Bài giảng Thiết kế bộ điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập

Tài liệu tham khảo 1 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây cả nước ta đang bước vào công cuộc công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, sự giáo dục đóng vai trò quan trọng trong công cuộc này đặc biệt là đào tạo ra đội ngũ có tay nghề cao biết kết hợp chặt chẽ lý thuyết và thực tiễn vào lao động sản xuất. Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hoá đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới. Tự động hoá quá trình sản xuất đang được phổ biến rộng rĩa trong các hệ thống công nghiệp trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Tự động hoá không những làm giảm nhẹ sức lao động cho con người mà còn góp phần rất lớn trong việc nâng cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm. Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngày càng có thêm nhiều xí nghiệp mới sử dụng kỹ thuật cao, đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử công suất, về truyền động điện, về vi mạch và xử lý trong công tác kỹ thuật hiện tại. Để đáp ứng những nhu cầu khó khăn đó em được giao nhiệm vụ làm đồ án "Thiết kế bộ điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập". Việc làm đồ án tốt nghiệp đã giúp em ôn lại phần lý thuyết đã được học ở trường kết hợp với thực tiễn lao động sản xuất của nhà máy trong thời gian em thực tập đã giúp em hiểu sâu hơn, biết vận dụng được lý thuyết được học ở trường vào thực tiễn. Đồ án của em gồm có 5 chương, giới thiệu về công nghệ cán thép nóng, các biểu thức tính toán, đưa ra phương án chọn công suất động cơ. Vấn đề điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều, phân tích tính toán mạch lực và mạch điều khiển. Tổng hợp hệ thống truyền động điện động cơ một chiều và mô phỏng bằng Simulink. Tài liệu tham khảo 2 CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM VỀ CÔNG NGHỆ CÁN 1.1. LÝ THUYẾT CÁN Cán là một hình thức gia công bằng áp lực để làm thay đổi hình dạng và kích thước của vật thể kim loại dựa vào biến dạng dẻo của nó. Yêu cầu quan trọng trong quá trình cán là ứng suất nội biến dạng dẻo, không được lớn, đồng thời kim loại vẫn giữ được độ bền cao. Cán là phương pháp biến dạng kim loại giữa hai trục cán quay ngược chiều, phôi được biến dạng liên tục và di chuyển nhờ sự quay liên tục của trục cán, ma sát giữa trục cán và phôi. Phôi cán ăn vào trục cán nhờ lực ma sát tiếp xúc giữa phôi và trục cán, do cấu tạo trục quay nên khi phôi bị lực ma sát T kéo vào khe hở giữa hai trục cán phát sinh ra lực P, lực P ta gọi là lực cán. Dưới tác dụng của lực cán P vật cán bị giảm chiều cao từ H tơi h, phần kim loại bị biến dạng trên chủ yếu làm cho vật cán dài ra, còn một phần làm cho vật cán giãn rộng từ B tới b. Hình 1.1: Sơ đồ quá trình cán trong trục phẳng Tài liệu tham khảo 3 1.2. MÁY CÁN Máy cán là loại máy gia công kim loại bằng áp lực để cán ra sản phẩm có hình dạng và kích thước nhất định, máy gồm 3 bộ phận chính như hình H1.2 Giá cán là một thiết bị nằm trong máy cán mà tại đó xảy ra quá trình cán. Cấu tạo giá cán như hình H1.3 Động cơ điện dùng động cơ một chiều, nguồn một chiều được cấp từ bộ chỉnh lưu riêng. Hình 1.2: Cấu tạo máy cán Tài liệu tham khảo 4 H1.3. Cấu tạo giá cán 1.3. CÁC BIỂU THỨC TÍNH TOÁN VÀ ĐIỀU KIỆN CÁN Khi cho phôi kim loại vào hộp cán thì phôi bị kẹp và ép chặt giữa hai trục cán quay ngược chiều nhau, kết quả là bề dày của phôi giảm đi, chiều dài của phôi tăng lên, chiều rộng cũng tăng chút ít. Coi máy cán có hai trục cán giống hệt nhau, quay ngược chiều nhau với cùng tốc độ và phôi cán có cơ tính đồng đều, kí hiệu các đại lượng của phôi. Tài liệu tham khảo 5 H 1.4. Sơ đồ cán phôi H: Bề dày B: Chiều rộng L: Chiều cao F: Tiết diện L2 > L1, H2 B1, F2 < F1 1.3.1. Các thông số cơ bản a. Hệ số kéo dài Là tỷ số chiều dài sau khi cán và trước khi cán ( )2 1 L 1 L λ = > (1-1) Sau n lần cán, hệ số kéo dài toàn phần i nλ = λπ (1-2) Nếu coi thể tích phôi không đổi (V1 ≈ V2) thì Tài liệu tham khảo 6 2 2 2 1 1 1 1 2 L V / F F L V / F F λ = = = (1-3) Nếu coi độ mở rộng là không đáng kể (B1 ≈B2) thì 2 2 1 1 1 1 1 2 2 2 L F H B H L F H B H λ = = = = (1-4) b. Cung ngoạm Là cung tròn trên trục cán tiếp xúc với phôi cán (cung AB ở hình H1.5). c. Góc ngoạm Là góc tâm α ứng với cung ngoạm vùng biến dạng và vùng gạch chéo của phôi cán trên hình H1.5 Tại mỗi thời điểm cho cùng biến dạng là thể tích kim loại giới hạn bởi cung ngoạm α và các mặt phẳng thẳng đứng tại đầu và trục của kim loại và tại đầu ra khỏi trục của kim loại tương ứng qua các điểm A và B. Tài liệu tham khảo 7 1.3.2. Điều kiện để trục cán ngoạm được kim loại: H1.5. Lực của trục cán tác dụng lên phôi Trục cán ngoạm phôi và cán ép được là nhờ lực ma sát tiếp xúc xuất hiện trên cung ngoạm AB khi trục quay. Nhưng ngoài trục kéo vào do trục cán gây ra còn lực đẩy ra. Nếu lực đẩy lớn hơn lực kéo vào thì trục cán không ngoạm được phôi. Lúc ngoạm phôi trục cán tác dụng phôi lực P → , đồng thời lực ma sát T → tiếp tuyến với mặt tròn trục cán có xu hướng kéo phôi vào trục cán, phân tích P → và T → theo các phương yy và xx ta thấy. Nếu Px >Tx thì trục cán không ngoạm được phôi Nếu Px <Tx thì trục cán ngoạm được phôi Vậy, điều kiện ngoạm phôi là Tx ≥ Px hay T ≥ T tgα (1-5) Vì lực ma sát trượt T = P Kms = Ptgδms Trong đó Kms: hệ số ma sát trượt δms: góc ma sát trượt, nên biểu thức (1-5) có thể viết lại như sau: PKms = P lg δms ≥ P tgα. Suy ra, điều kiện trục ngoạm được phôi là α Tx T ' Tài liệu tham khảo 8 Kms ≥ tgα (1-6) Hay δms ≥ α (1-7) Kết luận: trục cán chỉ ngoạm được phôi khi hệ số ma sát trượt lớn hơn tang của góc ngoạm hay góc ma sát trượt lớn hơn góc ngoạm. Khi cán nóng: Kms = m (1,05 – 0,0005t) = 0,25 ÷ 0,60 Trong đó: t: Nhiệt độ kim loại, 0C m: Hệ số m = 1, cán nóng trên trục thép a. Độ nén (ép) Δh = H1 – H2 (1-8) Từ hình (1-5) ta có H1 = H2 + 2 BC Nên Δh = ( ) ( )2BC 2 OB OC 2 R RCos= − = − α (1-9) Δh = D (1 - cosα) b. Độ mở rộng (ngang) Mục đích của cán là làm nhỏ và kéo dài phôi nên việc tăng chiều rộng của phôi là điều không mong muốn. Độ mở rộng sẽ tăng khi tăng độ nén đường kính trục cán và hệ số ma sát. ΔB = B2 – B1 (1-10) ΔB = a.Δh (1-11) Trong đó a: hệ số do chú ý đến ảnh hưởng củ T0 a = 0,25 khi T0>10000C a = 0,35 khi T0<10000C c. Sự vượt trước và chậm sau Tài liệu tham khảo 9 Khi cán, sự vượt trước là hiện tượng tốc độ ra V2 của phôi lớn hơn tốc độ dài V của trục cán (H1.6). Độ vượt trước đặc trưng bởi tỷ số: [ ]2V V~ % V −= Trong đó V: Tốc độ dài trục cán V2: Tốc độ phôi ra khỏi trục cán Còn sự chậm sau là hiện tượng tốc độ và trục cán V1 của phôi nhỏ hơn tốc độ dài V của trục cán. H1.6: Hiện tượng vượt trước chậm sau Như vậy ta có V1 < V < V2 Và trong vùng biến dạng, tốc độ phôi tăng dần từ V1 đến V2 nên sẽ có một tiết diện nào đó. Tốc độ phôi bằng tốc độ dài trục cán. Tiết diện này gọi là tiết diện tới hạn. Góc tâm tương ứng γ gọi là góc tới hạn. Lý thuyết cán cho biết, góc tới hạn tính theo công thức V γα Tài liệu tham khảo 10 ms 1 2 2 ⎛ ⎞α α αγ = − <⎜ ⎟2 δ⎝ ⎠ (1-13) Trong đó: α là góc ngoạm δms là góc ma sát Tiết diện tới hạn phân bố ở nửa bên phải góc ngoạm (H1.5) là 1NB AB 2 < có độ vượt trước có thể xác định theo góc tới hạn = 2 1 R H γ (1-14) ở đây: R – bán kính trục cán (mm) H1 – bề dày phôi trước khi cán (mm) d. Áp lực lên trục cán khi cán Khi cán, trục cán đặt một ngoại lực lên phôi để thắng nội trở biến dạng của phôi. Phản lực của phôi gây ra áp lực lên trục cán. Nếu ngọi Pth là áp suất ép trung bình (N/mm2) và Ftx là diện tích tiếp xúc giữa phôi và trục cán (mm2) thì phản lực toàn phần đặt lên 1 trục cán là P = Pth. Ftx [N] Trị số áp suất ép trung bình phụ thuộc vào thành phần hoá học của phôi, T0 là bề dày phôi, độ nén và tốc độ cán Hệ số ma sát và nhiều yếu tố khác nữa. Ftx = Btb. l Trong đó Bth = 1 2 B B 2 + l: dây cung AB chắn góc ngoạm α l = AB AC Dsin 2 α≈ = Tài liệu tham khảo 11 Vì sin 1 cos 2 2 α − α= và theo (1-9) D(1-cosα) = Δh nên h 1 sin 2 2D D α Δ= = (1-18) ⇒ Áp lực lên trục cán khi cán P = Ptb. Bth. [ ]B. h NΔ (1-19) Trị số áp suất trung bình thường tính theo công thức của xelicop ( ) ( )ctb c 2H P 1,15.K . A A 1 h 1 δ= −Δ δ − (1-20) Trong đó Kc: giới hạn chảy của vật liệu phôi ms 2D f h δ = Δ ( ) 1 2 1 20 2 H 1 1 1 HH A H 1 δ δ⎡ ⎤⎛ ⎞+ −δ −⎢ ⎥⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠= ⎢ ⎥δ +⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦ H0: bề dày phôi Tài liệu tham khảo 12 H17: Thông số kỹ thuật khi cán 1.4. TÍNH MÔ MEN TRUYỀN ĐỘNG TRỤC CÁN 1.4.1. Phương pháp Xelicốp Phương pháp này được dựa theo áp suất trung bình để tính toán mô men truyền động trục cán bao gồm Mô men hữu ích Mhi cần để làm biến dạng phôi và khắc phục lực ma sát giữa phôi với trục cán trong khu vực cung ngoạm. Mô men ma sát Mms để thắng lực ma sát ở các ổ trục và các khâu truyền động khác. Mô men không tải M0. Mô men động Mđ để khắc phục lực quán tính tạo gia tốc. Mô men động xuất hiện khi đảo chiều và khi thay đổi tốc độ. ( )® ®d jd.nM j hay M Nmdt 9,55dt ω= = (1-21) [J] – kgm2 Tổng ba thành phần mô men đầu là mô men cản tĩnh toàn phần Vậy mô men cán là Δ α α Tài liệu tham khảo 13 M = Mhi + Mms + M0 + Mđ Mô men không tải thường bằng vài phần trăm mô men định mức của động cơ kéo. M0 = (3 ÷ 5)% Mđm Mô men hữu ích tính từ áp lực trên tục cán. Nếu coi biến dạng phôi giống nhau ở 2 phía trục cán (α1 = α2) (H 1-7) ta có Lực tác dụng P1 = P2 = P. Giá lực a1 = a2 = a và mô men tác dụng để quay một trục cán là M1 = p.a = p. ϕ. l (1-23) H1.8. Sơ đồ tính lực cán Với P tính theo (1-19) l tính theo (1-18) ϕ = a l là tỷ số giữa giá lực và chiều dài cung ngoạm Cán nóng ϕ = 0,5 α α Tài liệu tham khảo 14 Thay (1-18), (1-19) vò (1-23) có M1 = Ptb. Btb ϕ. R. Δh Mô men truyền động cho cả hai trục Mhi = 2Ptb. Btb. ϕ. R. Δh (1-24) Mô men ma sát tính theo công thức 1 hi 1ms Pd 1 M Pd M 1 i i ⎛ ⎞μ + μ⎛ ⎞= + − ⎜ ⎟⎜ ⎟η ⎝ ⎠⎝ ⎠ (1-25) Trong đó: P: áp suất lên trục cán (N/mm2) d: đường kính ngõng trục cán (mm) μ1: hệ số ma sát trong ổ bi i: tỉ số truyền 1.4.2. Phương pháp suát tiêu hao năng lượng Là phương pháp dùng đường cong suất tiêu hoa năng lượng xây dựng từ thực nghiệm. Đường cong này biểu thị năng lượng tiêu hao trên một đơn vị khối lượng sản phẩm theo độ kéo dài hay chiều dầy phôi sau các lần cán. Đường cong này thay đổi theo hình dạng Prophin phôi theo tiết diện phôi lúc đầu và lúc cuối, theo nhiệt độ và thành phần hoá học của phôi cũng như theo loại máy cán, kết cấu… Đường cong suất tiêu hao năng lượng có dạng như hình (H1.8) thường nó biểu thị quan hệ w=f(x) theo độ kéo dài hoặc tiết diện phôi. Tài liệu tham khảo 15 H1.9: Đường cong suất tiêu thụ năng lượng khi cán Phương pháp này sẽ càng chính xác nếu các điều kiện cán tính toán càng sát với điều kiện xây dựng đường cong suất tiêu hao năng lượng. Do vậy, khi tính toán phải chọn đường cong càng gần điều kiện máy thiết kế càng tốt. Nếu có sai khác thì phải điều chỉnh mô men cán cho lần cán đang tính sẽ là: M = Mtđ + Mms = 1,4. 107. ΔW. F. D (1-26) Trong đó: F: tiết diện phôi ở lần cán đang tính (mm2) D: đường kính trục làm việc (mm) ΔW: hiệu sthnl của lần cán đang tính 1.5. TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ. Các động cơ một chiều công suất lớn dùng cho máy cán có cấu tạo đảm bảo đặc tính động tốt nhất ở công suất định mức đã cho. Người ta dùng rộng rãi các động cơ một chiều có nhiều tốc độ. Các động cơ này cho phép giảm đường kính phần ứng và do đó giảm mô men quán tính của động cơ với cùng công suất. Kw.h/tÊn Tài liệu tham khảo 16 Nâng cao tốc độ dài phần ứng, nâng cao hiệu suất mở rộng được dải chỉnh tốc độ nhờ thay đổi điện áp. Lựa chọn đúng công suất của động cơ điện có một ý nghĩa kinh tế rất lớn bởi vì nó đóng vai trò rất quan trọng trong việc xác định giá thành ban đầu và giá thành tiêu thụ vận hành ở các hệ thống truyền động điện khác nhau. Sử dụng động cơ điện công suất nhỏ hơn quy định có thể làm thay đổi phá vỡ chế độ công tác bình thường của máy móc, làm giảm năng suất và có thể gây nên sự cố, bản thân động cơ có thể bị hư hỏng. Trường hợp như vậy không những làm giá thành ban đầu tăng lên mà còn làm tăng tổn hao năng lượng vì hiệu suất của động cơ giảm. Mô men truyền động trục cán từ (1-16) M = Mtđ + Mms = 1,4. 107. ΔW. F. D M = 1,4. 107. 376. 1444.10-6. 200.10-3 M = 1250 (KNm) Trong đó ΔW = 376. 103 là STHNL của lần cán đang tính và lần cán trước đó F = 1444 mm2 tiết diện cán ở lần cán đang tính D = 200mm đường kính trục làm việc. Từ các chỉ số Mđt = 1250 (KNm) α = KW.RN164 t.m⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ T = 5195 (Tm2) Ta tính được công suất của động cơ ở lần cán có tiêu hao năng lượng lớn nhất. ®m ®m J 164.5195 P M 1250 α= = =556 (KW) Trong đó Pđm: công suất định mức [KW] Tài liệu tham khảo 17 Mđm: mô men định mức [KNm] (mô men truyền động) J: mô men quán tính phần ứng [T.m]2 trục cán α: chỉ số kỹ thuật của động cơ Vậy ta chọn động cơ loại Mπ9000-1300 Loại ĐC Pđm (Kw) U (V) n (vg/ph) Mđm α Ukt Ikt Mπ6-1300 600 600 600/1300 1250 164 262V/68V 25A/66A Tài liệu tham khảo 18 CHƯƠNG II: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 2.1. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU. 2.1.1. Khái niệm chung Quan hệ giữa tốc độ và mô men của động cơ gọi là đặc tính cơ của động cơ. ω = f (M) hoặc n = f(M) Quan hệ giữa tốc độ và mô men của máy sản xuất gọi là đặc tính cơ của máy sản xuất. Các đặc tính cơ trên có thể biểu diễn ở dạng hàm thuận hoặc hàm ngược, ví dụ: ω = f (M) hay M = f(ω). Ngoài đặc tính cơ, đối với động cơ một chiều, người ta còn sử dụng đặc tính có điện. Đặc tính cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạch động cơ. w = f (I) hay n = f(I). Trong các biểu thức trên: ω: tốc độ góc rad/s n: tốc độ quay v/ph M: mô men Nm Trong nhiều trường hợp, để đơn giản trong tính toán hoặc dưới dạng so sánh, đánh giá các chế độ làm việc của truyền động điện, người ta có thê dùng hệ đơn vị tương đối. Muốn biểu diễn một đại lượng nào đó dưới dạng tương đối ta lấy tri số của nó chia cho trị số cơ bản của đại lượng đó. Trị số cơ bản được chọn là: Uđm, Iđm, wđm, nđm, fđm, Rđm. Với đại lượng tương đối ta dùng ký hiệu “*” ví dụ: điện áp tương đối là U*, mô men tương đối là M*. Tài liệu tham khảo 19 như vậy một số thông số có thể tính được trong hệ đơn vị tương đối nhự sau: * ®m U U U = ; * ®m M M M = ; ®m W W= W * ®m φφ φ Việc trọn các đại lượng cơ bản là tùy ý, sao cho các biểu thức tính toán được đơn giản, thuận tiện như: Tốc độ cơ bản ở động cơ một chiều kích từ hỗn hợp và kích từ độc lập là tốc độ không tải lý tưởng ω0, còn đối với động cơ kích từ nối tiếp thì tốc độ cơ bản là ωđm. 2.1.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điệnáp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng (hình 2.1a). H2.1. Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều a. Kích từ song song b. Kích từ độc lập Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau. Lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập (hình 21b). Cct Rkt Rf I I Rf Uö Rkt Ukt Uö Tài liệu tham khảo 20 2.1.2.1. Phương trình đặc tính cơ Theo sơ đồ hình 2.1a và hình 2.1b ta có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau: Uư = Eư + (Rư + Rf)Iư. (2-1) Trong đó: Uư: điệnáp phần ứng, V Eư: sức điện động phần ứng, V Rư: điện trở mạch phần ứng, Ω Iư: dòng điện của mạch phần ứng, A Với: Rư = rư + rcf + rb + rct rư: điện trở cuộn dây phần ứng rcf: điện trở cuộn dây cực từ phụ rct: điện trở tiếp xúc cuộn bù Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức − PN E . . K. . 2 a = φω= φωπ (2-2) Trong đó: P: số đôi cực từ chính N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng φ: từ thông kích từ dưới một cực từ ω: tốc độ góc rad/s P.NK 2 a = π :hệ số cấu tạo của động cơ. Từ (2-1) và (2-2) ta có − − f − U R R .I K. k. +ω= −φ φ (2-3) Tài liệu tham khảo 21 Biểu thức (2-3) là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. Mặt khác, mô men điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi Mđt = K.φ.Iư (2-4) ®t− M I K. = φ : thay giá trị Iư vào (2-3) ta có ( )− − f2 ®t U R R .M K. K. +ω= −φ φ (2-5) Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng mô men điện từ, ta ký hiệu là M. Nghĩa là: Mđt = Mcơ = M ( )− − f2 U R R M K. K. +ω= − −φ φ (2-6) Đây là phương tình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông φ = const, thì các phương trình đặc tính cơ điện (2-3) và phương trình đặc tính cơ (2-6) là tuyến tính. Đồ thị của chúng được biểu diễn trên hình 2-2 và 2 – 3 là những đường thẳng. Theo các đồ thị, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có: − 0 U K. ω= = ωφ (2-7) ω0 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Tài liệu tham khảo 22 H2.2. Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều KTĐL H2.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều KTĐL Khi ω = 0 ta có −− nm − f U I I R R = =+ (2-8) và M = K. φ.Inm = Mnm (2-9) Inm và Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch. Ngoài ra phương trình đặc tính (2-3) và (2-6) cũng có thể được viết dưới dạng: − 0 U RI K. K ω= − = ω − Δωφ φ (2-10) ( )− 2 0 U RM K. K. ω= − = ω − Δωφ φ (2-11) Trong đó R = Rư + Rf, −0 U K. ω = φ ( )2− R R .I .M K. K. Δω= =φ φ ω ωdm ωdm ω Tài liệu tham khảo 23 Δω được gọi là độ sút tốc độ ứng với giá trị của M. Từ phương trình đặc tính co (2-6) ta thấy có 3 tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từ thông động cơ φ, điện áp phần ứng Uư, điện trở phần ứng động cơ. 2.1.2.2. Xét ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ a. ảnh hưởng của điện áp phần ứng. Giả thiết là Rư = const và φ = φđm = const Khi thay đổi điện áp phần ứng theo hướng giảm so với Uđm, ta có tốc độ không tải. xox ®m U U var K. = =φ Độ cứng đặc tính cơ ( ) 2 − K. R φβ = − = const Như vậy, khi thay đổi điện áp, đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên như hình (2-4) H2.4. Các đặc tính của động cơ một chiều KTĐL khi giảm điện áp đặt vào phần ứng động cơ (U4 < U3 < U2 < U1 < Uâm) Ta thấy rằng: khi thay đổi điện áp (giảm điện áp) thì mô men ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ của động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động. ω0 Tài liệu tham khảo 24 b. Ảnh hưởng của điện trở phần ứng. Giả thiết Uư = Uđm = const và φ = φđm= const. Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng. Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng. ®m0 ®m U K. ω = φ = const Độ cứng đặc tính cơ: ( ) 2 ®m − f K.M K R φΔβ = = −Δω + = var Khi Rf càng lớn thì β càng nhỏ, nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. Ứng với Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên. ( )2®mTN K.R φβ = − βTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đường đặc tính có điện trở phụ. Như vậy, khi thay đổi điện trở phụ Rf ta được một họ đặc tính biến trở có dạng như hình 2-5. H2.5. Các đặc tính của động cơ một chiều KTĐL khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng Rf4 > Rf3> Rf2> Rf1. ω0 ω Tài liệu tham khảo 25 Ứng với một phụ tải M nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mô men ngắn mạch cũng giảm. Phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản. c. Ảnh hưởng của từ thông Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm = const Điện trở phần ứng Rư = const. Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ Ikt động cơ. Khi thay đổi Ikt tức là thay đổi φ thì tốc độ không tải lý tưởng ®m ox x U K ω = =φ var Độ cứng đặc tính cơ : ( ) 2 x − K R φβ = = var Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông, nên khi từ thông giảm thì ω0x tăng, còn β sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cơ với ω0x tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông. H2.6. Đặc tính của động cơ một chiều KTĐL khi giảm từ thông (φ2 < φ1 < φđm) a. Đặc tính cơ điện; b. Đặc tính cơ ω ω02 ω01 ω0 '2 '1 'K ω ω0 ω01 ω02 φ2 Μχ φ1 φK Tài liệu tham khảo 26 Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông: Dòng điện ngắn mạch ®mnm − I I R = = const Momen ngắn mạch: Mnm = K. φx. Inm = var Với dạng mô men tải cản thích hợp với chế độ làm việc của động cơ. Tải có momen tỷ lệ nghịch với tốc độ, chẳng hạn các cơ cấu máy cuốn dây, quấn giấy, các truyền động quay trục chính, máy cắt gọt kim loại thì khi giảm từ thông, tốc độ động cơ sẽ tăng lên. 2.2. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác. Không những có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Điều chỉnh điện áp phần ứng. 2.2.1. Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển,… các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh được nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. Lb BBD Udk Rb Ru EuEb I U a) b) Tài liệu tham khảo 27 H2.7. Sơ đồ khối a. Sơ đồ thay thế; b. Ở chế độ xác lập Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở Rb và điện cảm Lb ≠ 0, ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau: Eb – Eư = Iư (Rb + Rưđ) b −®b − ®m ®m R RE .I K. K. +ω= −φ φ (2-12) 0 ®k M Uω= ω − β Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tuỳ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để. Để xác định dải điều chỉnh tốc độ, ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chạn bởi đặc tính cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu của sai số, tốc độ mô men khởi động. Khi mômen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là: ®mmax 0max Mω = ω − β ®mmin 0min Mω = ω − β Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mo men ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM. Mđm Trong đó: Tài liệu tham khảo 28 KM là hệ số quá tải về mô men. Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ, ta có thể viết. ( ) ( )®mmin nmmin ®m MM1M M K 1ω = − = −β β (1-13) Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị ω0max, Mđm, KM là xác định, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào gía trị độ cứng β. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ. Do đó có thể tính sơ bộ được: 0max ®m 10 M ω β ≤ Vì thế với tải có đặc tính mô men không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cũng không vượt quá 10. Đối với các máy có yêu cầu cao về dải điều chỉnh tốc độ và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các hệ thống hở như trên là không thoả mãn được. Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơ tĩnh là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ trong toàn dải điều chỉnh là như nhau, do đó độ sụt tốc tương đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đặt tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh. Hay nói cách khác, nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vượt quá giá trị cho phép thì hệ chuyển động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh. Sai số của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là: 0min min 0min 0min S ω −ω Δω= =ω ω ®m cp 0min M S S= ≤β ω (2-14) Tài liệu tham khảo 29 Vì các giá trị Mđm, ω0min, Scp là xác định nên có thể tính được giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vượt quá giá trị cho phép. Để làm được việc này, trong đa số các trường hợp cần xây dựng các hệ truyền động kiểu phòng kín. H2.8: Xác định phạm vi điều chỉnh Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích từ được giữ nguyên, do đó momen tải cho phép của hệ sẽ không đổi. Mccp = K. φđm.Iđm = Mđm Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là rất thích hợp trong trường hợp mô men tải là const trong toàn dải điều chỉnh. 2.2.2. Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ. Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ một chiều là điều chỉnh mômen điện từ của động cơ M = KφI và sức điện động quay của động cơ Eư = K.φ.ω. Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến. kk k b k l d i r r dt φ= + ω+ (2-15) Trong đó: rk là điện trở cuộn dây kích thích 0 ω ω0max ωmax ω0min ωmin Tài liệu tham khảo 30 rb: điện trở của nguồn điện áp kích thích ωk: số vòng dây của dây quấn kích thích Trong chế độ xác lập ta có quan hệ. ( )kk ht b k l i ; f i r r = φ =+ Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính có điện áp phần ứng định mức, từ thông định mức và được gọi là đặc tính cơ bản. Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp điện. Khi giảm từ thông để tăng tốc độ quay của động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bị xấu đi, vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là mômen cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh. Ngay cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ cũng giảm rất nhanh, khi giảm từ thông kích thích. ( )2K R−φ φβ = Tài liệu tham khảo 31 H 2.9. nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ: a) sơ đồ thay thế, b) Đặc tình điều chỉnh khi điều chỉnh từ thông động cơ; c) quan hệ φ(ikt) Sơ đồ thay thế (a) đặc tính điểu chỉnh khi điều chỉnh từ thông động cơ (b) quan hệ φ(rkt) (c) Do điều chỉnh tốc độ băng cách giảm từ thông nên đối với các động cơ mà từ thông định mức năm ở chỗ tiếp giáp giữa vùng tuyến tính và hằng số C phụ thuộc vào thông số kết cấu của máy điện. φ = C.ik = k b k e c r r+ 2.3. HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI - ĐỘNG CƠ (BBĐ - Đ) Cấu trúc phân cực hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bao giời cũng cần có bộ biến đổi các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kính tư động cơ. Cho đến nay trong công nghiệp thường sử dụng các loại bộ biến đổi sau đây. Lk rbk rk wk E + - Udkφ I ω §Æc tÝnh c¬ b¶n a. b.ikwk φdm φ U®kφ c. Tài liệu tham khảo 32 Bộ biến đổi máy điện gồm: Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại. Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn, chỉnh lưu Thiristo (CLT). Bộ biến đổi xung áp một chiều Thiristo hoặc tranphito (BBĐXA). Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà có các hệ truyền động như sau: Hệ truyền động máy phát – động cơ ( F - Đ) Hệ chỉnh lưu Thiristo - động cơ ( T - Đ) Hệ truyền động xung áp động cơ ( XA - Đ) Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có loại điều khiển theo mạch kín (ta có hệ truyền động điều khiển hở), Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện có cấu trúc phức tạp nhưng có chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng hở so với hệ truyền động “hở” 2.3.1. Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (F - Đ) 2.3.1.1. Cấu trúc hệ F - Đ và các đặc tính cơ bản. Hệ thống máy phát động cơ (F - Đ) là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi điện là máy phát điện một chiều kính từ độc lập. Máy phát này thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha quay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi. Tính chất của máy phát điện được xác định bởi hai đặc tính: Đặc tính từ hoá là sự phụ thuộc giữa sức điện động máy phát vào dòng điện kích từ và đặc tính tải là sự phụ thuộc vào điện áp trên hai cực của máy và dòng điện tải. Các đặc tính này nói chung là phi tuyến do tính chất của lõi sắt, do các phản ứng của dòng điện phần ứng… Trong tính toán phần đúng có thể tuyến tính hoá đặc tính này. EF = kF. φF.ωF = kF.ωF .ikF (1-26) Tài liệu tham khảo 33 Trong đó kF là hệ số kết cấu của máy phát. e = F kFi Δφ Δ là hệ số góc của đặc tính từ hoá. Nếu dây quấn kính thích của máy phát được cấp bởi nguồn áp lý tưởng UkF thì. ikF = kF kF U r sức điện động của máy phát trong trường hợp này sẽ tỷ lệ với điện áp kích thích bởi hệ số hằng kF, như vậy có thể coi gần đúng máy phát điện một chiều kính từ độc lập là bộ khuếch đại tuyến tính. EF = kF.UkF UkF Uđku lkF Fω M ®kU φ UF = UĐ ω I DK F D MS H2.10. Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (F-D) Nếu đặt R = RưF + Rưđ thì có thể viết được phương trình các đặc tính của hệ F - φ như sau: ω = F kFk .U Kφ - RI Kφ ω = F kFk .U Kφ - ( )2 RI Kφ .M (2-17) ω = ω0 (kF,Ukφ) - k M U φβ Tài liệu tham khảo 34 Biểu thức (2-17) chứng tỏ rằng khi điều chỉnh dòng điện kích thích của máy phát thì điều chỉnh được tốc độ không tải của hệ thống còn độ cứng đặc tính cơ thì giữa nguyên. Cũng có thể điều chỉnh kích từ của động cơ để có dải điều chỉnh tốc độ rộng hơn. 2.3.1.2. Các chế độ làm việc của hệ F - D Với sơ đồ cơ bản như hình 2-16 động cơ chấp hành Đ, động cơ chấp hành Đ có thể làm việc ở cả hai chế phía: kích thích máy phát F và kích thích động cơ Đ, hãm động năng hi dòng kích thích máy phát bằng không hãm tác sinh khi giảm tốc độ hoặc khi đảo chiều dòng kích từ, hãm ngược ở cuối giai đoạn hãm tái sinh đảo chiều khi làm việc ổn định với mômen tải có tính chất thế năng …Hệ F - Đ có đặc tính cơ điện đẩy cả bốn góc phần tử của mặt phẳng toạ độ [ω, M] . Ở góc phần thứ I và thứ III tốc độ quay và mômen quay của động cơ luôn cùng chiều nhau, sức điện động máy phát và động cơ có chiều ngược nhau và FE E> , oω > ω . Côg suất điện từ của máy phát, công suất điện từ và công suất cơ học của động cơ là: PF = EF.I > 0 FĐ = E.I < 0 Pω = M.ω > 0 Tài liệu tham khảo 35 ω ω ω ω H 2.11. Đặc tính cơ của hệ F - D a. Trong chế độ động cơ; b. Trong chế độ hãm tái sinh Các biểu thức (2-18) cho ta thấy ở góc phần tử thứ I và thứ III năng lượng được vận chuyển thuận từ nguồn → máy phát → động cơ → tải. Tài liệu tham khảo 36 Vùng hãm tải sinh nằm ở góc tử thứ II và thứ IV lúc này cho do oω > ω nên FE E> dòng phần ứng chảy ngược từ động cơ về máy phát làm cho mômen quay ngược chiều tốc độ quay vì thế. PF = EF.I < 0 PĐ = E.I > 0 (2-19) Pcơ = M .ω < 0 Như vậy, dòng điện ở chế độ hãm tái sinh ngược chiều với chiều dòng điện ở chế độ động cơ và năng lượng được chuyển vận theo chiều từ tải → động cơ → máy phát → nguồn, máy phát F và động cơ Đ dổi chức năng cho nhau. Vùng hãm ngược động cơ trong hệ F - Đ được gới hạn bởi đặc tính hãm động năng và trục mômen. ω ω H.2.12. Vùng hãm ngược động cơ trong hệ F - D Tài liệu tham khảo 37 Sức điện động E của động cơ trở nên cùng chiều suất điện động máy phát hoặc do rôto bị kéo quay ngược bởi ngoại lực tải thế năng, hoặc do chính suất điện động máy phát đảo dấu. Biểu thức tĩnh công suất sẽ là. PF = EP.I > 0 PĐ = E.I > 0 Pcơ = M.ω <0 Hai nguồn suất hiện điện động E và RF cùng chiều và cùng cung cấp cho điện trở phần ứng tạo nhiệt năng tiêu tán trên số. 2.3.2. Hê thống chỉnh lưu - động cơ một chiều 2.3.2.1. Chỉnh lưu bãn dẫn làm việc với động cơ điện. Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển - động cơ điện một chiều (CL - Đ), bộ biến đổi điện là các mạch chỉnh lưu điều khiển có suất điện động E phụ thuộc vào giá trị góc điều khiển kích thích động cơ. Tuỳ theo yêu cầu cụ thể của truyền động mà có thể dùng các sơ đồ chỉnh lưu thích hợp để phân biệt chúng ta có thể căn cứ vào các dấu hiệu sau: Số pha: 1 pha, 3 pha, 6 pha…. Sơ đồ nối: hình tia, hình cầu đối xứng và không đối xứng. Số nhịp: số xung áp đập mạch trong thời gian một chu kỳ điện áp nguồn. Chế độ năng lượng: chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc. Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn Tải của cuộn chỉnh lưu thường là mạch phần ứng đông cơ (L-R-E) hoặc là cuộn kích truyền (L – R). Để tìm hiểu hoạt động của hệ (L - Đ) ta hãy phân tích một sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha và sơ đồ thay thế như hình 2-19. Tài liệu tham khảo 38 Hình 2.13: Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế của chỉnh lưu tia ba pha Hình 2.14. Đặc tính điều chình (a) và đồ thị thời gian của chỉnh lưu hình tia pha (b) Khi dòng điện chỉnh lưu id là liên tục thì có thể dựng được đồ thị các quá trình dòng điện và điện áp như trên hình 2-20 suất điện động chỉnh lưu là những hình sin nối tiếp nhau, giá trị trung bình của suất điện động chỉnh lưu tính như sau: α λ ωt ωt ππ/2 α Tài liệu tham khảo 39 Ed = 2 P 2m P U sin d d .cos 2 πα+ α θ θ = θ απ ∫ (2.21) θ = ωet α: Góc điều khiển tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên. P: số xung áp đập mạch trong một chu kỳ điện áp xoay chiều. Edo 2m P sin U p π π U2m là biên độ điện áp đưa vào bộ chỉnh lưu: Nếu gọi góc dẫn của van là λ thì có thể tính được thành phần một chiều của dòng điện chỉnh lưu chính là thành phần sinh momen quay của động cơ. d 2m 0 0 P P I i .d U .sin E 2P 2 R 2 2 2 λ ⎡ ⎤λ λ λ⎛ ⎞= θ = α + −⎜ ⎟⎢ ⎥π ⎝ ⎠⎣ ⎦∫ b. Hiện tượng chuyển mạch Khi phát xung để mở một van Thiristo thì điên áp anốt của pha đó là dương hơn điện áp của pha có van đang dẫn dòng, do đó mà dòng điện của van đang dấnẽ giảm dần về không còn dòng điện của van kế tiếp sẽ tăng dần lên. Do trong mạch có điện cảm mà quá trình này xảy ra từ từ, cùng tại một thời điểm cả hai van đều dẫn dòng va chuyển dòng cho nahu. Quá trình này gọi là chuyển mạch giữa các van. Trong quá trình chuyển mạch vì cả hai van dề dẫn nen suất điện động chỉnh lưu bằng trung bình cộng của điện áp hai pha. Tài liệu tham khảo 40 Hình 2.15 Hiện tượng chuyển mạch giữa các van Thiristo α: góc điều khiển tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên khoảng thời gian cần thiết để van chuyển dòng cho nhau (góc trùng dẫn). Do có chuyển mạch nên suất điện động chỉnh lưu bị sụt đi (vùng gạch chéo trên hình vẽ). c. Chế độ dòng điện gián đoạn. Hiện tượng gián đoạn dòng điện chỉnh lưu xảy ra do năng lượng điện tử tích luỹ trong mạch khi dòng điện tăng không đủ duy trì tính chất liên tục Hình 2.16: Chế độ dòng điện gián đoạn α θ μ θ θ Tài liệu tham khảo 41 Lúc này góc dẫn van trở lên nhỏ hơn 2π/p. Dòng điện qua van trở về không trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn. Trong khoảng dẫn van thì suất điện động chỉnh lưu bằng suất điện động của nguồn khi dòng điện bằng không. Khi dòng, suất điện động chỉnh lưu bằng suất điện động của động cơ điện. d. Chế độ nghịch lưu phụ thuộc. Nếu trong sơ đồ hình (2-19) ta tăng góc mở của các van đến giá trị gần bằng π và đảo chiều suất điện động E bằng cách dùng ngoại lực bắt roto động cơ quay ngược, hoặc đảo chiều dòng kích từ được thì dòng điện chỉnh lưu vẫn theo chiều cũ nhưng suất điện động chỉnh lưu đã đảo dấu các van dẫn dòng trong thời gian điện áp anốt âm. Công suất điện tử của động cơ và của chỉnh lưu đã đảo dấu do các van dẫn dòng trong thời gian điện áp anốt âm. Công suất điện tư của động cơ và của chỉnh lưu là Pđt = EId > 0 Pd = Ed Id <0 Chỉnh lưu trở thành thiết bị nhận điện năng do động cơ phát ra và biến điện năng một chiều này thành điện năng xoay chiều trả về lưới điện. 2.3.2.2. Đặc tính của hệ truyền động chỉnh lưu Thiristo - động cơ một chiều. a. Chế độ dòng điện liên tục Dòng điệ chỉnh lưu Id chính là dòng điện phần ứng của động cơ điện. Căn cứ vào sơ đồ thay thế ta có phương trìh đặc tính. ω = do k ®m ®m E .cos R X .I k k α +−φ φ ω = do k ®m ®m E .cos R X .M k k α +−φ φ Tài liệu tham khảo 42 Hình 2.17: Sơ đồ thay thế chỉnh lưu động cơ một chiều Đặc tính cơ có độ ứng β = ( ) 2 ®m k k R X φ + Tốc độ không tải lý tưởng tuỳ thuộc vào góc điều khiển α do o ®m E cos K αω = φ Thay đổi góc điều khiển α từ 0 ÷ π thì suất điện động chỉnh lưu biến thiên từ Edo và ta được một họ đặc tính tính song song nhau nằm ở nửa bên phải của mặt phẳng toạ độ [ω, I] ω maxω Hình 2.18: Đặc tính cơ hệ T - Đ Các đặc tính cơ bản cua hệ T - Đ mền hơn các đặc tính cơ của hệ F - Đ bởi vì có sự sụt áp do hiện tượng chuyển mạch giữa các van bán dẫn gây nên. Tài liệu tham khảo 43 Khi góc điều khiển biến thiên trong vùng 0 ≤ α ≤ 2 π bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu, động cơ có thể làm việc ở chế độ động cơ nếu suất điện động E còn dương và ở chế độ hãm ngược nếu suất điện động E đổi chiều (xem hình 2-24). Khi tăng góc điều khiển 2 π ≤ α < αmax và tải có tính chất thế năng để quay ngược chiều động cơ thì cả suất điện động Ed và E đều đổi dấu. Nếu suất điện động động cơ lớn hơn giá trị trung bình của bộ biến đổi thì dòng điện chảy qua các van vẫn theo chiều cũ, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh. b. Chế độ dòng điện gián đoạn. Bằng phương pháp toán học ta có thể tính và vẽ được đặc tính cơ trong vùng dòng điện gián đoạn đó là các doạn cong nét liền rất dốc sát trục tung trên hình 2-24. Hệ thống không thể áp dụng các phương pháp tự động điều chỉnh đặc biệt. 2.3.2.3. Nhận xét chung Ưu điểm của hệ T - Đ là độ tác động nhanh cao, không gây ồn và dễ tự động hoá, thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh vòng để nâng cao chất lượng đặc tính tĩnh và đặc tính động của hệ thống. Nhược điểm của hệ T - Đ là do các van bán dẫn có tính phi tuyến đạng điện áp chỉnh lưu ra có biên đô đập mạch cao, gây tổn thất pha trong máy điện. Hệ số cos ϕ của hệ nói chung là thấp. Hệ truyền động điều chỉnh xung áp - Động cơ một chiều. Nguyên lý hệ truyền động điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều. Trên hình 2-19a mô tả sơ đồ nguyên lý hệ truyền động điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều. Tài liệu tham khảo 44 Khi khoá S thông ta có: Uθ = UN, i = iN, khi khá S ngắt thì iN = 0, Uθ = 0 và i = iθ0. Do tác dụng duy trì dàng của L. Đồ thị trên hình 2-19b mô tả quá trình dòng điện và điện áp trong chế độ dòng điện liên tục. Tài liệu tham khảo 45 Uθ LUΔ Uθ Hình 2.19: nguyên lý làm việc của hệ xung áp động cơ. Tài liệu tham khảo 46 Căn cứ vào sơ đồ thay thế ở hình 2-19 a ta có phương trình cân bằng điện áp như sau: Uθ = ΔUL + ΔUR + E = 0 di L Ri U 0 dt θ + = = Tại thời điểm t = 0 khoá S bắt đầu thông va Uθ = UN Khi đó dòng điện i = Imin. Giải phương trình i = ( )t / t− t / t−N m inU E 1 e I eR − −− − + Với 0 ≤ t < tđ và Tư = L R là hằng số thời gian của mạch phần ứng. Tại thời điểm t = tđ khoá s bắt đầu ngắt khi dó i = Imax Khi đó trong mạch vẫn tồn tại dòng điện khép mạch qua D0 (do năng lượng điện từ tích luỹ trong mạch khi dòng điện tăng) và Uθ = D Nếu S thông liên tục tđ = T thì dòng điện trong mạch phầng ứng sẽ khôngg đổi và bằng I = Imax = Imin = N U E R − Nếu thời gian thông khoá giảm đến một giá trị tới hạn đó tđ = tgh thì dòng Imin = 0, và nếu tđ < tgh thì hệ thống sẽ chuyển sang chế độ dòng điện gián đoạn. Tại thời điểm trên hình 2-19c là khi dòng điện giảm đến giá trị 0. Khi tx < T thì xảy ra chế độ dòng điện gián đoạn và giống như ở hệ T - θ thì đặc tính cơ của động cơ trong vùng dòng điện gián đoạn là rất mềm. Tài liệu tham khảo 47 CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN MẠCH LỰC 3.1. MỤC ĐÍCH YÊU CẦU Như đã phân tích ơ chương I phàn chủ yếu về truyền động sử dụng động cơ điện một chiều cơ sở 600kW, điện áp ba pha 600V, tốc độ được điều chỉnh trơn. Ta sử dụng hệ truyền động T - Đ có phản hồi âm tốc độ BBĐ cấp cho phần ứng kích từ của động cơ là kích từ độc lập. Đảo chiều quay bằng công tắc tơ chuyển mạch để đảo chiều dòng điện phần ứng. Động cơ dùng phương pháp hãm động năng kích từ độc lập. Để tăng tuổi thọ và nâng cao hiệu quả sử dụng, khai thác hết công suất của động cơ và bộ biến đổi, ta sử dụng quạt làm mát có công suất 0,7 kW để quạt mát cho động cơ một chiều. Bộ đổi Thiristo cũng được lắp quạt làm mát với công suất 7kW. 3.2. LỰA CHỌN CỦA BỘ CHỈNH LƯU Trong trường hợp này là động cơ một chiều, tức là trên sơ đồ thày thế có dạng R + L + E. 3.2.1. Chỉnh lưu cầu một pha đối xứng có điều khiển. U ® T3 T1 T2 T4 Tài liệu tham khảo 48 Hình 3.1: Chỉnh lưu cầu một pha đối xứng: a) Sơ đồ thay thế; b) Đồ thị thời gian Để đơn giản cho quá trình phân tích ra xem dòng điện chỉnh lưu id là dòng liên tục và không có hiện tượng chuyển mạch giữa các van, tức là tại một thời điểm chỉ có một van dẫn dòng. Tại θ = α ta phát xung ở cặp Thiristo 1 1 và 4. Khi θ = α + π ta phát xung mở cặp Thiristo 2 và 3, α gọi là góc mở van (hay góc điều khiển ). tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên. U2 là trị số hiệu dụng. Điện áp pha cuộn thứ cấp biến áp nguồn. Căn cứ vào bảng các tham số chính của các mạch chỉnh lưu trong quyển tài liệu "Hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất" của thầy Phạm Quốc Hải ta có các tham số chính của mạch chỉnh lưu cầu một pha như sau: Giá trị trung bình của dòng điện van Iv = Id/2 Trong đó Id là trị số trung bình dòng điện ra tải. Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu khi làm việc Ung max = 1,41 U2 Trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp máy biến áp nguồn Sba = 1,23.Pd Trong đó Pd là công suất một chiều trên tải. Pd = Udo .Id. Tài liệu tham khảo 49 Hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu Kđm = 0,67 Nhận xét: Sơ đồ này có thể cấp dòng tải lên tới 100(A) và điện áp ra tải từ 10 (V) trở lên. Ưu điểm của sơ đồ này so với chỉnh lưu hình tia là không nhất thiết phải có biến áp nguồn, khi điện áp ra tải phù hợp với cấp điện áp nguồn xoay chiều ta có thể mắc trực tiếp mạch chỉnh lưu và lưới điện. Do sụt áp trên các van gấp đôi sơ đồ hình tia nên không thích hợp với tải. Cần dòng lớn nhưng điện áp lại nhỏ. 3.2.2. Chỉnh lưu hình tia 3 pha. Hình 32. Chỉnh lưu hình tia 3 pha: a) sơ đồ thay thế; b) Đồ thị thời gian ωt ωt Tài liệu tham khảo 50 Các tham số chính của mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha như sau: Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu. 2 d 3 6U U .cos 2 = απ Khi α = 0 thì Udo = 1,17 U2 Trị số trung bình của dòng điện qua van Iv = d I 3 Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu khi làm việc. Ungmax = 2,45 U2 Trị số hiệu dụng dòng diện cuộn thứ cấp thứ nhất MBA nguồn. I2 = 0,58 Id Công suất tính toàn của máy biến áp nguồn Sba = 1,.35Pd Nhận xét: Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha hình tia bắt buộc phải có biến áp nguồn để có điểm trung tính đưa ra tải, công suất máy biến áp này lớn hơn công suất một chiều 1,35 lần. Tuy nhiên sụt áp trong mạch van nhỏ nên thích hợp với phạm vi điện áp làm việc thấp. Vì sử dụng nguồn 3 pha nên không làm lệch điện áp lưới và cho phép nâng cao công suất tải lớn lên nhiều, mặt khác, độ đập mạch của điện áp ra sau mạch chỉnh lưu giảm đáng kể nên kích thước bộ lọc cùng nhỏ đi nhiều so với sơ đồ 1 pha. 3.2.3. Chỉnh lưu 3 pha sơ đồ cầu. Các tham số chính của mạch chỉnh lưu 3 pha sơ đồ cầu như sau: Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu. Tài liệu tham khảo 51 Ud = 2 3 6U cos cos α απ Khi α = 0 thì Udo = 2,34. U2 Trị số trung bình dòng điện quan van, d v I I 3 = Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu khi làm việc Unguồn max = 26.U Công suất tính toán mạch MBA nguồn. Sba = 1.05. Pd. Hế số đập mạch của điện áp chỉnh lưu Kđm = 0,057 sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha (H gần 6 Thiristo chia thành hai nhóm. Nhóm ca tốt chung: T1, T3 và T5 Nhóm anốt chung: T2, T4 và T6 Điện áp các pha. U2a = 22.U sinθ U2b = 22.U sin( 2πθ − 3 U2c = 22.U sin( 4πθ − 3 Góc mở α được tính từ giao điểm của các nửa hình sin. Hoạt động của sơ đồ. Giả thiết T5 và T6 đang cho dòng chảy qua VF = U2c , VG = U2b khi θ = θ1 = 6 π + α cho xung điều khiển mở T1. Thiristo này mở vì U2a >0. Sự mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên và U2a > U2c, Lúc này T6 và T1 cho dòng chạy qua. Điện áp trên tải Ud = Uab = U2a = U2b . Tài liệu tham khảo 52 Khi θ = θ2 = 3 6 π + α cho xung điều khiển mở T2. Thiristo này mở vì khi T6 dẫn dòng, nó đặt U2b nên anốt T2 mà U2b > U2c. Sự mở của T2 làm cho T6 bị khoá lại một cách tự nhiên và U2b > U2c Các xung điều khiển lệch nhau 3 π được lần lượt đưa đến cực điều khiển các Thiristo theo thứ tự 1, 2, 3,4, 5, 6, 1… Trong mỗi nhóm khi 1 Thiristo mở nó sẽ khoá ngay Thiristo dẫn dòng trước nó. Tóm tắt bảng. Thời điểm Mở Khoá θ1 = π/6 + α T1 T5 θ2 = 3π/6 + α T2 T6 θ3 = 5π/6 + α T3 T1 θ4 = 7π/6 + α T4 T2 θ5 = 9π/6 + α T5 T3 θ6 = 11π/6 + α T6 T4 Giá trị trung bình của điện áp trên tải Đường bao giá trên biểu diễn điện thế cau F và VF. Đường bao giá dưới biễu diễn điện thế cau G và VG. Điện áp trên tải là Ud = VF -VG là khoảng cách thẳng đứng giữa hai đường bao. Ud = 5 6 2 6 3 6U6 2Usin d .cos 2 π+α π θ θ = απ π∫ Tài H liệu tham Ud = 2 ình 3.3 Ch khảo 7 6 3 6 6 2U π+α ππ ∫ ỉnh lưu 3 sin 2⎛θ +⎜⎝ 1 4 pha sơ đồ 5 d −π ⎞ θ =⎟3 ⎠ 3 6 a) cầu: a) s 23 6U .co 2π 5 2 A K ơ đồ thay t sα Ud hế; b) Đồ L R ¯ E thị thời gi an Tài liệu tham khảo 54 Nhận xét: Chỉnh lưu 3 pha sơ đồ cầu là loại được sử dụng nhiều nhất trong thực tế vì có nhiều ưu điểm hơn cả. Nó cho phép đấu thẳng vào lưới điện 3 pha, độ đập mạch rất nhỏ (5%). Nếu có dùng biến áp thì gây méo lưới điện ít hơn các loại trên đồng thời công suất MBA cũng chỉ xấp xỉ công suất tải. Công suất mạch chỉnh lưu này có thể rất lớn đến hàng trăm kW. Nhược điểm của nó là một sụp áp trong mạch van gấp đôi sơ đồ hình tia nên không phù hợp với cấp điện áp ra tải dới 10V. 3.2.4. Kết luận Sau khi đưa ra các sơ đồ trên ta có nhận xét: Công suất tải của ta lớn nên nếu ta dùng sơ đồ cầ 1 pha sẽ gây ra méo điện áp lưới. Nếu dùng chỉnh lưu sơ đồ hình tia thì ta cần phải có biến thế. Mặt khác, do sơ đồ này có hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu tương đối lớn nên phải dùng thêm bộ lọc. Nếu dùng chỉnh lưu 3 pha sơ đồ cấu thì sẽ đảm bảo được yêu cầu vì công suất của tải lớn. Mặt khác điện áp của động cơ trong trường hợp nàylà 600V vì vậy ta có thể mắc trực tiếp chỉnh lưu 3 pha sơ đồ cầu vào lưới điện mà không cần phải qua biến thế. Hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu cau sơ đồ này rất thấp (0,057). Vì thế có thuận lợi là ta không phải dùng bộ lọc. Vậy sau khi căn cứ vào công suất và điện áp mà tải yêu cầu ,và đối chiếu với ưu và nhược điểm của từng sơ đồ là chọn chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển là hợp lý nhất. 3.3 TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC Để đảm bảo đưa ra đến tải điện áp 600V công suất động cơ 600 kW cần phải bù các sụt áp do điện trở, điện cảm của dây quấn MBA và sụt áp trên van bán dẫn. Vì vậy điện áp trên van thực tế là Ud. Tài liệu tham khảo 55 Ud = Uđt + ΔUr + ΔUx + ΔUvr ΔUv là sụt áp trên van ΔUv = 2A. Sụt áp trên trở dây quấn biến áp. Do điện áp Ud tạo thành nhờ điện áp 2 pha của nguồn nên điện trở gây sụt áp là hai điện trở pha. Vì vậy có hệ số 2 trong nhiều biểu thức sau: ΔUr = 2Id rba = 2Id = 2Id = 2 2 ba U S / 3 λr ΔUr = Id 2 d d U 6 . 2,34 1,05Ud.I λ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ = 1,044.λrUd Sụt áp do trùng dẫn gây ra bởi điện cảm dây quán pha biến áp ΔUx = 2 2 d ba d x ba U I X I 3 3 S / 3 π π= λ = x d2 9 .U 2,34 .1,05 λ π = 0,497λxUd ⇒ Ud = ( ) ( )dt vr x U U 600 2,01 1 1,044 0,497 1 1,044.0,02 0,497.0,07 + Δ +=− λ + λ − + Ud = 638 ⇒ U2 = dU 638 2,34 2,34 = = 272 (V) λr = 2%, λx = 7% là lượng sụt áp % do điện trở và điện cảm dây quấn biến áp. 3.3.1. Tính chọn van cho mạch động lực. Mạch động lực gồm có 6 van Thiristo lắp theo sơ đồ cầu. Điện áp ngược mà mỗi van phải chịu là vì van được mắc theo sơ đồ cầu 3 pha nên điện áp ngược đặt lên van được tính theo công thức. Ungmax = 2,45U2 = 2,45.272 = 666,4. Tài liệu tham khảo 56 Điện áp của van được chọn phải thoả mãn điều kiện. Uv > Ku.Ungmax ở đây Ku là hệ số dự trữ điện áp cho van. Do thực tế điện áp lưới không ổn định và được phép dao động, mặt khác có nhiều yếu tố ảnh hưởng ngẫu nhiên trên mạng điện nên hệ số dự trữ điện áp lấy trong khoảng 1,7 đến 2,2 Ta chọn Ku = 2, vì thế van được chọn phải có UV = 2. 666,4 = 1332,8 (V) Dòng điện ma mỗi van phải chịu là IV > KλV .Itbv Trong đó: Itbv là giá trị trung bình dòng điện thực tế qua an Iv là dòng trung bình của van được chọn Kλv là hệ số dự trữ về dòng điện cho van. Đối với sơ đồ sau ta có dòng điện trung bình thực tế qua van. Itbv = d I 100 3 3 = = 333,3 (A) Trong đó: Id là dòng định mứ của động cơ. Id = Iđm = 1000 (A) ⇒ Itbv = Iđm = 333,3 Hệ số dự trữ dòng điện của van tuỳ thuộc vào đực điểm làm việc của van, chẳng hạn cường độ dòng điện qua van thuộc loại lớn béhau trung bình, có hay làm việc ở điều kiện quá tải hau không , điều kiện môi trường chế dộ làm mát. Với điều kiện cụ thể của nhà máy thép ta thấy. Kλv = 2 Vậy van mà ta chọn phải có: 2. 333,3 = 666,6 (A) Tài liệu tham khảo 57 Iv > Kλv .Itbv = 2.333,3 = 666,6 (A) Như vậy ta phải chọn van thoả mãn hai chỉ tiêu. Chỉ tiêu điện áp Uv > 1332,8 (V) Chỉ tiêu dòng điện Iv > 666,6 (A) Căn cứ vào bảng tham số Thiristo do Liên Xô sản xuất (tài liệu ĐTCS của thầy Phạm Quốc Hải) ta chọn Thiristo ký hiệu T -800, có các thông số sau. Icp = 800 (A) Id = 14.000 (A) cấp du/dt 4-6 Tx = 3600(A) Id = 30 (mA) cấp tph = 1 Cấp di /dt = 1-4 ΔU = 2,1 (V) Uđk = 7 (V) Iđk = 400 (mA) Cấp điện áp (10 - 24) 100 (V) 3.3.2. Tính toán thiết kế cuộn kháng bảo vệ hạn chế tốc độ tăng dòng di/dt. Vì mạch chỉnh lưu mắc trực tiếp vào lưới điện không có máy biến áp nên ta phải có cuộn kháng này. Tốc độ tăng dòng di/dt sẽ lớn nhất khi điện áp trước khi van dẫn là cao nhất, tương ứng với điện áp lưới tăng thêm 5%, do đó cuộn kháng mà ta cần thiết kế giải có hệ số tự cảm thoả mãn: L > ( )v max 6 cp U 21,05.600 di / dt 50.10 = = 18.10-6H = 18μH Ta chọn điện cảm hạn chế L = 20μH. Dựa vào tài liệu "Thiết kế - thiết bị điện điện tử công suất" của tác giả Trần Văn Thịnh ta thiết kế tính toán cuộn kháng sau: I = 2πf.L Tài liệu tham khảo 58 I. Tổng trở cuộn kháng. + Sụt áp trên cuộn kháng : ΔUck = I.Z I là dòng điện xoay chiều đi qua cuộn kháng vào bộ chỉnh lưu cầu pha 3pha: I = 0,816.Id. Pck = ΔUck.I = I2 .Z = (0,816.Id)2 Pck = (0,816.100)2.2.3,14.50.20.19-6 = 4181 (VAR) + Tính tiết diện lõi thép cuộn kháng. SFe = K ck P f với K =5 ÷ 6 ta thấy k = 5,5 SFe = 5,5 8181 50 = 50 cm2 . Vậy ta chọn S = 55cm2 + Tính số vòng dây cần có của cuộn kháng. W = ck dq U 4,44.K .f.B.S Δ Trong đó: Kdq : là hệ số dây quấn Kdq = 1,1 ÷ 1,3 ta chọn Kdq = 1,1 B - là mật độ từ cảm cau lõi thep B = 1,1 ÷ 1,8 (T) ta chọn B = 1,2 Vậy : W = 6 4 0,816.100.2.3,14.50.200.10 4,44.1,1.50.1,2.55.10 − − +Chọn tiết diện dây quấn cuộn kháng. dòng điện đi qua cuộn kháng là: I = 0,816.100 = 816 (A) Ta chọn dây quấn kháng là dây đồng. Để cuộn kháng phát nhiệt ta chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng là . J = 3A /mm2 Tài liệu tham khảo 59 SCU = I 816 J 3 = = (mm2). Vậy cuộn kháng hạn chế tốc độ tăng dòng di/di mà ta vừa thiết kế có các thông số chính sau. SFe = 55cm - tiết diện lõi từ SCu = 272mm2 - tiết diện dây đồng. W = 3,1 vòng - số vòng quấn. 3.3.3. Tính mạch bảo vệ quá áp RC mắc song song với van. Hình 3.4: Bảo vệ Thiristo + Hế số quá áp của van được tính theo công thức sau: K = ngcp ngtt U U Trong đó: Ungcp - là điện áp ngược lớn nhất mà có thể chịu. Ungtt -là điện áp lớn nhất đặt lên van tưongư ứng điện áp lưới tăng lên 5%. Vì vậy: K = 2000 2.1,05.600 = 2,25 Căn cứ vào tài liệu hướng dẫn thiết kế điện tử công suất của thầy Phạm Quốc Hải ta có phương pháp tính trị số R và C. Ta có đồ thị để tra * *maz minR ,R , và C* theo k sau: Tài liệu tham khảo 60 Hình 3.5: Các hệ số C*, R*max, R*min theo hệ số K tra đồ thị 3 - 5 với K =2,2 được C* = 0,25 ; *minR = 2; R*max Trị số dòng điện đỉnh qua van. IVmax = V max U Rt Trong đó. UVmax = 2 .1,05.600 = 890 (V) Rt = d d U 638 0,64 I 100 = = IVmax = 890 0,64 = 1390 (A) Trong mạch chỉnh lưu tần số chuyển mạch của van bằng tần số lưới vì vậy. di dt (max) = 2πf.Imax = 2.3,14.50.1390 di dt = 436460A/S = 0,436 (A)/μs + Xác định diện tích Q tồn tại trong van trước khi khoá Q theo họ đặc tính trong sổ tra cứu [Q=f(di/dt ; IVmax] Với loại T-800 tra đồ thị Q = f (di/dt; Imax; I) Trong sổ tay với di/dt và IVmax vừa tính có Q = 50 Aμs = 50.10-6 á Tài liệu tham khảo 61 Từ đó ta có 6 ' * min ngtt 2Q 2.50.10 C C U 890 − = = .0,25 = 0,02.10-6(F) Ta chọn tụ C = 0,1μF + Tính R, với sơ đồ cầu có hai pha tham gia dẫn diện cho tải nên giá trị L' = 2L nen 6 ngtt 6 U 890.2.18.10 2Q 2.50.10 − −= = 18 Vì vậy điện trở nằm trong phạm vi R*min. 18 ≤ R ≤R*max.18 36 ≤ R ≤ 72 Chọn điện trở R = 60 (Ω) Lúc này dòng phóng lớn nhất của tụ bằng. ICmax = Ungtt/R = 890/60 = 15 (A) 3.3.4. Chọn cầu dao đóng cắt cho mạch lực Dòng điện đi qua cầu dao là I = 0,816 .Id = 0,816.1000 = 816 (A) Cầu dao này đặt ở giá lưới xoay chiều, vì thế ta chọn cầu dao có ký hiệu Po - 3 do Liên Xô sản xuất có các thông số: Uđm = 1200 (A) Iđm = 1000 (A) 3.3.5. Chọn cầu chì bảo vệ cho mạch lực. Cầu chì đặc sau cầu dao để bảo vệ cho mạch lực. Ta chọn cầu chì loại Hππ do Liên Xo sản xuất có các thông số sau ; Idc = KI 1,7.816 1,5 =α Tài liệu tham khảo 62 Đối với động cơ một chiều có phần ứng được cấp điện bởi bộ biến đỏi ta lấy K = 1,7 α là hệ só phụ thuộc vào điều kiện khởi động ta lấy α = 1,5 Idc = 1,7.816 1,5 =925 Ta chọn dây chảy có I = 1500 (A) . Tài liệu tham khảo 63 H 3.6. Sơ đồ mạch lực Tài liệu tham khảo 64 CHƯƠNG IV PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.1. YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI MẠCH ĐIỀU KHIỂN - Đảm bảo phát xung vơi đủ các yêu cầu để mở van như: Đủ biên độ, đủ độ rộng, sườn xung ngắn. - Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển αmin ÷ αmax tương ứng với điện áp ra tải khi thay đổi của mạch lực. - Đảm bảo tính đối xứng với ác kênh điều khiển, không vượt quá 10 ÷ 30 điện, tức là góc điều khiển đối vơi mọi van không được lệch quá giá trị trên, Độ tác động của mạch điều khiển nhanh. - Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao động cả về giá trị trên điện áp và tần số. - Đảm bảo cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực. - Không gây nhiễu đối với các hệ thống điều khiển điện tử khác ở xuang quanh. - Có khả năng bảo vệ quá áp, quá dòng, mất pha… và báo hiệu khi có sự cố. Có hai loại điều khiển cơ bản là hệ đồng bộ và hệ không đồng bộ. Trong bản đồ án này ta sử dụng hệ đồng bồ và nguyên tắc điều khiển dọc. Ở hệ này góc điều khiển α mở van luôn được xác định xuất phát từ một thời điểm cố định của điện áp mạch lực. Vì vậy trong mạch điều khiển phải có một khâu thực hiện nhiệm vụ này gọi là khâu đồng bộ pha để đảm bảo mạch điều khiển hoạt động theo nhịp của điện áp lực. Để hoạt động theo nguyên tắc điều khiển dọc thì trong mạch phải có một khâu tạo ra điện áp tựa UT có dạng cố định (thường là xung răng cưa) theo chu kỳ do nhịp đồng bộ của khâu đồng pha. Khâu so sánh xác định điểm cân bằng của hai điện áp tựa UT và điện áp điều khiển Uđk để phát khâu tạo ra xung mở van hay góc điều khiển thay đổi do sự thay đổi trị số của Uđk. Trên đồ thị đó là sự di chuyển theo chiều dọc của trục biên độ. Trong thực tế người ta chủ yếu sử dụng nguyên tắc này. Tài liệu tham khảo 65 4.2. TÍNH CHỌN BIẾN ÁP CHO NGUỒN ĐIỀU KHIỂN. 4.2.1. Một số đặc điểm của biến áp nguồn điều khiển. Nguồn điều khiển thường có công suất không quá 1KVA, nên biến áp cấp nguồn cho nó là loại công suất nhỏ. Do đó, việc tính toán khác nhiều so với loại biến áp lực thể hiện ở các điểm sau: Một trong những nhiệm vụ chủ yếu của thiết kế biến áp lực là tính toán dạng kích thước mạch từ. Trong khi biến áp công suất nhỏ thường có sẵn các loại lõi chuẩn hoá và được chế tạo sẵn. Sụt áp trong biến áp lực chủ yếu là do cuộn cảm, còn ở biến áp điều khiển là do điện trở cuộn dây. *Kết luận: Mục đích tính toán biến áp điều khiển là dựa vào công suất của biến áp cần thiết, ta chọn trên các cuộn thứ cấp đủ điện áp khi mang tải và không phát nóng quá mức cho phép. 4.2.2. Tính toán biến áp 3 pha. Khi nguồn điều khiển là 3 pha ta có hai phương pháp để thiết kế. Một là dùng 3 biến áp loại 1 pha đấu thành 3 pha hoặc dùng 1 biến áp 3 pha. Ở biến áp 1 pha ta chỉ cần xác định các tham số của một biến áp theo bảng 16 (tài liệu hướng dẫn thiết kế mạch điện tư công suất) của thầy Phạm Quế Hải. công suất của biến áp 1 pha = 1 phần 3 công suất 3 pha, còn pha B, C tính toán tương tự. Biến áp nguồn điều khiển pha A có hai cuộn dây thứ cấp. Cuộn thứ cấp thứ thứ nhất cho điện áp đồng pha và cuộn thứ cấp thứ hai cho các mạch Tài liệu tham khảo 66 H4.0. Mạch cấp nguồn điều khiển Khuếch đại thuật toán và biến áp xung. + Với mạch tạo biến áp đồng pha, U21 = 12 (V) + Với mạch tạo nguồn ổn định cho I21 = 100(mA) Khuếch đại thuật toán và biến áp xung U22 = 20 (V); I22 = 1(A) Do công suất của máy biến áp nguồn là P21 = 12. 0,1 = 1,2 (W) P21 = 20. 1 = 20 (W) ⇒ P2 = P21 + P22 = 1,2 + 20 = 21,2 (W) Sba = Ssd. P2 Trong đó: Ksd là hệ số sơ đồ tra trong bảng 1.1 [TL-HDĐTCS] của thầy Phạm Quốc Hải theo mạch chỉnh lưu Ksd = 1,05. ⇒ Sba = 1,05. 21,2 = 22,26 (VA) P2 - công suất tác dụng của cuộn thứ cấp §iÒu khiÓn pha A U®fa U®fab U®fac A B C D3 D5 D1 D2D4D0 C3 C4 C5 C6 7815 78915 C1 C2 +24V +15V -15V Nguån ®iÒu khiÓn MBA ®ång pha Tài liệu tham khảo 67 Sba - công suất toàn phần của máy biến áp nguồn xác định cỡ lõi thép dựa vào công suất MBA đã có. 2 ba th cs max th cs S .10 S .S 2,22.f.B .S.K .K = Từ kinh nghiệm thực tế, tiết diện lõi thép Sth được tính theo công thức sau: thS 1,2 P 1,2 21,2= = = 5,5 cm2. Các tham số trong biểu thức tra trong bảng 15[TL-HD ĐTCS]. Kth = 0,9, S = 2,4 (A/mm2); Bmax = 1,3. Kcs = 0,25. 2 cs 22,26.10 5,5.S 2,22.50.1,3.2,4.0,9.0,25 = cs 28,56 S 5,5 = = 5,19 cm4 Tra bảng công thức máy biến áp công suất nhỏ, chọn lõi sắt có tiết diện S = 7,28cm2, được ghép bằng lá thép loại II 20 x 40 có bề dày 0,35mm có các thông số sau: Hình 4.1: Kích thước lõi thép cuộn lọc một chiều Tính số vòng các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp là: - Số vòng dây sơ cấp là: Tài liệu tham khảo 68 4 max th E.10 W 4,44.f.B .S = Trong đó: E= U0. (1 - 0,01. ΔU0%). ΔU0 là sụt áp trên cuộn sơ cấp ΔU% = 13 (V) E0 = 220 (1 - 0,01. 13) =191,4 (V) Số vòng dây cuộn thứ cấp là: 4 1 21 max th E .10 W 4,44.f.B .S = Trong đó: E1 = 12 (1 - 0,01. 18) = 9,84 (V) 4 21 9,84.10 W 4,44.50.1,3.5,5 = = 62 (vòng). Số vòng dây cuộn thứ cấp là 4 2 22 max th E .10 W 4,44.f.B .S = Trong đó: E1 = 20 (1 - 0,01. 18) = 16,4 (V) 4 22 16,4.10 W 4,44.50.1,3.5,5 = = 103 (vòng). Dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp là 1 1 P 21,2 I U 220 = = = 0,096 (A) Ta lấy mật độ dòng điện là J = 2,5 (A/mm2). Nên tiết diện của cuộn sơ cấp là 11 I 0,096 S J 2,5 = = = 0,038 (mm2) Tài liệu tham khảo 69 Do đó ta chọn dây có đường kính là d1 = 0,3mm Tương tự S21 = 0,04 mm2. Chọn d21 = 0,23 mm S22 = 0,4 mm2. Chọn d22 = 0,7 mm Ta chọn D0 ÷ D5 loại 1N5420 có I = 2A, U = 70 (V) Chọn C1, C2 là tụ lọc nguồn IC ổn áp loại 2200μF - 35 (V) Chọn tụ C3, C4 là tụ lọc sau ổn áp loại 470(μF)-25(V) Chọn tụ C5, C6 là tụ lọc hài nhiễu cao tần chọn 10(μF). 4.3. KHÂU ĐỒNG PHA a) b) H4.2. Khâu đồng pha: a. Sơ đồ nguyên lý; b. Dạng điện áp ở đầu ra ®psin10 Tài liệu tham khảo 70 Khâu đồng pha gồm có khuếch đại thuật toán OA1, các điện trở R1, R2, VR1 và biến áp đồng pha. Để mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu, trên đồ thị đường điện áp. U0 phải giao nhau với đường điện áp đồng pha đi qua điểm 0, vì thế. 00 ®pU 2U .sin10= = 1,41.12. sin100 = 2,93 (V) Với điện áp U0 là giá trị hiệu dụng điện áp đồng pha điện áp cấp cho VR1 là 12(V) ta chọn biến trở VR1 = 10 (kΩ), lúc đó dòng đi qua biến trở là: 12I 10.000 = = 1,2 (mA) Điện trở mà ta chỉnh định trên VR1 là: 0c® U 2,93 R I 1,2 = = = 2,44 (kΩ). Vậy ta chọn R1 = 10 (kΩ); R2 = 15 (kΩ). 4.4. KHÂU TẠO ĐIỆN ÁP TỰA. a) Tài liệu tham khảo 71 b. H4.3. Khâu tạo điện áp tự: a. Sơ đồ nguyên lý; b. Dạng điện áp Khi điện áp đầu ra của OA1 tức là điểm B âm thì điện áp ra của OA2 tại điểm C → tụ C7 → R3 → D8 → OA1 → mát → OA2. Điốt ổn áp ta chọn loại có ngưỡng là UDZ = 9V. Thời gian của tụ là t1 tương ứng với 100. như vậy trong khoảng thời gian t1 điện áp trên tụ phải tăng từ 0 đến 9V. Khi điện áp ở đầu ra là dương thì ở đầu ra của OA2 là âm, do đó tụ C7 phóng từ C7 → OA2 → mát → nguồn → R4 → VR2 → tụ C7. Dòng điện qua tụ khi này ngựơc chiều với khi nạp, điện áp trên tụ C7 giảm dần. c ® 4 1 U U iR .dt C = − ∫ Vì R4 = const nên c d 4 2 1 U U U . .t C R VR = − + (4-1) Tài liệu tham khảo 72 Trong đó: Uđ = 9V - là điện áp đỉnh răng cưa. Sau khoảng thời gian t = t2 - t1 tương ứng với 900 - 100 = 800 thì điện áp trên tụ sẽ giảm tưới 0 ta có. ( )0 301 80t . 4,44.10 s50 360 −= = Chọn tụ C7 có điện dung C7 = 220 nF = 220.10-9(F) Thay các giá trị vào công thức (4-1) ta được; 3 9 4 2 1 12 0 9 .4,44.10 R VR220.10 − −= − = + ( )34 2 912.4,44.10R VR 2609220.10 − −+ = = Ω Chọn R4 = 20 (kΩ). Chiết áp VR2 chọn 15 (kΩ) Chỉnh định chọn VR2 = 10 (kΩ). Trong quá trình nạp điện áp trên tụ C7 được tính theo công thức sau: c c c 1 1 U i dt .i .t C C = =∫ (4-2) Trng đó: bhc 3 4 3 4 2 U 0,7 U i iR iR R R VR −= − = − + Như đã phân tích ở trên đồ thị điện áp ở trên tụ C7 sẽ tăng từ 0 đến 9V trong thời gian t1. Như vậy thời gian nạp là. 0 3 1 0 1 10 t t . 0,55.10 50 360 −= = = (s) Với khuếch đại thuật toán có nguồn là 12V có Ubh= 10V, thay vào công thức (4-2) ta được. bhc 3 4 2 U 0,71 U U .t C R R VR ⎛ ⎞−= −⎜ ⎟+⎝ ⎠ Tài liệu tham khảo 73 Khi t = t1 thì Uc = 9V Uc = 39 3 1 10 0,7 12 ,.0,55.10 R 26909220.10 − − ⎛ ⎞− −⎜ ⎟⎝ ⎠ R3 = 2319 (Ω). Chọn R3 = 2,4 (kΩ) 4.4. KHÂU SO SÁNH TẠO XUNG. H4.3. Khâu so sánh tạo xung a. Sơ đồ nguyên lý; b.Dạng điện áp Phần tử chính là OA3 được cấp nguồn +12V loại LM 324 có các thông số kỹ thuật sau: Ung = ± 3V ÷ 22V Nhiệt độ làm việc: t = - 550 ÷ 1250C Công suất tiêu thụ: P = 650 (mW) = 0,65 (W) UT R5 - + OA3 R6 U®k D9 Uss U UT U®kUT U t t a) b) α 0 U®k Tài liệu tham khảo 74 Tổng trở đầu vào: Zv = 70 (Ω) Tổng trở đầu ra: Zr = 1 (MΩ) = 1000.000 (Ω) Hệ số khuếch đại: K0 = 5.104 Dòng điện đầu ra: Iv = ± 25 (mA). Tốc độ tăng áp: du dt = 0,5 V/μs Nhiệm vụ so sánh 2 điện áp tựa và điện áp điều khiển kết quả ở đầu ra là các xung chữ nhật sau khi qua điốt D9 để loại bỏ phần âm, ta được dạng điện áp như trên sơ đồ. Điện trở R5 và R6 có nhiệm vụ cách ly giữa Uđk và UT đồng thời hạn chế dòng không gây quá tải cho tầng trước. Ta chọn R5 = R6 = 15 kΩ. 4.5. KHÂU TẠO XUNG CHÙM. Uxs D10 OA4 - R7 C8 + R8R9 t Uxs a) b) E Tài liệu tham khảo 75 H4.5. Khâu tạo xung chùm a. Sơ đồ mạch điện nguyên lý; b. Dạng điện áp Đây là mạch dao động đa hài tạo xung chùm. Chu kỳ của điện áp tính theo công thức. 97 8 8 2R T 2.R .C .ln 1 R ⎛ ⎞= +⎜ ⎟⎝ ⎠ (4-3) Để giảm độ chênh lệch điện áp tính giữa 2 cửa vào của OA4 ta chọn R9 < R8, chọn R9 = 8 (kΩ), R8 = 24 (kΩ). Tần số của mạch dao động ta chọn f = 1,5 KHz, chọn tụ C8 là loại tụ gốm có ký hiệu 2A2245J. Có: C8 = 22.104 pF = 220.10-9 (F) Thay các giá trị vào công thức (4-3) ta được: 973 1 2.8 2.R .220.10 ln 1 241,5.10 − − ⎛ ⎞= +⎜ ⎟⎝ ⎠ ⇒ R7 = 2966 (Ω) chọn R5 = 3,3 (kΩ). Tài liệu tham khảo 76 4.6. KHỐI KHUẾCH ĐẠI XUNG CHÙM D45 R44 K§F K§F R43 XC D44 R42 Q41 Q42 D43 R41 BAX Ecs H4.6. Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại xung chùm Theo như loại thiristor đã chọn ở chương III là loại T-800 có điện áp điều khiển là: Uđk = 7(V); Iđk = 0,4 (A) khâu dao động đa hài tạo xung chùm có f = 1,5KHz. Vậy tham số dòng điện cuộn sơ cấp là. U1 = U2. K = 7.3 = 21 (V) I1 = ( )®kI 0,4 0,13 A K 3 = = Phần tử chính của khâu khuếch đại xung là các transitor Q42 và Q41 được ghép darlington. Điốt D43 và điện trở R41 nhằm để tiêu tan năng lượng tích luỹ của cuộn dây trong giai đoan khoá của các bóng bán đẫn. Nguồn công suất phải có trị số lớn hơn U1 để bù sự sụt áp trên điện trở. Vì vậy ta chọn Ec=24V. căn cứ vào trị số của Ecs và I1 ta chọn bóng Q42 loại 2N3705 có Icmax=0,5(A), Ucc = 30 (V), βmin = 50. Điện trở R41 thường chọn từ khả năng dẫn dòng lớn nhất cho phép của Q42. Tài liệu tham khảo 77 cs41 c max E 24 R 48 I 0,5 > = = (Ω). Vậy chọn R41 = 60 (Ω). Bóng Q41 chọn loại BC107 có Uα = 45; Icmax = 0,1 (A); βmin = 110. Theo (tài liệu – HDTKMDTCS), ta tính R43 từ điều kiện mở bão hoà tốt cho Q41 và Q42 sau. 1 2 cs43 1 . .E 50.110.24 R 846153 S.I 1,2.0,13 β β< = = (Ω). Trong đó: S- Hệ số dự trữ để đảm bảo các bóng mở bão hoà. Mặt khác R43 phải thoả mãn điều kiện là hạn chế dòng để không gây quá tải cho cổng AND. Từ đó ta chọn R43 = 15 (kΩ). Cổng AND loại CMO4084. Theo (tài liệu- HDTKMDTCS) điện trở tách xung R44 phải thoả mãn ®f D44 43 T§X 2.U .sin U R .R U α −< (4-4) Trong đó: Uđf – giá trị hiệu dụng của điện áp đồng pha Uđf = 10V. αmin – góc điều khiển nhỏ nhất αmin = 300 UD – sụt áp trên đi ốt D45 = 0,7 (V) UTĐX - điện áp đầu ra CMOS có nguồn cấp là 12V nên điện áp đầu ra ở mức cao ≈ 11(V). Thay các giá trị vào công thức (4-4) ta được: 0 44 2.10.sin30 0,7 R .15 11 −≤ = 87 (kΩ) Vậy chọn R44 = 5,6 (kΩ). Tài liệu tham khảo 78 4.7. BIẾN ÁP XUNG Biến áp xung là loại biến áp đặc biệt, trong đó điện áp đặt lên phía sơ cấp có dạng xung chữ nhật mà không phải điện áp hình sin, điều này dẫn đến chế độ làm việc và phương pháp tính rất khác so với biến áp thông thường. Tần số điện áp làm việc của biến áp xung có thể vài trăm Hz đến hàng trăm KHz. Nhiệm vụ của biến áp xung là cách ly mạch lực và mạch điều khiển, phối hợp trở kháng tầng khuếch đại xung và cực điều khiển van lực. Biến áp xung làm việc ở tần số cao nên lõi dẫn từ trường là lõi ferit. Do tổn thất trong biến áp tăng mạch theo tần số nên cường độ tự cảm cũng phải giảm đáng kể so với tần số 50Hz. H4.6. Đặc tính từ hoá lõi ferit Do dòng điện qua các cuộn dây BHX không liên tục mà có dạng xung nên trị số hiệu dụng của dòng điện nhỏ. Vì vậy, tiết diện dây quấn BAX thường không tính từ trị số dòng điện như thông thường mà hay được chọn từ điều kiện đảm bảo độ bền cơ học với đường kính dây quấn trong khoảng (0,2÷0,4)mm. Do chế độ làm việc của biến áp xung là từ hoá 1 phần nên theo đồ thị ta chọn. ΔB = 0,2 T và ΔH = 30 (mA). B H 0,6 0,2 0 80 160 240 Tài liệu tham khảo 79 Do xung của bộ dao động đa hài tạo ra là đối xứng nên thời gian có xung bằng thời gian nghỉ (tx = tn). Tần số xung chùm là 1,5 KHz tương ứng chu kỳ 1 xung là. ( )3XC 3 XC 1 1 T 0,66.10 s f 1,5.10 −= = = Thời gian có xung là: Tx = 0,5. TXC = 0,5. 0,66. 10-3 = 0,03.10-3 (s) Thể tích của lõi từ là: ba 2 2 x x K .U .I .t . U V B. H Δ= Δ Δ I2 – là dòng điện cuộn thứ cấp do tn = tx nên I2 = 0,5.Iđk = 0,5. 0,4 = ΔUx là độ sụt áp xung cho phép thường lấy bằng (0,2 ÷ 0,2) Ở đây ta lấy ΔUx = 0,15 (V) Tỷ số biến áp: Kba = 3 Điện áp thứ cấp U2 = Uđk = 7 (V). Thay các giá trị vừa tính vào công thức (4-3) ta có: 33.7.0,5.0,4.0,33.10 .0,5 V 0,2.30 − = = Ta chọn lõi ferit 3019 Đường kính ngoài: 30 (mm) Đường kính trong: 19 (mm) V = 6,19 (cm3) F = 1,28 (cm3) Vậy số vòng dây cuộn sơ cấp: 3 1 2 1 4 ba U .t 9.0,33.10 B.S 0,2.1,38.10 − −ω = =Δ = 107 (vòng) Tài liệu tham khảo 80 Vậy số vòng dây cuộn thứ cấp: 12 107 K 3 ωω = = = 36 (vòng) Tài liệu tham khảo Tài liệu tham khảo 82 Hình 4.9. Đồ thị thời gian của mạch tạo xung * Nguyên lý làm việc của mạch tạo xung. Biến áp đồng pha là biến áp thứ cấp có điểm giữa nối mát vì thế ở 2 đầu cuộn thứ cấp sẽ cho ra 2 điện áp ngược pha nhau 1800. Hai điện áp này sau khi qua đíô D6 và D7 được nắn nửa chu kỳ nên điện áp tại điểm A chính là điện áp đồng pha UA(Uđf) có dạng như ở (hình 4.2). Điện áp đồng pha này đi qua R2 được đưa vào đầu đảo của OA1, điện áp này được so sánh với U0 được đưa vào đầu không đảo của OA1. Vì bộ biến đổi chỉ làm việc ở chế độ chỉnh lưu nên góc điều khiển α = 0 đến 900 tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên. Để mở rộng phạm vi điều chỉnh giá trị U0 ta lấy nhỏ 00 ®fU 2.U .sin10= (100 tương ứng với khoảng thời gian của tụ nạp để tạo sườn răng cưa đi lên ở mạch tạo điện áp tựa). Điện áp ở đầu ra của OA1 tức là điện áp tại điểm B có dạng như (hình 4.3) đó là dãy xung hình chữ nhật, ứng với khoảng thời gian điện áp tại điểm B âm thì điện áp này thông qua đi ốt D8 và R3 được đưa tới đầu đảo của OA2 làm cho điện áp ở đầu ra OA2 tại điểm C7 dương tụ C2 được nạp từ điểm C → tụ C7 → R3 → D8 → điểm B → OA1 → mát → OA2 → điểm C. Thời gian nạp của tụ C7 phụ thuộc vào điện dung của C7 và trị số R3. Thông thường mạch được thiết kế với điều kiện R3 << R4 + VR2 nên ta bỏ qua dòng chảy qua R4 và VR2 trong giai đoạn này ứng với khoảng thời gian điện áp ở đầu ra của OA1 dương thì đi ốt D8 khoá, đầu ra của OA2 đảo trạng thái (chuyển sang trạng thái âm tụ C2 bắt đầu phóng điện: tụ C7 → OA2 → mát → nguồn → R4 - VR2 → C7. điện áp của quá trình phóng nạp của tụ C7 có dạng như (hình 4.3). Đó là dạng điện áp tựa. Điện áp tựa từ điểm C thông qua R cùng với điện áp điều khiển Uđk thông qua R0 đều được đưa đến đầu đảo của OA3 để so sánh với nhau. Vì là so sánh một cửa nên UT và Uđk phải khác dấu (UT > 0; Uđk <0). Kết quả ở đầu ra của OA3 sau khi đi qua D9 để cắt bỏ phần âm ta được điện áp so sánh có dạng chữ nhất nằm ở phía trên trục hoành (hình 4.4) Tài liệu tham khảo 83 khuếch đại thuật toán OA4 cùng với điện trở R7, R8, R9, và tụ C8 tạo thành mạch dao động có tần số từ 6 đến 10KHz. Sau khi đi qua D để cắt bỏ hần âm ta được điện áp tại điểm E có dạng như ở (hình 4.5). Xung chùm và điên áp của khâu tạo xung tại điểm D được chia ra làm 2 kênh và được đưa tới các cổgn AND. kết hợp với mạch tách xung D45, R44 kết quả là điện áp tại cực bazơ của transtor Q41 và Q42 có dạng như ở (hình 4.9). Các điện áp này được khuếch đại bằng các cặp transitor đấu kiểu darlington sau đó được truyền qua biến áp xung để đưa đến cực điều khiển thyristor. 4.8. TỔNG HỢP HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 4.8.1. Động cơ điện một chiều KTĐL Khi dòng điện kích từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số. Phương trình động học của động cơ được viết ở dạng toán tử laplace là: KΦ = const = CU U(P) = Rư . I(P). (1 + Tư) + CU. ω (P) Với −− − L T R = là hằng số thời gian của mạch phần ứng. Rư, Lư là điện trở và điện cảm của mạch phần ứng. Phương trình chuyển động của hệ thống M(P) = MC(P) = J. P. ω (P) Trong đó: J là mô men quán tính của các phần tử chuyển động quy về trục động cơ. Từ các công thức trên ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc mô tả động cơ điện một chiều. Tài liệu tham khảo 84 Hình 4.10: Sơ đồ cấu trúc mô tả động cơ điện một chiều Thông số của động cơ Uđm = 600V Rư = 0,4 Iđm = 1000A IKT = 25,5/6,6A Pđm = 600 kW UKT = 262/68V Nđm = 1300 v/p J = 15,5 Kg/m2 Số đôi cực Zp= 2 Trong đó Lư là điện cảm của mạch phần ứng được tính theo công thức n®m− L −®m p ®m U L K . I .Z .n = (1) Nếu mạch phần ứng có cuộn bù thì hệ số KL = 1,4 ÷ 1,9 Nếu mạch phần ứng không có cuộn bù thì hệ số KL = 5,5 ÷ 5,7. Động cơ sử dụng có cuộn bù là lấy R2 = 1,9 thay các giá trị vừa tính vào công ghức (1) ta có. − 600 L 1,9. 1000.2.1300 = = 0,00044 H ( )−− − L 0,00044 T 0,0011 s R 0,4 = = = Hệ số đôi cực tính theo công thức. u®m u®m − u®m u®m − ®m ®m U I .R U I .R Cu K .9,55 n − −= φ = =ω 600 1000.0,4Cu .9,55 1,47 1300 −= = V/rad/s Từ các thông số vừa tính được ta có cấu trúc của động cơ như sau: Tài liệu tham khảo 85 Hình 4.11: Quan hệ giữa Uđk và góc α 4.8.2. Bộ điều chỉnh có đk Hàm truyền đạt của bộ chỉnh lưu thyristor tổng quát là BB§BB§ BB§ K U 1 P.T = + Trong đó KBBĐ là hệ số khuếch đại của bộ biến đổi, TBBĐ là hằng số thời gian của bộ biến đổi được tính theo công thức. BB§ 1 T 2mf = Với m = 6 là số xung áp đầu ra trong một chu kỳ điện áp lưới. F = 50 là tần số của điện áp lưới. Vì thế BB§ 1 T 0,00178 2.6.50 = = Để tìm KBBĐ ta phải lập bảng tìm quan hệ giữ Uđk , α, Eđ. Điện áp chỉnh lưu cầu ba pha là: d 600 E 2,34. .cos 3 = α Như đã tính ở mạch tạo xung thì đỉnh răng cưa là 9V, thời gian nạp tương ứng 100, thời gian phóng tương ứng 800. α ®k Tài liệu tham khảo 86 Hình 4.11: Quan hệ giữa Uđk và góc α Quan hệ giữa Uđk và góc α Căn cứ vào tam giác ABC ta có quan hệ rm ®k ®k 0 rm rm U U U 1 U U90 −α = = − ®k rm U 90 1 U ⎛ ⎞α = −⎜ ⎟⎝ ⎠ Ta có bảng Uđk 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 α0 90 81,1 72,2 63,2 54,3 45,4 36,5 2,76 18,7 9,8 Eư(V) 0 125,4 247,8 365,5 473 569,2 651,6 718,3 767,8 798,7 Căn cứ vào quan hệ giữa Uđk , α, Eđ ta dựng được đồ thị thể hiện quan hệ giữa Uđk và Ed như sau: Tài liệu tham khảo 87 Hình 4.12: Quan hệ giữa Uđk và Ed Vì động cơ có Uđm = 600V ta dự dự phóng điện áp lưới dao động sụt áp, và sụt áp trên các van khi dẫn dòng, sụt áp trên cuộn kháng nên ứng với Uđm ta chọn Ed = 652 V. Khi Ed = 652 V thì Uđk= 6 và α = 36,50. Khi đó hệ số của BBĐ là. BB§ 652 K 108,7 6 = = Vậy BB§BB§ BB§ K 108,7 U 1 P.T 1 0,0017.P = =+ + 4.8.3. Khâu phản hồi dòng điện Phản hồi dòng điện là khâu quán tính có hàm truyền. ( ) ( )i ii § i U P K W P I 1 T P = = + Trong đó: IĐ: dòng điện đi vào phần ứng động cơ Ti: hằng số thời gian của khâu truyền phụ thuộc vào tụ lọc C, điện trở R, hệ số điện cảm và nội trở của biến dòng ta lấy Ti = 0,005s. ®k Tài liệu tham khảo 88 Hình 4.13: Khâu phản hồi dòng điện Ki: hệ số truyền của khâu phản hồi dòng điện ii § U K I = Ta lấy điện áp phản hồi Ui = 10V Khi động cơ chạy ở chế độ định mức Có IĐ = 1000A Vì thế i 10 K 0,01 1000 = = Từ đó ta có: ( ) ii i K 0,01 W P 1 T P 1 0,005P = =+ + 4.8.4. Khâu phản hồi tốc độ. ®k Tài liệu tham khảo 89 Hình 4.14: Hàm truyền của khâu phản hồi tốc độ có dạng. ( ) ( )( )ft f U P K W P P 1 T P ω ω ω= =ω + Trong đó: Tfω là hằng số thời gian của bộ lọc lấy Tfω = 0,005s. U K W ω ω = : khi động cơ chạy với tốc độ định mức thì ta có Uω= Uωmax= 1(V) ®m ®m n 1300 136rad / s 9,55 9,55 ω = = = U 10 K 0,096 v.S / rad W 136 ω ω = = = Vậy ta có: ( )ft f K 0,096 W P 1 T P 1 0,005P ω ω = =+ + 5.8.5. Tổng hợp mạch vòng dòng điện. Hình 4.15: Cấu trúc sơ đồ mạch vòng dòng điện Ri là bộ điều chỉnh dòng điện TBBĐ, Ti, Tư là hằng số thời gian của BBĐ, trong trường hợp hệ thống truyền động điện có hằng số thời gian cơ học rất lớn, hơn thời gian điện từ của mạch phần ứng thì ta có thể coi sđđ của động cơ không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện (coi ΔE = 0). Hàm truyền đạt của mạch vòng dòng điện. § § Tài liệu tham khảo 90 ( ) ( )( )( ) i BB§ − 0 i BB§ − K K . R S P 1+P.T 1 P.T 1 PT = + + Vì Ti và TBBĐ là nhỏ ta dặt Ts = Ti + TBBĐ lúc này biểu thức S0(P) có thể viết lại như sau. ( ) ( )( ) i BB§ − 0 s − K K . R S P 1+P.T 1 PT = + Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu mô dun ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện có dạng khâu PI. ( ) −i BB§ i s − 1 P.T R P K .K .a.T .P R += Ta lấy hằng số a = 0. Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh Ri BB§ i 1 s − K .K R C .2T R = Trong đó Is = Ti + TBBĐ = 0,005 + 0,0017 = 0,0067 KBBĐ = 108,7; Ki = 0,01; Rư = 0,4. Ta chọn C = 5,7μF, từ đó ta có. BB§ i1 s 6 − K .K 108,7.0,01.2.0,0067 R .2T 7748 C.R 4,7.10 .0,4− = = = (Ω) ®k Tài liệu tham khảo 91 Ta chọn R1 = 15 kΩ Tính R3: Vì u3 − 3 T R .C T R C = ⇒ = 3 6 0,0011 R 2,34 4,7.10− = = Ω Chọn R3 = 1 kΩ Hàm truyền của mạch vòng dòng điện là. ( ) ui BB§ s − 1 PT 1 0,0011P R P K 108,7.0,1 .2.0,0067.P.a.T .P 0,4R + += = ( )i 27,5 0,03PR P P += 4.8.6. Tổng hợp mạch vòng tốc độ. Ở mục trên ta đã tổng hợp được mạch vòng dòng điện trong phần này ta sẽ sử dụng biểu thức kết quả trong đó đã bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động của động cơ. ( ) ( ) ( )3 2®i i i s ss s s I P 1 1 1 1 . . U P R K 1 2T P 1 T P1 2T .P 2T .P 2T P = = + ++ + + 108,727,5+0,03P Tài liệu tham khảo 92 Vì 1 + Ts. P ≈ 1 vì thế để đơn giản ta có thể dùng biểu thức gần đúng để tính toán hàm truyền đạt của mạch vòng dòng điện. ( ) ( )di i s U P 1 1 . U P K 1 2.T .P = + Sơ đồ khối cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ. Hình 4.17: Sơ đồ khối của hệ điều chỉnh tốc độ Trong đó Sw là sensor tốc độ có hàm truyền là khâu quán tính với hệ số truyền là Kw và hằng số thời gian (lọc) Tfw. Thường Tfw có giá trị nhỏ khi đó ta đặt. 2T's = 2. Ts + Tfw đối tượng điều chỉnh các hàm truyền. ( )−0 i u c s R .K 1 S . K .C .T P 2T .P 1 ω= + Theo tiêu chuẩn tối ưu môdun có thể xác định được hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ là bộ tỷ lệ. ( ) i u c P' − s 2 K C T 1 R P . K R .K 2.T .aω ω = = Trong đó thường lấy a2 = 2. Hằng số thời gian cơ học động cơ. P Tài liệu tham khảo 93 ( )uc 2 2R .J 0,4.15,5T 2,8 sCu 1,47= = = Trong mục 4.4.1 ta tính được. Ki = 0,01, Kw = 0,096 2T's = 2Ts + Tfw = 2. 0,067 + 0,005 = 0,0184 (s) Thay các giá trị vào công thức trên ta được. ( ) 0,01.1,47.2,8 1R P . 0,4.0,096 2.0,0184ω = = 29. Đây là bộ điều chỉnh tỷ lệ Kp = 29 vì thế. 6 p 5 R K 29 R = = ta chọn R5 = R7 = 10 kΩ. Từ đó ta có R6 = KPR5 38,3. 10 =383 kΩ Hình 4.18: Cấu trúc bộ điều chỉnh § § Cu JP 1 Cu Tài liệu tham khảo 94 Hình 4.19: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống 4.9. ĐẢO CHIỀU QUAY CỦA ĐỘNG CƠ. 4.9.1. Đảo chiều từ thông Chiều từ lực tác dụng vào dòng điện được xác định theo quy tắc bàn tay trái. Khi đảo chiều từ thông hay đảo chiều dòng điện thì lực từ có chiều ngược lại. Vậy muốn đảo chiều quay của động cơ điện một chiều có thể thực hiện một trong hai cách sau. Hoặc đảo chiều từ thông (qua đảo chiều dòng điện kích từ). Hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng. Trong dây truyền cán động cơ sử dụng hệ truyền động với công suất lớn (vì công suất kích từ chỉ khoảng 18% công suất truyền động) và hầu như không đảo chiều nên ta sử dụng phương pháp đảo chiều bằng từ thông. Hình 4.20. Sơ đồ đảo chiều động cơ bằng kích từ Phương pháp đảo chiều từ thông thực hiện nhẹ nhàng vì mạch từ thông có công suất nhỏ hơn mạch phần ứng. Tuy vậy cuộn kích từ có số vòng dây lớn, hệ số tự cảm lớn do đó thời gian đảo chiều tăng lên (thời gian quá độ lớn) nên phương pháp đảo chiều từ thông tốc độ tăng qúa, không tốt. Tài liệu tham khảo 95 4.9.2. Sơ đồ mạch kích từ Hình 4.21. Sơ đồ mạch kích từ Hoạt động của sơ đồ: Hai mạch chỉnh lưu hoạt động riêng biệt. Mạch này hoạt động (được phát xung điều khiển) thì mạch lại hoàn toàn nghỉ (bị ngắt xung điều khiển). Vì vậy loại trừ được hiện tượng dòng quẩn và không cần cuộn kháng cân bằng. Song quá trình đảo chiều cần có thời gian chết (nhỏ nhất là vài ms) để cho van của mạch phải ngừng hoạt động kịp phục hồi tính chất khoá rồi mới bắt đầu phát xung cho mạch kia hoạt động. Vì vậy cần có một khối logic điều khiển đảo chiều tin cậy. 4.9.3. Quá trình đảo chiều. Khi ta nhấn nút dừng cắt nguồn động cơ ngừng hoạt động. Nhưng theo quán tính động cơ còn chạy một thời gian sau mới ngừng hẳn. Vì vậy nó sinh Tài liệu tham khảo 96 ra một năng lượng trong mạch phần ứng. Muốn làm mất năng lượng đó ta phải mắc một điện trở R để triệt tiêu năng lượng phát sinh đó. Khi bắt đầu đóng điện cho động cơ, tốc độ động cơ bằng không nên dòng điện động cơ Im= ®m − U R = (10 - 20) Iđm rất lớn tạo ra mô men ngắn mạch. ®mnm ®m ®m n m − R M M K . K I R = = φ = φ Cũng rất lớn và có thể gây ra hậu quả xấu. Mô men mở máy quá lớn sẽ tạo ra các xung lực động làm hệ truyền động bị giật, không tốt về mặt cơ học, hại máy, có thể gây ra nguy hiểm gẫy trục, vỡ bánh răng. Mmm = Mnm = K. φdm. Imm. Vậy, để đảm bảo an toàn cho động cơ và các cơ cấu truyền động cũng như tránh ảnh hưởng xấu tới lưới điện, phải hạn chế dòng điện khi mở máy, không cho vượt mức giá trị Imm =(1,5 - 2,5)Iđm. Nghĩa là phải thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng Rp sao cho. ( )®m ®mmm ®m − p − U U I 1,5 2,5 I R R R Σ = = −+ P lớn thì chọn Imm nhỏ Trong quá trình mở máy, tốc độ động cơ ω tăng, sức điện động của động cơ E = K.φω càng tăng dần và dòng điện động cơ bị giảm. − P U E I R R −= + Do đó mô men động cơ giảm. Tài liệu tham khảo 97 a. Đồ thị đặc tính cơ lúc mở máy b. Sơ đồ mở máy động cơ điện một chiều KTĐL Hình 4.22 Do đó mô men động cơ này cũng giảm. Động cơ mở máy theo mũi ten trên đường đặc tính cơ 1 (Hình 4.22). Nếu cứ giữ nguyên Rp trong mạch phần ứng thì khi động cơ giảm từ Mmm xuống bằng MC, động cơ sẽ quay ổn định với tốc độ thấp ωB. Do vậy, khi mô mên giảm đi 1 mức nào đó thì phải cắt điện trở Rp trong mạch phần ứng nhờ đồng tiếp điểm K để động cơ trở về làm việc (hãy tiếp tục mở máy) trên đặc tính tự nhiên tại điểm E. Lúc này mô men động cơ ME lại lớn hơn nhiều mô men tải MC nên động cơ tiếp tục tăng tốc nhanh tới điểm A thì Mđ = Mc và động cơ sẽ chạy ổn định với tốc độ ωA . Khi đóng tiếp điểm K để cắt điện trở phụ Rp ra khỏi mạch rôto thì ngay lập tức động cơ chuyển từ điểm làm việc D trên đặc tính cơ nhân tạo 1 sang làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên 2, do quán tính cơ khi chuyển đặc tính, tốc độ động cơ không kịp thay đổi trong một khoảng thời gian quá ngắn nên đoạn chuyển đổi DE là nằm ngang. ω ω ω ω Σ = Ρ‹+5‡ Tài liệu tham khảo 98 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG SIMULINK 5.1. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM SIMULINK Matlab là chương trình phần mềm trợ giúp cho việc tính toán và hiển thị. Nó có thể chạy trên hầu hết các loai máy tính và được điều khiển bởi số lượng lứon các lệnh, các tập lệnh. Các lệnh này ngày càng được mở rộng nhờ các phần Toolbox (thư viện trợ giúp) khác nhau hay thông qua các hàm ứng dụng được tạo lập bởi người sử dụng. Simulink là một Toolbox hỗ trợ đắc lực cho việc mô hình hoá, mô phỏng và phân tích một hệ thống động. Simulink cho phép mô tả hệ thống tuyến tính, hệ phi tuyến, các mô hình trong thời gian liên tục, gián đoạn hay một hệ kết hợp cả liên tục và gián đoạn. Hệ thống cũng có thể có nhiều tốc độ khác nhau có nghĩa là các phần khác nhau lấy mẫu và cập nhật số liệu ở tốc độ khác nhau. Để mô hình hoá Simulink sử dụng các đối tượng đồ hoạ gọi là Graphic Programming Unit - GPU. Nó được xây dựng trên cơ sở các ngôn ngữ lập trình OOP, tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho việc thay đổi giá trị các thuộc tính trong những khối thành phần. Loại hình lâp trình này có xu hướng được sử dụng nhiều trong kỹ thuật bởi ưu điểm lớn nhất củanó là tính trực quan, dễ viết và hình dung đối với người lập trình không chuyên nghiệp x như những người muốn bỏ nhiều thời gian cho việc nghiên cứu thêm một ngôn ngữ lập tình mới. Thư viện của Simulink cũng bao gồm tòan bộ thư việc các khối như khối nhận tín hiệu, các nguồn tín hiệu, các phần tử tuyến tính và phi tuyến, các đầu nối chuẩn. Điều đặc biệt ở chương trình này là người sử dụng có thể tạo ra các khối thư viện riêng của mình. Các mô hình bài toán trong Simulink được xây dựng có thứ bậc hay còn gọi là xây dựng theo mô hình phân cấp, điều đó cho phép người sử dụng có thể xây dựng mô hình theo hưóng POP- Tài liệu tham khảo 99 DOWN hoặc POP-UP. Người dùng vừa có thể quan sát hệ thống ở mức tổng quan, vừa có thể đạt được mức cụ thể bằng cách nháy kép vào từng khối xác định để xem chi tiết mo hình của từng khối. Với cách xây dựng kiểu này, người dùng có thể hiểu được sâu sắc tổ chức của một mô hình và những tác động qua lại của các phần trong mô hình như thế noà. Sau khi xây dựng mô hình hệ thống, người sử dụng có thể mô phỏng nó trong Simulink bằng cách nhập lệnh trong cửa sổ của Matlab hoặc sử dụngc ác menu có sẵn. Việc sử dụng các menu đặc biệt thích hiợp cho các công việc có sự tác động qua lịa lẫn nhau, còn sử dụng dòng lệnhthwờng hay được sử dụng khi chạy một loạt các mô hình. Các bộ Scope và khối hiển thị khác cho phép nhiều sử dụng có thể theo dõi kết quả trong khi đang chạy mô phỏng. Hơn nữa, người sử dụng có thể thay đổi thông số hệ thống một cách trực tiếp và nhận biết được các ảnh hưởng đến mô hình. Kết quả mô phỏng có thể đặt vào Matlab để xử lý đưa ra máy in hay hiển thị. Cần nhấn mạnh điều quan trọng nhất trong việc mô phỏng một hệ thống hay một quá trình là việc xây dựng được mô hình hệ thống quá trình đó. Để sử dụng tốt chương trình này, ta cần nắm chắc các kiến thức cơ bản về điều khiển tự động, xây dựng mô hình toán học theo quan điểm lý thuyết điều khiển tự động và từ đó xây dựng mô hình bài toán cần giải quyết. 5.2. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG SIMULINK. Tài liệu tham khảo 100 Đồ thị hình 5.2 thể hiện ba đặc tính của động cơ. Hình 5.2a thể hiện đặc tính của điện áp. Hình 2.5b thể hiện đặc tính của dòng điện. Hình 5.2.c thể hiện đặc tính của tốc độ khi khởi động thì động cơ mang tải ngay từ đầu, sau 1s quá trình khởi động kết thúc và động cơ làm việc ở chế độ xác lập. Khi khởi động ban đầu có mang tải. Điện áp tăng dần xấp xỉ điện áp định mức sau 1,5S. Dòng điện mở máy tăng lên vượt dòng định mức những do tác động của mạch phản hồi dòng điện nên nó giảm dần và đạt tới giá trị định mức sau 1,55. Tốc độ tăng lên vượt giá trị định mức sau 3,5s ta đóng tải cho hệ thống, động cơ làm việc có tải. Điện áp ổn định và đạt giá trị định mức 600V. Dòng điện ổn định và đạt giá trị định mức 1000A. Tốc độ ổn định ở 1300V/ph 5.3. Ý NGHĨA CỦA QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG. Là công cụ quan trọng cho phép khảo sát các đối tượng, hệ thống hay quá trình kỹ thuật – vật lý, mà không nhất thiết phải có đối tượng thực. được trang bị một công cụ mô phỏng mạch và có hiểu biết về các phương pháp mô hình hoá, người kỹ sư sẽ có khả năng rút ngắn thời gian và giảm chi phí nghiên cứu – phát triển sản phẩm một cách đáng kể, điều này đặc biệt có ý nghĩa khi sản phẩm là các hệ thống thiết bị kỹ thuật phức tạp với giá trị kinh tế lớn. 5.4. MÔ TẢ QUÁ TRÌNH MÔ HÌNH, MÔ PHỎNG. Ở đây ta sử dụng mô hình, mô phỏng bộ biến đổi thực tế để tính tới các yếu tố phi tuyến. Tài liệu tham khảo 101 + Ta dùng động cơ điện một chiều kích từ độc lạp có các thông số sau: Uđm = 600V n =1300 V/ph Iđm = 1000A J = 15,5 kg/m2. Pđm = 600 kW Rư = 0,4 Lư = 0,00044 (H) Tư = 0,0011 (S) Bộ biến đổi dùng sơ đồ cầu 3FA có điều khiển (Thyristor converter). Được nhận tín hiệu điều khiển từ bộ phát xung (Synchronized). Bộ phát xung điều khiển được cấp nguồn từ (Synchronization – Voltages). + Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng (PI Curent Regulator) đầu vào nhận tín hiệu từ khâu phản hồi tốc độ đầu ra gửi tới khối điều khiển αlpha- deg để điều khiển góc mở α. + Hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ (Speed Controller) đầu vào nhận tín hiệu từ máy phát tốc và khâu tạo gia tốc. Đầu ra gửi tín hiệu tới đầu vào của PI. + Khâu Scope để nhìn các dạng tín hiệu: điện áp, dòng điện, tốc độ. * Nguyên lý hoạt động của mô hình, mô phỏng. Khi động cơ làm việc tốc độ của động cơ được ổn định nhờ bộ phản hồi tốc độ và bộ phản hồi dòng điện tốc độ thực tế của động cơ được so sánh với tốc độ đặt do vậy trên Scope ta nhìn thấy tốc độ của động cơ bám sát đường đặt (đỏ). Dòng điện thực tế của động cơ sẽ thay đổi khi động cơ mang đầy tải và không tải được hiển thị trên Scope và dòng điện thực tế ta thấy bám theo đường đỏ theo dòng điện đặt. Tài liệu tham khảo 102 KẾT LUẬN Qua thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp, với đề tài "Thiết kế bộ điều khiển của động cơ điện một chiều kích từ độc lập" đã giúp em hiểu những vấn đề lý thuyết và thực tế liên quan đến đề tài nhằm củng cố thêm những kiến thức đã học ở trường. Được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Trần Trọng Minh và các thầy cô giáo trong bộ môn Tự động hoá và các bạn cùng với sự nỗ lực của bản thân, em đã hoàn thành đề tài thiết kế tốt nghiệp này. Đề tài thiết kế tốt nghiệp đã đề cập đến cơ bản của phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Đề tài tốt nghiệp cũng đề cập đến phương pháp xây dựng mô hình quan sát điện áp, dòng điện, tốc độ thông qua việc mô phỏng bằng chương trình MATLAB SIMULINK trên máy tính. Các kết quả mô hình hoá trên máy tính cho thấy đã đủ cơ sở để khẳng định hệ thống truyền động điện đã đề xuất trong đồ án hoàn toàn có thể áp dụng được trong thực tế. Do thời gian có hạn nên đồ án có nhiều thiếu sót, mong thầy cô và các bạn góp ý cho em. Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo và các bạn! Hải Phòng, ngày 15 tháng 11 năm 2004 Sinh viên Phạm Hữu Quân Tài liệu tham khảo 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Mạnh Tiến, Vũ Quang Hồi Trang Bị Điện - Điện tử máy gia công kim loại 2. Phạm Quốc Hải Hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất 3. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền Truyền động điện - NXB KHKT - 2001 4. Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi. Điều chỉnh tự động truyền động điện - NXB KHKT - 1999. 5. Nguyễn Bính Điện tử công suất - NXB KHKT - 2000. 6. Dương Minh Trí Sổ tay linh kiện - NXB KHKT - 1998. 7. Phạm Công Ngô Lý thuyết điều khiển tự động - NXB KHKT - 1998. 8. Đỗ Xuân Thụ Kỹ thuật điện tử - NXB Giáo dục - 1997. 9. Vũ Quang Hồi Trang bị điện - Điện tử công nghiệp - NXB Giáo dục - 2003. Tài liệu tham khảo 104 MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................................................... 1 CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM VỀ CÔNG NGHỆ CÁN .................................................................. 2 1.1. Lý thuyết cán ........................................................................................ 2 1.2. Máy cán ................................................................................................. 3 1.3. Các biểu thức tính toán và điều kiện cán ........................................... 4 1.3.1. Các thông số cơ bản ........................................................................ 5 1.3.2. Điều kiện để trục cán ngoạm được kim loại: .................................. 7 1.4. Tính mô men truyền động trục cán .................................................. 12 1.4.1. Phương pháp Xelicốp .................................................................... 12 1.4.2. Phương pháp suát tiêu hao năng lượng ......................................... 14 1.5. Tính chọn công suất động cơ. ............................................................ 15 CHƯƠNG II: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU .......................................................... 18 2.1. Đặc tính cơ của động cơ một chiều. .................................................. 18 2.1.1. Khái niệm chung ........................................................................... 18 2.1.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. ............. 19 2.1.2.1. Phương trình đặc tính cơ ................................................................. 20 2.1.2.2. Xét ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ ............................. 23 2.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. ...................................... 26 2.2.1. Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng ....................................... 26 2.2.2. Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ. ....................................... 29 2.3. Hệ thống biến đổi - động cơ (BBĐ - Đ) ............................................ 31 2.3.1. Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (F - Đ) ...... 32 2.3.1.1. Cấu trúc hệ F - Đ và các đặc tính cơ bản. ....................................... 32 2.3.1.2. Các chế độ làm việc của hệ F - D.................................................... 34 2.3.2. Hê thống chỉnh lưu - động cơ một chiều ...................................... 37 2.3.2.1. Chỉnh lưu bãn dẫn làm việc với động cơ điện. ............................... 37 2.3.2.2. Đặc tính của hệ truyền động chỉnh lưu Thiristo - động cơ một chiều. .. 41 Tài liệu tham khảo 105 2.3.2.3. Nhận xét chung ............................................................................... 43 CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN MẠCH LỰC ....................................................... 47 3.1. Mục đích yêu cầu ................................................................................ 47 3.2. Lựa chọn của bộ chỉnh lưu ................................................................ 47 3.2.1. Chỉnh lưu cầu một pha đối xứng có điều khiển. ........................... 47 3.2.2. Chỉnh lưu hình tia 3 pha. ............................................................... 49 3.2.3. Chỉnh lưu 3 pha sơ đồ cầu. ............................................................ 50 3.2.4. Kết luận ......................................................................................... 54 3.3 Tính toán mạch động lực .................................................................... 54 3.3.1. Tính chọn van cho mạch động lực. ............................................... 55 3.3.2. Tính toán thiết kế cuộn kháng bảo vệ hạn chế tốc độ tăng dòng di/dt. ......................................................................................................... 57 3.3.3. Tính mạch bảo vệ quá áp RC mắc song song với van. ................. 59 3.3.4. Chọn cầu dao đóng cắt cho mạch lực ........................................... 61 3.3.5. Chọn cầu chì bảo vệ cho mạch lực. .............................................. 61 CHƯƠNG IV: PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN ....................................... 64 4.1. Yêu cầu chung đối với mạch điều khiển .......................................... 64 4.2. Tính chọn biến áp cho nguồn điều khiển. ........................................ 65 4.2.1. Một số đặc điểm của biến áp nguồn điều khiển. ........................... 65 4.2.2. Tính toán biến áp 3 pha. ................................................................ 65 4.3. Khâu đồng pha ................................................................................... 69 4.4. Khâu tạo điện áp tựa. ......................................................................... 70 4.4. Khâu so sánh tạo xung. ...................................................................... 73 4.5. Khâu tạo xung chùm. ......................................................................... 74 4.6. Khối khuếch đại xung chùm ............................................................. 76 4.7. Biến áp xung ....................................................................................... 78 4.8. Tổng hợp hệ thống truyền động điện ............................................... 83 4.8.1. Động cơ điện một chiều KTĐL .................................................... 83 4.8.2. Bộ điều chỉnh có đk ...................................................................... 85 Tài liệu tham khảo 106 4.8.3. Khâu phản hồi dòng điện .............................................................. 87 4.8.4. Khâu phản hồi tốc độ. ................................................................... 88 2.8.5. Tổng hợp mạch vòng dòng điện. .................................................. 89 4.8.6. Tổng hợp mạch vòng tốc độ.......................................................... 91 4.9. Đảo chiều quay của động cơ. ............................................................. 94 4.9.1. Đảo chiều từ thông ........................................................................ 94 4.9.2. Sơ đồ mạch kích từ ........................................................................ 95 4.9.3. Quá trình đảo chiều. ...................................................................... 95 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG SIMULINK ................................................ 98 5.1. Giới thiệu phần mềm simulink ......................................................... 98 5.2. Mô phỏng hệ thống bằng simulink. .................................................. 99 5.3. ý nghĩa của quá trình mô phỏng. .................................................... 100 5.4. Mô tả quá trình mô hình, mô phỏng. ............................................. 100 KẾT LUẬN ..................................................................................................................................... 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................... 103 Tài Đ B TR liệu tham Ề TÀI: T Ộ GIÁO DỤ ƯỜNG ĐẠI H ---- khảo TRƯỜN BỘ ĐỒ HIẾT K C VÀ ĐÀ HỌC BÁCH À NỘI ----------- G ĐẠI H K MÔN T ----------- ÁN T Ế BỘ ĐI KÍCH Giáo viên Giáo viên Sinh viên Lớp Mã số sin Hải P O TẠO KHOA ỌC BÁC HOA ĐIỆ Ự ĐỘNG -Y”Z- ỐT ỀU KHIỂ TỪ ĐỘ hướng dẫ hướng dẫ thực hiện h viên hòng - 11 CỘNG HO Độc H KHOA N HOÁ XN ---------- NGH N ĐỘNG C LẬP n : TS. NG n : TRẦN : PHẠM : TĐH : 4063 /2004 À Xà HỘI lập – Tự --------- HÀ NỘ CN - IỆP CƠ MỘ UYỄN MẠ TRỌNG M HỮU QU – K1 - HP CHỦ NGH do – Hạn ***-------- I T CHIỀ NH TIẾN INH ÂN ĨA VIỆT N h phúc - U AM Tài liệu tham khảo 108 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên : Phạm Hữu Quân Số hiệu sinh viên: 4063 Khoá : 1 Hải Phòng Khoa: Điện Ngành: TĐH XNCN 1. Đầu đề thiết kế. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 2. Các số liệu ban đầu. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán. Chương I : Khái niệm về công nghiệp cán. Chương II : Điều khiển động cơ một chiều. Chương III : Phân tích tính toán mạch lực. Chương IV : Phân tích tính toán mạch điều khiển. Chương V : Mô phỏng hệ thống bằng Simulink. ..............................................