nề, yêu cầu về điều chỉnh tốc độ cao hơn, đáp ứng các yêu cầu ngặt nghèo do công nghệ đặt ra, nếu dùng hệ truyền động với động cơ KĐB điều khiển bằng bộ khống chế động lực không đáp ứng thỏa mãn các yêu cầu về truyền động và điều chỉnh tốc độ. Trong trường hợp này, thường dùng hệ truyền động F-Đ, T-Đ hoặc hệ truyền động với
Hình 2.1b. Họ đặc tính cơ của động cơ
Hình 2.2a. Hệ F - Đ truyền động cơ cấu nâng hạ Trên hình 2.2a biểu diễn hệ truyền động cơ cấu nâng-hạ dùng hệ F-Đ.
Đây là hệ truyền động F-Đ có máy điện khuếch đại trung gian (MĐKĐ), chức năng của nó là tổng hợp và khuếch đại tín hiệu điều khiển. Hệ truyền động này được sử dụng phổ biến cho các cầu trục trong các xí nghiệp luyện kim, trong các nhà máy lắp ráp và sửa chữa.
Động cơ truyền động cơ cấu nâng – hạ Đ được cấp nguồn từ máy phát F.
Cuộn kích từ của máy phát CKTF được cấp nguồn từ máy điện khuếch đại từ trường ngang (MĐKĐ). MĐKĐ có bốn cuộn điều khiển: cuộn chủ đạo CCĐ, cuộn phản hồi âm điện áp CFA, cuộn ổn định CÔĐ (phản hồi điện áp máy điện khuếch đại) và cuộn phản hồi âm dòng có ngắt CFĐ. Điều khiển hệ truyền động bằng bộ khống chế chỉ huy kiểu cam KC, có hai vị trí nâng và hạ hàng.
Cuộn chủ đạo CCĐ được cấp nguồn từ máy phát kích từ (trong sơ đồ không thể hiện) qua các tiếp điểm của công tắc tơ nâng N và hạ H với điện trở hạn chế dòng R4 dùng để đảo chiều quay động cơ.
Cuộn phản hồi âm điện áp CFA đấu song song với phần ứng của động cơ.
Chức năng của nó gồm:
- Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi sức từ động sinh ra trong cuộn CFA bằng biến trở VR3 trong trường hợp cần làm việc ở tốc độ thấp, tiếp điểm công tắc tơ gia tốc G kín, sức từ động sinh ra trong cuộn CFA rất lớn làm giảm sức từ động tổng của máy điện khuếch đại, kết quả điện áp ra của máy phát F giảm dần đến tốc độ của động cơ giảm.
- Khi dừng máy cuộn CFA được nối vào phần ứng của động cơ qua hai tiếp điểm thường đóng N,H và điện trở hạn chế R3. Do chiều dòng trong cuộn CFA ngược chiều với dòng trong cuộn CCĐ, sẽ thực hiện hãm ngược để dừng nhanh động cơ truyền động.
Cuộn phản hồi âm dòng có ngắt CFĐ hạn chế dòng khi mở máy hoặc đảo chiều. Nguyên lý hoạt động của nó như sau: khi động cơ chưa bị quá tải Iư < Ing, dòng ngắt Ing = (2,25 ÷ 2,5).Iưđm. Khi đó điện áp rơi trên điện trở sun nhỏ hơn điện áp so sánh.
URSh < USS
trong đó: URSh = Iư. RSh (tỷ lệ với dòng điện phần ứng) ; USS = Uab (lấy trên chiết áp VR1) ;
Hoặc USS = Ubc (lấy trên chiết áp VR2).
Khi đó điốt V1 hoặc V2 không dẫn, dòng đi qua cuộn dây CFĐ rất bé. Ngược lại, khi dòng điện của động cơ Iư > Ing, URSh > USS dẫn đến một trong hai điốt V1 (hoặc V2) thông, dòng đi qua cuộn dây CFA khá lớn làm giảm sức từ động tổng của máy điện khuếch đại và hạn chế được moomen của động cơ.
Để nâng cao chất lượng của hệ truyền động có cuộn ổn định CÔĐ. Thực chất là cuộn phản hồi mềm điện áp của máy điện khuếch đại. Cuộn dây sơ
cấp của biến áp ổn định BA được nối với đầu ra của MĐKĐ qua điện trở hạn chế R1. Cuộn dây thứ cấp của biến áp BA được đấu vào cuộn dây CÔĐ. Nguyên lý hoạt động của nó như sau: Khi điện áp phát ra của MĐKĐ ổn định (UMĐKĐ = conts) dòng trong cuộn CÔĐ bằng không, còn nếu điện áp phát ra của máy điện khuếch đại thay đổi (UMĐKĐ = var), trong cuộn thứ cấp của biến áp BA sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng, làm cho dòng trong cuộn CÔĐ khác 0, chiều của dòng trong cuộn CÔĐ cùng chiều với dòng trong cuộn CCĐ (nếu điện áp phát ra giảm) hoặc ngược chiều với cuộn CCĐ (nếu điện áp phát ra tăng), tác dụng của dòng chảy trong cuộn CÔĐ sẽ làm cho điện áp phát ra của MĐKĐ sẽ ổn định.
Trong sơ đồ điều khiển có các khâu bảo vệ sau:
- Bảo vệ quá dòng bằng rơ le dòng điện cực đại RDC.
- Bảo vệ quá điện áp bằng rơ le điện áp cao RAC.
- Bảo vệ quá điện áp “không” bằng rơ le điện áp RĐA.
- Bảo vệ mất từ thông bằng rơ le dòng điện RTT.
Họ đặc tính cơ của hệ truyền động được biểu diễn trên hình 2.2b.
Trong đó đường đặc tính 2 ứng với vị trí 2 của bộ khống chế KC (tốc độ cực đại) và đường đặc tính 1 tương ứng với vị trí 1 của bộ khống chế (tốc độ cực tiểu).
3. Hệ truyền động các cơ cấu của cầu trục dùng hệ biến đổi tiristo-động cơ điện một chiều (hệ T-Đ)
Đối với cầu trục, khi động cơ truyền động có công suất lớn hơn 50kW, yêu cầu cao về chất lượng động cũng như chất lượng tĩnh cao thường dùng hệ T – Đ.
Đối với động cơ điện một chiều có công suất dưới 15 kW và cuộn kích từ độc lập thường dùng bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn làm nguồn cấp.
Còn đối với động cơ công suất lớn hơn 15 kW thường dùng sơ đồ cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn là nguồn cấp cho phần ứng của động cơ.
Bộ biến đổi cấp nguồn cho phần ứng của động cơ có thể là bộ đảo chiều hoặc không đảo chiều.
Đối với hệ truyền động các cơ cấu của cầu trục thường dùng bộ biến đổi đảo chiều, gồm hai bộ chỉnh lưu đấu song song ngược.
Để điều khiển bộ biến đổi đảo chiều dùng trong cầu trục thường dùng phương pháp điều khiển riêng.
Trên hình 2.3 là sơ đồ khối chức năng của hệ truyền động cơ cấu nâng – hạ của cầu trục dùng hệ T – Đ.
Đây là hệ truyền động thực hiện điều chỉnh tốc độ cả hai vùng: vùng 1 tốc độ động cơ thấp hơn tốc độ cơ bản (thực hiện bằng cách điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ) và vùng 2, tốc độ của động cơ cao hơn tốc độ cơ bản (điều chỉnh điện áp cấp cho cuộn kích từ độc lập của động cơ).
Điều chỉnh tốc độ động cơ hai vùng thực hiện độc lập không phụ thuộc lẫn nhau, thực hiện bằng chuyển mạch 3CM.
Khi điều chỉnh tốc độ ở vùng 1, từ thông kích từ của động cơ giữ không đổi và bằng trị số định mức (Φ = Φđm), còn điều chỉnh tốc độ ở vùng hai thực hiện khi điện áp đặt vào phần ứng của động cơ bằng U ≥ 0,85Uđm.
a. Điều chỉnh tốc độ vùng 1 ( < cb)
Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cấp cho phần ứng của động cơ từ bộ biến đổi đảo chiều gồm hai bộ chỉnh lưu cầu ba pha dùng tiristo đấu song song ngược: BBĐT – bộ biến đổi thuận và BBĐN – bộ biến đổi ngược. Nguồn xoay chiều từ lưới cấp cho bộ biến đổi qua biến áp động lực BA. Điện áp chỉnh lưu cực đại Ud = 460V.
Mạch điều khiển hai bọ chỉnh lưu trên là hệ điều khiển xung pha nhiều kênh, điều khiển theo phương pháp “thẳng đứng”. Trong mạch điều khiển gồm có các khâu chính sau:
- HCGT – khâu hạn chế gia tốc, nhằm hạn chế dòng trong chế độ khởi động.
- 1RU – khâu điều chỉnh điện áp, có hàm truyền động là khâu tỷ lệ. Điện áp ra của 1RU bằng:
U = k1(Ucđ - Uư)
trong đó: Ucđ – là điện áp ra của khâu hạn HCGT;
Uư – là điện áp phản hồi âm tỷ lệ với điện áp đặt vào phần ứng của động cơ ;
k – là hệ số khuếch đại của 1RU.
- HCD – khâu hạn chế dòng, thực hiện chức năng như một khâu phản hồi âm dòng có ngắt để hạn chế dòng điện động cơ trong quá trình mở máy cũng như trong khi hãm dừng. Tín hiệu ra của bộ hạn chế dòng bằng:
U = .Iư
trong đó: - hệ số tỷ lệ.
- KLG là khối logic cho phép phát xung điều khiển cho bộ biến đổi thuận BBĐT hoặc bộ biến đổi ngược BBĐN khi dòng của động cơ đã bằng không.
- 2CM là chuyển mạch chọn tín hiệu điều khiển.
- 1CM là chuyển mạch cấp tín hiệu điều khiển cho một trong hai bộ biến đổi chế độ làm việc của hệ truyền động chạy thuận hay chạy ngược.
- 1DDKXF là khâu điều khiển xung pha, tạo ra góc mở của hai bộ biến đổi BBĐT và BBĐN. Tín hiệu vào là điện áp điều khiển Uđk1, tín hiệu ra là trị số góc mở của các tiristo.
Uđk1 = k1(Ucđ1 - .Uư) - .Iư
Điều chỉnh tốc độ ở vùng hai thực hiện bằng cách thay đổi từ thông kích từ của động cơ khi điện áp đặt lên phần ứng của động cơ bằng trị số định mức.
Việc giảm từ thông kích từ của động cơ thực hiện bằng cách giảm điện áp đặt vào cuộn kích từ CKTĐ của động cơ được cấp từ bộ biến đổi BBĐKT là sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha dùng tiristo.
Trong mạch điều khiển bộ biến đổi BBĐKT gồm có hai khâu:
- 2ĐKXF là khâu điều khiển xung pha tín hiệu vào của điện áp điều khiển lấy từ đầu ra của bộ 2RU, tín hiệu ra của trị số góc mở của các tiristo trong bộ biến đổi BBĐKT.
- 2RU là bộ điều chỉnh điện áp. Điện áp ra của bộ 2RU bằng:
Uđk2 = k2(Ucđ - .IU)
trong đó: Ucđ – là điện áp chủ đạo (điện áp đặt) lấy từ đầu ra của bộ chuyển mạch 3CM;
k2 – là hệ số khuếch đại của bộ 2RU.
Hình 2.3. Sơ đồ chức năng hệ T - Đ truyền động cơ cấu nâng hạ của cầu trục
4. Hệ truyền động các cơ cấu của cầu trục dùng bộ điều áp xoay chiều (ĐAXC) và xung điện trở roto.
Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động được biểu diễn trên hình 2.4.
Chế độ làm việc của động cơ ở góc phần tư thứ I và góc phần tư thứ III (tương ứng với chế độ nâng hàng và hạ động lực), khi điều chỉnh tốc độ trong vùng giữa đường đặc tính cơ với điện trở phụ Rfmax = R0 và trục tung (trong trường hợp này hai tiristo Tc và Tp đều khóa) được thực hiện bằng cách thay đổi trị số điện áp xoay chiều đặt vào dây quấn stato động cơ bằng bộ điều áp xoay chiều (ĐAXC):
- Các cặp tiristo T1-T2, T6-T7 và T11-T12 mở, ứng với chiều quay thuận (chế độ nâng hàng).
- Còn các cặp tiristo T4-T5, T6-T7 và T8-T9 mở, ứng với chiều quay ngược (chế độ hạ hàng).
Hình 2.4. Hệ TĐ các cơ cấu cầu trục dùng bộ điều áp xoay chiều ở mạch stato và xung điện trở ở mạch rôto
Chế độ làm việc của động cơ ở góc phần tư thứ II và góc phần tư thứ IV, động cơ làm việc ở chế độ hãm động năng. Khi đó các tiristo T1, T3, T4, T9, T10 và T12 mở, trong đó T1, T3, T10 và T12 mở thực hiện chức năng chỉnh lưu cấp nguồn một chiều đưa vào dây quấn stato động cơ.
Điều chỉnh tốc độ động cơ truyền động các cơ cấu của cầu trục bằng xung điện trở roto bằng hai tiristo TC (tiristo chính) và TP (tiristo phụ). Khi đó điện áp đặt vào dây quấn stato động cơ bằng trị số định mức (ứng với góc mở = 0 của các tiristo của bộ ĐAXC). Trong đó TC thực hiện chức năng như một khóa điện tử: khi TC khóa, điện trở phụ Rf = R0, còn khi TC mở, Rf = 0.
Như vậy, khi ta thay đổi thời gian mở tm , thời gian khóa tk của tiristo TC, ta có thể thay đổi được trị số điện trở phụ trong mạch roto của động cơ. Trị số điện trở đó được tính theo biểu thức sau:
ck 0 k k m
0
f k .R
Tt t tt R
R
(2.1)
trong đó: TCK – chu kỳ làm việc của tiristo TC, TCK thường được chọn trong giới hạn TCK = (2 ÷ 2,5).10-3 s.
- Tiristo TP, tụ điện C, điốt Đ và cuộn cảm L là mạch khóa tiristo TC. Trong mạch điều khiển của hệ truyền động gồm có các khâu:
- R là bộ điều chỉnh tốc độ tổng hợp tín hiệu điện áp chủ đạo Ucđ và tín hiệu phản hồi âm tốc độ UFT (điện áp lấy từ máy phát tốc FT tỷ lệ với tốc độ của động cơ).
- RI là bộ điều chỉnh dòng điện tổng hợp các tín hiệu U (R) và UI điện áp tỷ lệ với dòng roto của động cơ lấy từ biến dòng TI (biến dòng TI là biến áp một chiều làm việc theo nguyên lý khuếch đại từ).