Đồ án Tổng quan về truyền động điện một chiều, đi sâu thiết kế bộ điều khiển động cơ điện một chiều có ổn định tốc độ

93 trang huongle 2730

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Tổng quan về truyền động điện một chiều, đi sâu thiết kế bộ điều khiển động cơ điện một chiều có ổn định tốc độ", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

do_an_tong_quan_ve_truyen_dong_dien_mot_chieu_di_sau_thiet_k.pdf

Nội dung text: Đồ án Tổng quan về truyền động điện một chiều, đi sâu thiết kế bộ điều khiển động cơ điện một chiều có ổn định tốc độ

LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại ngày nay, truyền động điện đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống nhờ những ưu thế của nó như kết cấu gọn nhẹ, độ bền và độ tin cậy cao, tương đối sạch nên không gây ra các vấn đề về môi trường Bên cạnh đó truyền động điện còn có một ưu thế rất nổi bật, đặc biệt đối với truyền động điện một chiều, là khả năng điều khiển dễ dàng. Chính vì vậy mà truyền động điện một chiều có một vai trò quan trọng trong các dạng truyền động hiện đang dùng, nhất là trong những lĩnh vực đòi hỏi khả năng điều khiển cao như trong các máy sản xuất. Trong quá trình phát triển nền kinh tế, chúng ta đang từng bước đưa ứng dụng của truyền động điện một chiều vào hầu hết mọi lĩnh vực sản xuất của các nhà máy, các ngành kinh tế nhằm tạo ra những sản phẩm có chất lượng tốt có tính ổn định và tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường. Vì vậy vai trò của điều khiển động cơ điện một chiều là một trong những khâu quan trọng nhất quyết định những ưu nhược điểm của các hệ truyền động điện một chiều. Với đề tài của mình “ Tổng quan về truyền động điện một chiều, đi sâu thiết kế bộ điều khiển động cơ điện một chiều có ổn định tốc độ ”, em đã nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển động cơ điện một chiều cụ thể là ( động cơ điện một chiều công suất 2,5 kw – 1500 v/p ) có ổn định tốc độ. Để thực hiện mục tiêu trên, được sự chỉ bảo của thầy giáo hướng dẫn Ths. Vũ Ngọc Minh, cùng với sự nỗ lực của bản thân, em đã hoàn thành bản đồ án với ba chương có nội dung chính như sau: Chương 1: Tổng quan về truyền động điện một chiều. Chương 2: Các phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Chương 3: thiết kế bộ điều khiển động cơ điện một chiều có ổn định tốc độ. 1
Dù có nhiều cố gắng nhưng do kiến thức của em còn nhiều mặt hạn chế vì vậy nội dung của quyển đồ án này còn nhiều thiếu sót. Rất mong được sự giúp đỡ, chỉ bảo của các thầy cô để em hoàn thiện đồ án cũng như kiến thức của mình được tốt hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện Đào Trọng Toàn 2
CH¦¥NG 1 TæNG QUAN VÒ TRUYÒN §éNG §IÖN MéT CHIÒU 1.1. CÊU TRóC Vµ PH¢N LO¹I TRUYÒN §éNG §IÖN 1.1.1. Cấu trúc chung của hệ truyền động điện Truyền động cho một máy, một dây chuyền sản xuất mà dùng năng lượng điện thì gọi là truyền động điện (TĐĐ). Hệ truyền động điện là một tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị điện tử, cơ, thủy lực phục vụ cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho cơ cấu chấp hành trên các máy sản xuất, đồng thời có thể điều khiển dòng năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ của máy sản xuất. Về cấu trúc, một hệ thống TĐĐ nói chung bao gồm các khâu: Hình 1-1.Cấu trúc hệ thống truyền động điện. BBĐ: Bộ biến đổi, dùng để biến đổi loại dòng điện (xoay chiều thành một chiều hoặc ngược lại), biến đổi loại nguồn (nguồn áp thành nguồn dòng hoặc ngược lại), biến đổi mức điện áp (hoặc dòng điện), biến đổi số pha, biến đổi tần số Các BBĐ thường dùng là máy phát điện, hệ máy phát - động cơ (hệ F-Đ), các chỉnh lưu không điều khiển và có điều khiển, các bộ biến tần 3
Đ: Động cơ điện, dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thành điện năng (khi hãm điện). Các động cơ điện thường dùng là: động cơ xoay chiều KĐB ba pha rôto dây quấn hay lồng sóc, động cơ điện một chiều kích từ song song, nối tiếp hay kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, động cơ xoay chiều đồng bộ TL: Khâu truyền lực, dùng để truyền lực từ động cơ điện đến cơ cấu sản xuất hoặc dùng để biến đổi dạng chuyển động (quay thành tịnh tiến hay lắc) hoặc làm phù hợp về tốc độ, mômen, lực. Để truyền lực, có thể dùng các bánh răng, thanh răng, trục vít, xích, đai truyền, các bộ ly hợp cơ hoặc điện từ CCSX: Cơ cấu sản xuất hay cơ cấu làm việc, thực hiện các thao tác sản xuất và công nghệ (gia công chi tiết, nâng - hạ tải trọng, dịch chuyển ). ĐK: Khối điều khiển, là các thiết bị dùng để điều khiển bộ biến đổi BBĐ, động cơ điện Đ, cơ cấu truyền lực. Khối điều khiển bao gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số và công nghệ, các khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt có tiếp điểm (các rơle, công tắc tơ) hay không có tiếp điểm (điện tử,bán dẫn). Một số hệ TĐĐ TĐ khác có cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác như máy tính điều khiển, các bộ vi xử lý, PLC Các thiết bị đo lường, cảm biến (sensor) dùng để lấy các tín hiệu phản hồi có thể là các loại đồng hồ đo, các cảm biến từ, cơ, quang Một hệ thống TĐĐ không nhất thiết phải có đầy đủ các khâu nêu trên. Tuy nhiên, một hệ thống TĐĐ bất kỳ luôn bao gồm hai phần chính: - Phần lực: Bao gồm bộ biến đổi và động cơ điện. - Phần điều khiển. Một hệ thống truyền động điện được gọi là hệ hở khi không có phản hồi, và được gọi là hệ kín khi có phản hồi, nghĩa là giá trị của đại lượng đầu ra được đưa trở lại đầu vào dưới dạng một tín hiệu nào đó để điều chỉnh lại việc điều khiển sao cho đại lượng đầu ra đạt giá trị mong muốn. 4
1.1.2. Phân loại hệ thống truyền động điện a. Theo đặc điểm của động cơ điện: - Truyền động điện một chiều: Dùng động cơ điện một chiều. Truyền động điện một chiều sử dụng cho các máy có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ và mômen, nó có chất lượng điều chỉnh tốt. Tuy nhiên, động cơ điện một chiều có cấu tạo phức tạp và giá thành cao, hơn nữa nó đòi hỏi phải có bộ nguồn một chiều, do đó trong những trường hợp không có yêu cầu cao về điều chỉnh, người ta thường chọn động cơ KĐB để thay thế. - Truyền động điện không đồng bộ: Dùng động cơ điện xoay chiều không đồng bộ. Động cơ KĐB ba pha có ưu điểm là có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha. Tuy nhiên, trước đây các hệ truyền động động cơ KĐB lại chiếm tỷ lệ rất nhỏ do việc điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB có khó khăn hơn động cơ điện một chiều. Trong những năm gần đây, do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp chế tạo các thiết bị bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử tin học, truyền động không đồng bộ phát triển mạnh mẽ và được khai thác các ưu điểm của mình, đặc biệt là các hệ có điều khiển tần số. Những hệ này đã đạt được chất lượng điều chỉnh cao, tương đương với hệ truyền động một chiều. - Truyền động điện đồng bộ: Dùng động cơ điện xoay chiều đồng bộ ba pha. Động cơ điện đồng bộ ba pha trước đây thường dùng cho loại truyền động không điều chỉnh tốc độ, công suất lớn hàng trăm KW đến hàng MW (các máy nén khí, quạt gió, bơm nước, máy nghiền.v.v ). Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử, động cơ đồng bộ được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi loại giải công suất từ vài trăm W (cho cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, cơ cấu chuyển động của tay máy, người máy) đến hàng MW (cho các truyền động máy cán, kéo tàu tốc độ cao ). 5
b. Theo tính năng điều chỉnh: - Truyền động không điều chỉnh: Động cơ chỉ quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định. - Truyền có điều chỉnh: Trong loại này, tuỳ thuộc yêu cầu công nghệ mà ta có truyền động điều chỉnh tốc độ, truyền động điều chỉnh mômen, lực kéo và truyền động điều chỉnh vị trí. c. Theo thiết bị biến đổi - Hệ máy phát - động cơ (F-Đ): Động cơ điện một chiều được cấp điện từ một máy phát điện một chiều (bộ biến đổi máy điện). Thuộc hệ này có hệ máy điện khuếch đại động cơ (MĐKĐ - Đ), đó là hệ có BBĐ là máy điện khuếch đại từ trường ngang. - Hệ chỉnh lưu - động cơ (CL - Đ): Động cơ một chiều được cấp điện từ một bộ chỉnh lưu (BCL). Chỉnh lưu có thể không điều khiển (Điôt) hay có điều khiển (Thyristor) 1.2. cÊu t¹o vµ nguyªn lý lµm viÖc cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu 1.2.1. Cấu tạo Những phần chính của động cơ điện một chiều gồm: vỏ, trục, ổ bi, phần cảm (stato), phần ứng (rôto), cổ góp và chổi điện. Hình 1-2. Cấu tạo động cơ điện 1 chiều. 6
a. Phần tĩnh: là Stato và luôn luôn là phần cảm. Phần cảm là phần nhận năng lượng điện một chiều để tạo ra từ trường kích từ trong máy. Trên hình vẽ 1.2 cắt ngang máy điện 1 chiều, xét về phần cảm ta có: - Vỏ máy (1): Là mạch từ, dùng để dẫn từ và gá lắp các cực từ, ngoài ra vỏ máy còn làm nhiệm vụ bảo vệ máy. Vỏ được làm bằng thép đúc. - Cực từ chính (2) thực tế gồm 2 phần : thân cực,và mặt cực. Thân cực làm bằng thép đúc, mặt cực làm bằng thép lá KTĐ. Cực từ chính có nhiệm vụ dùng để quấn dây kích từ và để tạo ra từ trường phần cảm gọi là từ trường kích từ. Trên cực từ chính người ta quấn dây kích từ Wkt. - Cực từ phụ (3): Làm bằng thép đúc, mặt cực có khe khí với rôto rộng hơn so với cực từ chính. Trên cực từ phụ, được quấn dây kích từ phụ Wp. Nó tạo ra từ trường phụ. - Dây quấn: Là mạch điện dùng để dẫn điện, nó được làm bằng dây đồng bọc cách điện, hoặc dây êmay. Dây quấn gồm các loại sau: + Dây quấn kích từ song song (5), hay dây quấn kích từ độc lập :Wss: có nội trở lớn, vì số vòng dây lớn, thiết diện dây bé. Wss có thể đấu song song hay độc lập với phần ứng (rôto). + Dây quấn kích từ nối tiếp (4): Wnt có nội trở rất bé vì W nhỏ S lớn, Wnt được đấu nối tiếp với phần ứng qua chổi than và cổ góp điện, dòng điện qua Wnt bằng dòng điện qua rôto. Tuỳ theo quan điểm phát nhiệt hay quan điểm cách điện mà Wss hay Wnt được quấn gần hoặc xa lõi thép Stato hơn. + Dây quấn phụ Wp: Tương tự như Wnt nhưng chỉ khác nó được quấn trên thân cực từ phụ. Tín hiệu dòng qua nó bằng dòng qua cuộn nối tiếp. 7
4 5 6 1 7 9 2 8 3 Hình 1-3. Stato và rôto động cơ điện 1 chiều. Ngoài ra, trên phần tĩnh còn có hai nắp máy ở hai đầu để đỡ rôto. Hai đầu trục có hai vòng bi, trên thân máy có trụ đấu dây, đế máy, giá chổi than, chổi than, biển máy, móc vận chuyển. b. Phần quay : Là rôto,và luôn luôn là phần ứng. Phần ứng là phần cảm ứng ra các sức điện động xoay chiều. Phần ứng bao gồm: - Lõi thép (7) là mạch từ của rôto, được cấu tạo từ các lá thép KTĐ có độ dày (0,35 0,5) mm ghép lại với nhau tương tự như lõi thép của rôto dị bộ dây quấn ba pha. Chu vi mặt ngoài của rôto được xẻ rãnh đều đặn để đặt dây. - Dây quấn (8) là mạch điện rôto, dây quấn là dây đồng bọc cách điện hay dây êmay. Kiểu quấn là rải đều trên chu vi mặt ngoài của rôto. (sẽ học cấu tạo dây quấn ở chương sau). - Trục rôto (9) được làm bằng thép hợp kim có độ bền cơ khí rất cao. Trục dùng để đỡ rôto và quay tự do bởi hai đầu có hai vòng bi. - Ngoài ra phần quay còn có cổ góp, cánh quạt làm mát. c. Cổ góp và chổi than: Là bộ phận để chỉnh lưu hay nghịch lưu dòng điện rô to. Đây có thể coi như bộ chỉnh lưu hay nghịch lưu cơ khí. - Cổ góp: hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều có cấu tạo bởi nhiều phiến góp bằng đồng (1). Các phiến góp được cách điện với nhau. Các đầu dây của các mô bin dây được nối đến các phiến góp . - Chổi than: là thiết bị đưa dòng điện vào hoặc ra khỏi rôto. Chổi than có cấu tạo bằng than granit vừa có độ bền cơ, vừa chống mài mòn vừa có độ dẫn 8
điện cao.Chổi than đặt trong hộp chổi than là bộ phận giữ chổi than. Hộp chổi than đặt trên giá đỡ chổi than và bặt chặt bằng ống vít. Giá chổi than, hộp chổi than, và chổi than đều được cách điện với vỏ máy.Giá chổi than có thể điều chỉnh được vị trí bằng các ốc vít. Để tăng tiếp xúc và giữ chặt chổi có các lò xo tỳ lên chổi, các lò xo này có thể điều chỉnh được độ căng. Việc chổi than tỳ lên bề mặt của cổ góp sẽ gây ra tia lửa điện.Tia lửa lớn có thể gây nên vành lửa xung quanh cổ góp, phá hỏng chổi than và cổ góp, gây tổn hao năng lợng, ảnh hởng xấu đến môi trường và gây nhiễu đến sự làm việc của các thiết bị điện tử. Vì vậy, trong các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi phải bảo vệ và bảo dưỡng định kỳ động cơ. 1.2.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1 chiều Khi đặt điện áp một chiều vào phần cảm (Stato) thì trong phần cảm xuất hiện từ trường kt. Đồng thời đặt điện áp một chiều vào phần ứng thì trong dây quấn phần ứng (Roto) xuất hiện dòng điện iư. Do đó thanh dẫn phần ứng chịu một lực tác động F, có chiều được xác định bằng quy tắc bàn tay trái. F=BLI lực F sẽ tạo ra mômen quay làm quay rô to. Để chứng minh nguyên lý làm việc trên, đơn giản ta xét cho máy điện có rôto là khung dây, Stato là một nam châm điện hai cực Bắc – Nam (N-S) sau đây: B C F F I• I• A C D B F F I• I• + + v c1 v c1 1 D 2 A c v2 c v1 2 kt 2 kt - U - U (h.1) (h.2) Hình 1-4. Nguyên lý làm việc động cơ điện 1 chiều. 9
Trên hình 1 khi mặt phẳng khung dây ABCD trùng với các đường sức của từ trường kt, nếu điện áp U mạch ngoài có dương ở chổi C1 âm ở chổi C2 thì chiều dòng điện chạy trong rôto có chiều là: (+) C1V1 ABCDV1C2(-). Dùng quy tắc bàn tay trái, ta xác định được chiều của lực F và từ đó suy ra chiều momen M và . Trên hình 2 tương tự khi mặt phẳng ABCD quay đi 180o so với hình 1 ta thấy chiều dòng điện chạy trong phần ứng là: (+)C1.V2DCBAV1.C2(-) và tương tự ta cũng xác định được chiều của F và chiều của momen M cũng như có chiều tương tự ở hình 1. Kết luận: Điện áp mạch ngoài là một chiều nhưng dòng phần ứng là xoay chiều, do đó mọi thời điểm chiều của lực mômen là không đổi. Chổi than và cổ góp đóng vai trò là cái nghịch lưu cơ khí. 1.3. ®Æc tÝnh vµ c¸c tr¹ng th¸I lµm viÖc cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu. 1.3.1. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập và kích từ song song. a. Phương trình đặc tính cơ. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Cuộn kích từ được cấp điện từ nguồn một chiều độc lập với nguồn điện cấp cho rôto. Hình 1-5. Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập và song song. Nếu cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng được cấp điện bởi cùng một nguồn điện thì động cơ là loại kích từ song song. Trường hợp này nếu nguồn điện có 10
công suất rất lớn so với công suất động cơ thì tính chất động cơ sẽ tương tự như động cơ kích từ độc lập. Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn dây phần ứng quay trong từ trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng xuất hiện một sức điện động cảm ứng có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Theo sơ đồ nguyên lý trên hình 1.6, có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng (rôto) như sau: Uư = Eư + (Rư + Rp).Iư (1-1) Trong đó: - Uư là điện áp phần ứng động cơ, (V) - Eư là sức điện động phần ứng động cơ (V) - Iư là dòng điện phần ứng động cơ. - Rp là điện trở phụ mạch phần ứng. - Rư là điện trở cuộn dây phần ứng Rư = rư + rct + rcb + rcp (1-2) rư - Điện trở cuộn dây phần ứng. rct - Điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp. rcb - Điện trở cuộn bù. rcp - Điện trở cuộn phụ. Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay của rôto pN E = . K . (1-3) 2 a pN K là hệ số kết cấu của động cơ 2 a - Từ thông qua mỗi cực từ. p - Số đôi cực từ chính. N - Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng. a - Số mạch nhánh song song của cuộn ứng. 11
Hoặc ta có thể viết: Eư = Ke. .n (1-4) 2 n n Và 60 9,55 Vậy: Ke = K/ 9,55 = 0,105K Nhờ lực từ trường tác dụng vào dây dẫn phần ứng khi có dòng điện, rôto quay dưới tác dụng của mômen quay: M = K. .Iư (1-5) Từ hệ 2 phương trình (1.1) và (1.3) ta có thể rút ra được phương trình đặc tính cơ điện biểu thị mối quan hệ ω = f(I) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau: U • R• Rp I• (1-6) K K Từ phương trình (1.5) rút ra Iư thay vào phương trình (1.6) ta được phương trình đặc tính cơ biểu thị mối quan hệ ω = f(M) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau: U R R • • p M (1-7) K K 2 Có thể biểu diễn đặc tính cơ dưới dạng khác: ω = ω0 - Δω (1-8) U Trong đó: • gọi là tốc độ không tải lý tưởng. 0 K R R • p M gọi là độ sụt tốc độ K 2 Phương trình đặc tính cơ (1.7) có dạng hàm bậc nhất y = B + Ax, nên đường biểu diễn trên hệ tọa độ M0ω là một đường thẳng với độ dốc âm. U• Đường đặc tính cơ cắt trục tung 0ω tại điểm có tung độ: . Tốc độ ω0 0 K được gọi là tốc độ không tải lý tưởng khi không có lực cản nào cả. Đó là tốc 12
độ lớn nhất của động cơ mà không thể đạt được ở chế độ động cơ vì không bao giờ xảy ra trường hợp MC = 0. Hình 1-6. Đặc tính cơ của động cơ 1 chiều kích từ độc lập. Khi phụ tải tăng dần từ MC = 0 đến MC = Mđm thì tốc độ động cơ giảm dần từ ω0 đến ωđm. Điểm A (Mđm,ωđm) gọi là điểm định mức. Rõ ràng đường đặc tính cơ có thể vẽ được từ 2 điểm ω0 và A. Điểm cắt của đặc tính cơ với trục hoành 0M có tung độ ω = 0 và có hoành độ suy từ phương trình (1.7): Udm M M nm K dm K dm.Inm (1-9) R• Hình 1-7. Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ 1 chiều kích từ độc lập. Mômen Mnm và Inm gọi là mômen ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch. Đó là giá trị mômen lớn nhất và dòng điện lớn nhất của động cơ khi được cấp điện đầy đủ mà tốc độ bằng 0. Trường hợp này xảy ra khi bắt đầu mở máy và khi động cơ đang chạy mà bị dừng lại vì bị kẹt hoặc tải lớn quá kéo không được. Dòng điện Inm này lớn và thường bằng: Inm = (10 ÷ 20).Iđm Nó có thể gây cháy hỏng động cơ nếu hiện tượng tồn tại kéo dài. 13
b. Ảnh hưởng của các thông số điện đối với đặc tính cơ Phương trình đặc tính cơ (1.7) cho thấy, đường đặc tính cơ bậc nhất ω = f(M) phụ thuộc vào các hệ số của phương trình, trong đó có chứa các thông số điện U, Rp và . Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng thông số này.  Trường hợp thay đổi điện áp phần ứng Vì điện áp phần ứng không thể vượt quá giá trị định mức nên ta chỉ có thể thay đổi về phía giảm. Uư biến đổi; Rp = const; = const Trong phương trình đặc tính cơ, ta thấy độ dốc (hay độ cứng) đặc tính cơ không thay đổi: R• Rp 2 M const K (1-10) Tốc độ không tải lý tưởng ω0 thay đổi tỷ lệ thuận với điện áp: U• 0 var K Như vậy khi thay đổi điện áp phần ứng ta được một họ các đường đặc tính cơ song song với đường đặc tính cơ tự nhiên và thấp hơn đường đặc tính cơ tự nhiên. Hình 1-8. Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ 1 chiều kích từ độc lập khi giảm điện áp phần ứng.  Trường hợp thay đổi điện trở mạch phần ứng Vì điện trở tổng của mạch phần ứng: RưΣ = Rư + Rưf nên điện trở mạch phần ứng chỉ có thể thay đổi về phía tăng Rưf. 14
Uư = const ; Rưf = var; = const Hình 1-9. Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ 1 chiều kích từ độc lập khi tăng điện trở phụ phần ứng. Trường hợp này, tốc độ không tải giữ nguyên: U• 0 const K (1-11) Còn độ dốc (hay độ cứng) của đặc tính cơ thay đổi tỷ lệ thuận theo RưΣ R• Rp 2 M var K (1-12) Như vậy, khi tăng điện trở Rưf trong mạch phần ứng, ta được một họ các đường đặc tính cơ nhân tạo cùng đi qua điểm (0, ω0).  Trường hợp thay đổi từ thông kích từ Uư = const ; Rưf = const; = var Để thay đổi từ thông , ta phải thay đổi dòng điện kích từ nhờ biến trở Rkt mắc ở mạch kích từ của động cơ. Vì chỉ có thể tăng điện trở mạch kích từ nhờ Rkt nên từ thông kích từ chỉ có thể thay đổi về phía giảm so với từ thông định mức. Trường hợp này, cả tốc độ không tải lư tưởng và độ dốc đặc tính cơ đều thay đổi. U R• Rp • M var 0 var 2 K K (1-13) 15
Khi điều chỉnh giảm từ thông kích từ, tốc độ không tải lý tưởng ω0 tăng, còn độ cứng đặc tính cơ thì giảm mạnh. Họ đặc tính cơ nhân tạo thu được như hình (1-9). Hình 1-10. Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ 1 chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông kích từ. c. Mở máy (khởi động) động cơ điện một chiều kích từ độc lập Nếu khởi động động cơ 1 chiều kích từ độc lập bằng phương pháp đóng trực tiếp thì ban đầu tốc độ động cơ còn bằng 0 nên dòng khởi động ban đầu rất lớn (Inm = Uđm/Rư ≈ 10 ÷ 20Iđm). Như vậy nó đốt nóng mạnh động cơ và gây sụt áp lưới điện. Hoặc làm cho sự chuyển mạch khó khăn, hoặc mômen mở máy quá lớn sẽ tạo ra các xung lực động làm hệ truyền động bị giật, lắc, không tốt về mặt cơ học, hại máy và có thể gây nguy hiểm như: gãy trục, vỡ bánh răng, đứt cáp, đứt xích Tình trạng càng xấu hơn nếu như hệ TĐĐ thường xuyên phải mở máy, đảo chiều, hãm điện thường xuyên như ở máy cán đảo chiều, cần trục, thang máy Để đảm bảo an toàn cho máy, thường chọn: Ikđbđ = Inm ≤ Icp = 2,5Iđm Muốn thế, người ta thường đưa thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng ngay khi bắt đầu khởi động, và sau đó thì loại dần chúng ra để đưa tốc độ động cơ lên xác lập. U dm Ikdbd Inm 2 2,5 Idm Icp (1-14) R• Rp 16
Công suất động cơ lớn thì chọn Imm nhỏ. Trong quá trình mở máy, tốc độ động cơ ω tăng dần, sức điện động của động cơ Eư=K. .ω cũng tăng dần và dòng điện động cơ bị giảm: U E• I (1-15) R• Rp Do đó mômen động cơ cũng giảm. Động cơ mở máy trên đường đặc tính cơ như hình 1.10 b. Nếu cứ giữ nguyên Rp trong mạch phần ứng thì khi tốc độ tăng theo đường đặc tính 1 tới điểm B, mômen động cơ giảm từ mômen Mmm xuống bằng mômen cản Mc, động cơ sẽ quay ổn định với tốc độ thấp ωb. Do vậy, khi mômen giảm đi một mức nào đó (chẳng hạn M2) thì phải cắt dần điện trở phụ để động cơ tiếp tục quá trình mở máy cho đến điểm làm việc A trên đường đặc tính tự nhiên. Khi bắt đầu cấp điện cho động cơ với toàn bộ điện trở khởi động, mômen ban đầu của động cơ sẽ có giá trị là Mmm. Mômen này lớn hơn mômen cản tĩnh Mc do đó động cơ bắt đầu được gia tốc. Tốc độ càng tăng lên thì mômen động cơ càng giảm xuống. Trong quá trình đó mômen động (chênh lệch giữa mômen động cơ và mômen cản: ΔM = MĐ - MC) giảm dần nên hiệu quả gia tốc cũng giảm theo. Đến một tốc độ nào đó, tiếp điểm 1G đóng lại, một đoạn điện trở khởi động bị nối tắt Mômen động cơ lại tăng lên, gia tốc lớn hơn và sau đó gia tốc lại giảm dần khi tốc độ tăng. Tiếp theo quá trình lại xảy ra tương tự như vậy: sau khi đóng tiếp điểm 2G mômen động cơ giảm và tiếp điểm 3G đóng lại thì động cơ chuyển sang làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên. 17
a b Hình 1-11. Sơ đồ khởi động và đặc tính cơ lúc khởi động của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập với 3 cấp điện trở d. Đảo chiều quay động cơ 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 từ lực có chiều ngược lại. Vậy muốn đảo chiều quay của động cơ điện một chiều ta có thể thực hiện một trong hai cách: - Hoặc đảo chiều từ thông (bằng cách đảo chiều dòng điện kích từ). - Hoặc đảo chiều dòng điện phần ứng. Hình 1-12. Sơ đồ nối dây động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi đảo chiều từ thông hoặc khi đảo chiều dòng điện phần ứng. Đường đặc tính cơ của động cơ khi quay thuận và quay ngược là đối xứng nhau qua gốc tọa độ. 18
Phương pháp đảo chiều từ thông thực hiện nhẹ nhàng vì mạch từ thông có công suất nhỏ hơn mạch phần ứng. Tuy vậy, vì cuộn kích từ có số vòng dây lớn, hệ số tự cảm lớn, do đó thời gian đảo chiều tăng lên. Ngoài ra, dùng phương pháp đảo chiều từ thông thì từ thông qua trị số 0 có thể làm tốc độ động cơ tăng quá cao. 1.3.2. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp a. Phương trình đặc tính cơ Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng như sơ đồ nguyên lý ở hình 1.12. Hình 1-13. Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp. Với cách mắc nối tiếp, dòng điện kích từ bằng dòng điện phần ứng Ikt = Iư nên cuộn dây kích từ nối tiếp có tiết diện dây lớn và số vòng dây ít. Từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng, tức là phụ thuộc vào tải: = K'.Iư Trong đó K' là hệ số phụ thuộc vào cấu tạo của cuộn dây kích từ. Phương trình trên chỉ đúng khi mạch từ không bão hoà từ và khi dòng điện Iư Iđm) thì có thể coi =const vì mạch từ đã bị bão hòa. Xuất phát từ các phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều nói chung: Uư = Eư + (Rư + Rưf).Iư Eư = K. .ω 2 M = K. .Iư = K.K'. Iư (1-16) 19
Ta có thể tìm được phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: U R• ' (1-17) K.K ' . M K.K Đồ thị đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp là một đường hyperbol. Hình 1-14. Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập. Thực tế, động cơ thường được thiết kế để làm việc với mạch từ bão hòa ở vùng tải định mức. Do vậy, khi tải nhỏ đặc tính cơ có dạng đường hypecbol bậc 2 và mềm, còn khi tải lớn (trên định mức) đặc tính có dạng gần thẳng và cứng hơn vì mạch từ đã bảo hòa ( = const). Khi MC = 0 (Iư = 0), theo phương trình đặc tính cơ (1.13) thì trị số ω sẽ vô cùng lớn. Thực tế do có lực ma sát ở cổ trục động cơ và mạch từ khi Ikt = 0 vẫn còn có từ dư ( dư ≠ 0) nên khi không tải MC ≈ 0, tốc độ động cơ lúc đó sẽ là. U 0 (1-18) K d• Tốc độ này không phải lớn vô cùng nhưng do từ dư dư nhỏ nên ω0 cũng lớn hơn nhiều so với trị số định mức (5 ÷ 6) ωđm và có thể gây hại và nguy hiểm cho hệ TĐĐ. Vì vậy không được để động cơ một chiều kích từ nối tiếp làm việc ở chế độ không tải hoặc rơi vào tình trạng không tải. Không dùng động cơ một chiều kích từ nối tiếp với các bộ truyền đai hoặc ly hợp ma sát Thông thường, tải tối thiểu của động cơ là khoảng (10 ÷ 20)% định mức. Chỉ 20
những động cơ công suất rất nhỏ (vài chục Watt) mới có thể cho phép chạy không tải. b. Ảnh hưởng của các thông số điện đối với đặc tính cơ Ở động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, dòng điện phần ứng cũng là dòng điện kích từ nên khả năng tải của động cơ hầu như không bị ảnh hưởng bởi điện áp. Phương trình đặc tính cơ ω = f(M) (1.13) của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp cho thấy đặc tích cơ bị ảnh hưởng bởi điện trở mạch động cơ (mạch phần ứng và cũng là mạch kích từ). Đặc tính cơ tự nhiên cao nhất ứng với điện trở phụ Rưf = 0. Các đặc tính cơ nhân tạo ứng với Rưf ≠ 0. Đặc tính càng thấp khi Rưf càng lớn. Hình 1-15. Ảnh hưởng của điện trở mạch phần ứng tới đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp. Trị số Mmm suy từ phương trình đặc tính cơ khi cho ω = 0 2 ' U ' 2 M mm K.K K.K .Inm (1-19) R• U Trong đó: Inm R• c. Mở máy (khởi động) động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp Lúc mở máy động cơ, phải đưa thêm điện trở mở máy vào mạch động cơ để hạn chế dòng điện mở máy không được vượt quá giới hạn 2,5 Iđm. Trong quá trình động cơ tăng tốc, phải cắt dần điện trở mở máy và khi kết thúc quá 21
trình mở máy, động cơ sẽ làm việc trên đường đặc tính cơ tự nhiên không có điện trở mở máy. Khi động cơ được cấp điện, các tiếp điểm K1 và K2 mở để nối các điện trở R1 và R2 vào mạch động cơ. Dòng điện qua động cơ được hạn chế trong giới hạn cho phép ứng với mômen mở máy: Mmm = M1 = (2÷2,5) Mđm Động cơ bắt đầu tăng tốc theo đặc tính cơ 1 từ điểm a đến điểm b. Cùng với quá trình tăng tốc, mômen động cơ giảm dần. Tới điểm b, tốc độ động cơ là ω2 và mômen là M2=(1,1 ÷ 1,3)Mđm thì tiếp điểm K2 đóng, cắt điện trở mở máy R2 ra khỏi mạch động cơ. Động cơ chuyển từ đặc tính cơ 2 sang làm việc tại điểm c trên đặc tính cơ 1. Thời gian chuyển đặc tính vô cùng ngắn nên tốc độ động cơ coi như giữ nguyên. Đoạn bc song song với trục hoành OM. Lúc này mômen động cơ lại tăng từ M2 lên M1, động cơ tiếp tục tăng tốc nhanh theo đặc tính cơ 1 Khi mômen động cơ giảm xuống còn M2 (ứng với tốc độ ω1) thì điện trở mở máy R1 còn lại được cắt nốt ra khỏi mạch động cơ nhờ đóng tiếp điểm K1. Động cơ chuyển sang làm việc tại điểm e trên đặc tính cơ tự nhiên và lại tăng tốc theo đặc tính này tới làm việc tại điểm A. Tại đây, mômen động cơ MĐ cân bằng với mômen cản MC nên động cơ sẽ quay với tốc độ ổn định ωA. Hình 1-16. Sơ đồ mở máy động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp qua 2 cấp điện trở phụ. 22
Ch•¬ng 2 C¸c ph•¬ng ph¸p c¬ b¶n ®Ó ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu 2.1 kh¸i niÖm chung. Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với loại động cơ khác, không những nó 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 cấp cho phần ứng động cơ, - Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ. Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ. Cho đến nay, trong công nghiệp sử dụng bốn biến đổi chính: - Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại ( KĐM ). - Bộ biến đổi điện từ: Khuyếch đại từ ( KĐT ), - Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu Thyristor ( CLT ), - Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito ( BBĐXA ). Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như: - Hệ truyền động máy phát - động cơ ( F - D ), - Hệ truyền động máy điện khuyếch đại - động cơ ( MĐKĐ - Đ ), - Hệ truyền động khuyếch đại từ - động cơ ( KĐT - Đ ), - Hệ truyền động chỉnh lưu Thyristor - động cơ ( T - Đ ), 23
- 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 chỉnh tự động) và loại điều khiển mạch hở (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 hơn so với hệ truyền động “hở”. Ngoài ra, các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều còn được phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay. Đồng thời tuỳ thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền động làm việc ở một góc phần tư, hai góc phần tư, và bốn góc phần tư. 2.2. ph•¬ng ph¸p ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p cÊp cho ®éng c¬. Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ 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 nhờ tín hiệu điều khiển Uđk. Vì nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không. ~ R I R•® LK b U U E (U ) E ®k § b ®k • BB§ H×nh 2-1. S¬ ®å vµ s¬ ®å thay thÕ ë chÕ ®é x¸c lËp Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau: Eb - Eư = Iư . ( Rb + Rưđ ) Eb Rb R•§ ω .I• ( 2 - 1 ) K. §m K. §m 24
M ω ω U o §k 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 giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng định mức và từ thông cũng được giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mômen khởi động. Khi mômen tải là định mức thì các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tốc độ là: M ω ω §m max o max β ( 2 – 2 ) M ω ω §m min o min β Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM . Mđm Trong đó KM là hệ số quá tải về mômen. Vì họ đặc tính cơ là các đường thẳng song song nhau, nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ có thể viết 1 M dm min M nm min M dm K M 1 M§m ωomax. β ωomax 1 β M D §m 1 K 1 ( 2 - 3 ) K 1 M M M §m β 25
0 max max ®k1 ®ki 0min min M,I O M M®m nm min H×nh 2-2. X¸c ®Þnh ph¹m vi ®iÒu chØnh Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị 0max, Mđm, KM là xác định, vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trị của độ cứng . 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: 1 o max . 10 M dm Vì thế, tải có đặc tính mômen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ cứng không vượt quá 10. Đối với các máy có yêu cầu cao về dải điều chỉnh 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 đặc tính cơ tĩnh của hệ truyền động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện áp phần ứng thì độ cứng có đặc tính cơ trong toàn dải là như nhau, do đó độ sụt tốc tương đối sẽ đạt giá trị lớn nhất tại đặc tính 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 26
không vượt quá giá trị sai số cho phép, thì hệ truyền động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh. Sai số tương đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là: s o min min o min o min M dm s scp ( 2 - 4 ) . o min Vì các giá trị Mđm , 0min , 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 việc này, trong đa số các trường hợp cần xây dựng các hệ truyền động điện kiểu vòng kín. Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích từ được giữ nguyên, do đó mômen tải cho phép của hệ sẽ là không đổi: Mc.cp = K đm . Iđm = Mđm Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen nằm trong hình chữ nhật bao bởi các đường thẳng = đm, M= Mđm và các trục toạ độ. Tổn hao năng lượng chính là tổn hao trong mạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổi trong hệ. Eb = Eư + Iư ( Rb + Rưđ ) 2 Iư . Eb = Iư . Eư + Iư ( Rb + Rưđ ) Nếu đặt Rư + Rưđ = R thì hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ sẽ là: I u E u u 2 I u E u I u R MR 2 K dm * u * M* R* Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mômen do động cơ sinh ra đúng * * bằng mômen tải trên trục: M = Mc và gần đúng coi đặc tính cơ của phụ tải là * x Mc = ( ) thì: 27
* u (2-5) * R* . * x 1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là rất thích hợp trong trường hợp mômen tải là hằng số trong toàn dải điều chỉnh. Cũng thấy rằng không nên nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng, vì như vậy sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ. 2.3. ph•¬ng ph¸p ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p cÊp cho m¹ch kÝch tõ ®éng c¬. Điều chỉnh từ thông kích thích của dòng điện một chiều là điều chỉnh mômen điện từ của động cơ M = K .IƯ và sức điện động quay của động cơ Eư = K . . Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến: 28
ik I r + U®k bk rk E Lk Wk - a) U®m > U1 > U2 > U3 max o TN U®m o1 U1 U®m, ®m o2 o3 U2 §Æc tÝnh c¬ b¶n U3 o M, M, I M I M®m b) ®m c) o2 ®m > 1 > 2 2 o1 o 1 ®m M d) H×nh 2- 3. S¬ ®å thay thÕ: a) §Æc tÝnh ®iÒu chØnh khi ®iÒu chØnh tõ th«ng ®éng c¬, (b) Quan hÖ (iht), c)Gi¶m ®iÖn ¸p, d) Gi¶m tõ th«ng e k d i k k (2 - 6) rb rk dt Trong đó rk - điện trở dây quấn kích thích, rb - điện trở của nguồn điện áp kích thích, k – số vòng dây của dây quấn kích thích. 29
Trong chế độ xác lập ta có quan hệ: e k i k ; = f(ik) rb rk Thường khi điều chỉnh 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 và được gọi là đặc tính cơ bản (đôi khi chính là đặc tính tự nhiên của động cơ). 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 2 K * * 2 thông kích thích: hay = ( ) Ru Do điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm từ thông nên đối với các động cơ mà từ thông định mức nằm ở chỗ tiếp giáp giữa vùng tuyến tính và vùng bão hoà vủa đặc tính từ hoá thì có thể coi việc điều chỉnh là tuyến tính và bằng hằng số C phụ thuộc vào thông số kết cấu của máy điện. 2.4. hÖ truyÒn ®éng m¸y ph¸t - ®éng c¬ mét chiÒu (f-®). 2.4.1. Cấu trúc hệ F- Đ và 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 điên một chiều kích từ độc lập. Máy phát này thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha ĐK 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 của điện áp trên hai cực của máy phát vào dòng 30
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 gần đúng có thể tuyến tính hoá các đặc tính này : EF = KF F . F = KF . F . C. iKF , (2-7) Trong đó KF : là hệ số kết cấu của máy phát, C = F / iKF là hệ số góc của đặc tính từ hoá. Nếu dây quấn kích thích của máy phát được cấp bởi nguồn áp lý tưởng UKF thì: IKF = UKF / rKF 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 kích từ độc lập là một bộ khuyếch đại tuyến tính: EF = KF . UKF (2-8) Nếu đặt R = RưF + RưĐ thì có thể viết được phương trình các đặc tính của hệ F - Đ như sau: K F RI .U KF K K K F R U KF M (2 - 9) K K 2 M o U KF ,U KD U KD Các biểu thức trên 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 giữ nguyên. Cũng có thể điều chỉnh kích từ của động cơ để có dải điều chỉnh tốc độ rộng hơn. 31
~ ~ §K U®k UK§ F i F U § iK§ KF F M =U§ U®kU UKF MS H×nh 2-4. S¬ ®å nguyªn lý m¸y ph¸t ®éng c¬ 2.4.2. Các chế độ làm việc của hệ F – Đ. Trong mạch lực của hệ F - Đ không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có những đặc tính động rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc. Với sơ đồ cơ bản như (hình 2 – 5) động cơ chấp hành Đ có thể làm việc ở chế độ điều chỉnh được cả hai phía: kích thích máy phát F và kích thích động cơ Đ, đảo chiều quay bằng cách đảo chiều dòng kích thích máy phát, hãm động năng khi dòng kích thích máy phát bằng không, hãm tái sinh khi giảm tốc độ hoặc khi đảo chiều dòng kích từ, hãm ngược ở cuối giai đoạn hãm tái sinh khi đảo chiều hoặc khi làm việc ổn định với mômen tải có tính chất thế năng Hệ F - Đ có đặc tính cơ điện cả bốn góc phần tư của mặt phẳng toạ độ [ , M]. Ở góc phần tư 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 xung đối nhau và EF E , c . Công suất điện từ của máy phát và động cơ là: PF = EF.I > 0 PĐ = E.I 0 32
I iKF®m , i K§min EF E iKF®m, iK§®m M R o I M M iKF®m iK§®m E F E F iKF®m , i K§min a) R I M iKF : van E F E i K§ = const F R o M I E F E b) M R H×nh 2-5. §Æc tÝnh c¬ hÖ F-D. a) Trong chÕ ®é ®éng c¬; b) Trong chÕ ®é h·m t¸i sinh Các biểu thức này nói lên rằng năng lượng được vận chuyển thuận chiều từ nguồn máy phát động cơ tải. Vùng hãm tái sinh nằm ở góc phần tư thứ II và thứ IV, lúc này do o nên E EF , mặc dù E, EF mắc xung đối nhưng phần ứng lại chảy ngược từ động cơ về máy phát làm cho mômen quay ngược chiều tốc độ quay. Công suất điện từ của máy phát, công suất điện từ và công suất cơ học của động cơ là : 33
PF = EF.I 0 (2-11) Pcơ = M. 0 PĐ = E.I > 0 Pcơ = M. < 0 34
Hai nguồn sđđ E và EF cùng chiều và cùng cung cấp cho điện trở mạch phần ứng tạo thành nhiệt năng tiêu tán trên đó. Để có hình ảnh mô tả tất cả các trạng thái làm việc của hệ F - Đ, xét một ví dụ phụ tải có mômen ma sát, tức là khi chiều chuyển động đảo dấu thì mômen cũng đảo dấu (hình 2-8). Trong quá trình xét ta bỏ qua quá trình quá độ điện từ của mạch. Giả thiết hệ đang làm việc tại điểm A có MA = MC, EF = EFA và = A. Khi cho lệnh hãm đảo chiều thì giảm nhanh EF, điểm làm việc chuyển sang điểm B, từ B, nếu giữ tốc độ giảm EF thích hợp với quán tính của hệ thì có thể giữ cho mômen điện từ của động cơ là hằng số, do đó tốc độ sẽ giảm tuyến tính theo thời gian. Tại điểm C kết thúc quá trình hãm tái sinh, với năng lượng tái sinh là: t c ts M. t dt . to Đoạn CD là đoạn hãm ngược vì EF đã đổi dấu mà E = K . chưa đổi dấu. Tại D tốc độ động cơ bằng không nhưng do vẫn tồn tại mômen hãm nên động cơ được khởi động ngược lại. Đoạn DA của quá trình động cơ có tốc độ và mômen cùng chiều, trong đó ở đoạn EA mômen động cơ giảm dần, tốc độ biến thiên theo luật hàm mũ. , E oA ’ B A E C o D’ D -Mc MI ’ E A ’ ’ B A ’ oA Hình 2-7. Chuyển đổi trạng thái của hệ thống 35
2.4.3. Đặc điểm của hệ F- Đ. Các chỉ tiêu chất lượng của hệ F - Đ về cơ bản tương tự các chỉ tiêu của hệ điều áp dụng bộ biến đổi nói chung. Ưu điểm nổi bật của hệ F - Đ là sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn. Do vậy, thường sử dụng hệ truyền động F - Đ ở các máy khai thác trong công ngiệp mỏ. Nhược điểm quan trọng nhất của hệ F - Đ là dùng nhiều máy điện quay, trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp ba lần công suất động cơ chấp hành. Ngoài ra, do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ. 2.5. hÖ thèng chØnh l•u - ®éng c¬ mét chiÒu. 2.5.1. Chỉnh lưu bán dẫn làm việc với động cơ điện Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển - động cơ một chiều (CL- Đ), bộ biến đổi điện là các mạch chỉnh lưu điều khiển có sđđ Ed phụ thuộc vào giá trị của pha xung điều khiển (góc điều khiển). Chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện 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 có thể căn cứ vào các dấu hiệu sau đây: - Số pha: 1 pha, 3 pha, 6 pha v.v , - 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, - Khoảng điều chỉnh: là vị trí của đặc tính ngoài trên mặt phẳng toạ độ [ Ud,Id], - Chế độ năng lượng: chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc, - Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn. Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và vào các tính chất của tải, trong truyền động điện, tải của chỉnh lưu thường là cuộn kích từ (L - R) hoặc là mạch phần ứng động cơ (L - R - E). 36
- Các bộ chỉnh lưu đảo chiều dùng cho động cơ 1 chiều cần quay theo cả 2 chiều với chế độ làm việc ở cả 4 góc điều chỉnh. - Tuỳ theo yêu cầu về chất lượng điều chỉnh mà có thể sử dụng các sơ đồ. Ở đồ án này ta chọn bộ biến đổi là sơ đồ cầu một pha đối xứng. V V 1 3 Zt ~ H×nh 2-8. S¬ ®å cÇu V V2 1 pha ®èi xøng 4 Nguyên lý hoạt động. Tại thời điểm t = 0 vì chưa có xung G1,2( ) nên không có van nào mở cả. Khi t= Có xung G1, 2 Các van V1, V2 mở Ud = U2; i2 = iV1= iV2 = id Tại t= tải thuần trở dòng giảm về 0, điện áp giảm về 0 (Ud=0). Khi t= điện áp đổi chiều nên van V1, V2 khoá, vì chưa có xung G3,4 nên các van V3, V4 vẫn chưa mở. Đến thời điểm t = 2 lúc này mới đưa xung G3,4 do đó các van V3, V4 mở : Ud = U2, i2 = iV3 = iV4 = id. Như vậy, điện áp và dòng điện trên tải là một chiều. Bằng cách thay đổi thời gian mở van ta có thể thay đổi được giá trị trung bình trên tải ta có điện áp dây: 1 1 1 2 2 1 cos U d U d d U d d 2U 2 sin d U 2 2 2 1 cos U d0 2 Công suất tác dụng : P U1I1 cos Công suất của máy biến áp: S = 1,23 . Pd 37
Đồ thị điện áp và dòng điện ứng với góc: 1200 U2 UG1 UG2 Ud Id UV1,2 UV3,4 H×nh 2 -9. §å thÞ ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn sau chØnh l•u cÇu 1 pha t¶i R 2.5.2. Khảo sát đồ thị điện áp và dòng điện tại đầu ra của bộ chỉnh lưu với góc mở khác nhau và với tải động cơ. V V 1 3 M 180V ~ V V 4 2 H×nh 2 -10. S¬ ®å m¹ch T- § 38
Dựa trên sơ đồ mạch điện và các đồ thị trên máy hiện sóng. Thuyết minh đồ thị dòng điện và điện áp tại đầu ra của bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển được động cơ và không nối tải phản hồi: U2 1350 Ud Id H×nh 2-11. §Æc tÝnh t¶i dßng gi¸n ®o¹n Thuyết minh: nhìn vào sơ đồ ta thấy điện áp tại đầu chỉnh lưu luôn dương vì: Khi các van V1,V2 mỏ thì có dòng điện qua động cơ một chiều (đã được cấp kích từ) động cơ được khởi động và tốc độ tăng dần. U = E + Iư . Rư Đến thời điểm t = điện áp đổi chiều các van V1, V2 khoá và V3, V4 chưa mở lúc này I = 0. Nhưng động cơ đang quay lúc này động cơ ở chế độ máy phát: U = E Do đó điện áp luôn dương . Thay đổi góc mở từ 1800 về giá trị nhỏ hơn 900 ta thấy tốc độ động cơ tăng dần. 39
Ch•¬ng 3 ThiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu cã æn ®Þnh tèc ®é 3.1. tæng hîp hÖ thèng truyÒn ®éng ®iÖn mét chiÒu. Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu một chiều cấp điện cho động cơ điện một chiều. Chọn thông số cơ bản của động cơ điện một chiều: Uưđm=240V, Pđm= 2,2KV, Iưđm =10A , nđm =1500 v/p, Ukt =240V. 3.1.1. Đặt vấn đề. Việc tổng hợp hệ thống gồm có hai nhiệm vụ xác định cấu trúc và xác định tham số của bộ biến đổi. Trong các hệ truyền động điện hiện đại, các mạch vòng điều chỉnh được nối theo cấp, độc lập tương đối với nhau, việc phân vùng tác dụng giữa ổn định tốc độ và hạn chế dòng điện được thực hiện bằng dạng phi tuyến của dạng điều chỉnh. Sơ đồ đơn giản nhất gồm hai vòng điều chỉnh: vòng điều chỉnh dòng điện ở trong có bộ điều chỉnh dòng điện RI, vòng điều chỉnh tốc độ có bộ điều chỉnh tốc độ R , bộ điều chỉnh này có đặc tính khuếch đại, có vùng bão hoà hình (3 - 1, b). Điện áp đầu ra của R là điện áp đặt dòng điện phần ứng Uiđ, giá trị bão hoà uiđmax chính là giá trị đạt cực đại của dòng điện phần ứng. Bộ điều chỉnh dòng điện RI trong mạch vòng có nhiệm vụ duy trì dòng điện phần ứng luôn bằng giá trị đặt (Uiđ), bất kể hệ thống đang làm việc ổn định hay đang trong quá trình quá độ. Như vậy, mạch vòng điện được điều khiển bởi tín hiệu Uiđ. Vì dòng điện là đại lượng biến thiên nhanh nên sai lệch i luôn nhỏ, bộ điều chỉnh RI luôn làm việc ở vùng tuyến tính của đặc tính điều chỉnh. 40
Khi bắt đầu quá trình thay đổi tốc độ, giả sử xét khi khởi động động cơ. Do có sự thay đổi đột ngột của U đ trong khi U chưa thay đổi kịp do quán tính cơ học của hệ, nên sai lệch đầu vào = U đ - U có giá trị lớn. Điểm làm việc của R sẽ ở rất sâu trong vùng bão hoà của đặc tính điều chỉnh, tín hiệu ra của R sẽ là Uiđ = Uiđmax = const, mạch vòng tốc độ bị “ngắt” ra khỏi sơ đồ. Do hoạt động của mạch vòng dòng điện mà dòng điện phần ứng được duy trì ở giá trị I = Iđmax tương ứng tín hiệu vào của mạch vòng là Uiđmax, điểm bắt đầu khởi động là điểm A trên hình 3 - 1,c. động cơ bắt đầu được tăng tốc độ với d gia tốc (K. . I - M )/ J dt đm đmax c I -U FT R R I U Ui U B§ ® i ®k § K ® KI CK -Ui a) I,M Ui® B I®max1 Ui®max1 = 0 A I®max2 Ui®max2 m C 0 B 0 b) c) H×nh 3 -1. §iÒu chØnh dßng ®iÖn trong c¸c hÖ nhiÒu vßng: a) S¬ ®å khèi; b) §Æc tÝnh ®iÒu chØnh cña bé ®iÒu chØnh tèc ®é; c) §Æc tÝnh c¬ 41
Mặc dù sau đó tốc độ động cơ tăng dần lên nhưng dòng điện phần ứng vẫn được duy trì ở giá trị I = Iđmax chừng nào mà bộ điều chỉnh tốc độ R chưa ra khỏi vùng bão hoà, tức là chưa được “nối” lại vào sơ đồ. Đoạn đặc tính cơ khi khởi động là đoạn BC, có độ cứng bằng không và dòng điện không đổi. Tại điểm làm việc B tốc độ động cơ = B sao cho = B, điểm làm việc của R bắt đầu ra khỏi vùng bão hoà và lọt vào vùng tuyến tính của đặc tính, mạch vòng tốc độ bắt đầu phát huy tác dụng điều chỉnh cùng với mạch vòng dòng điện tạo đoạn đặc tính BC có độ cứng m thoả mãn đạt độ chính xác cao. Quá trình quá độ khi hãm, điều chỉnh tốc độ và khi quá tải lớn cũng xảy ra tương tự như trên. Về cấu trúc hệ thống, ta chấp nhận cấu trúc hệ điều khiển phân cấp với các bộ điều khiển RI, R theo luật PI số. Về giá trị các tham số của các bộ điều khiển RI, R có thể xác định nhờ các phương pháp nghiên cứu thông thường: phương pháp môđun tối ưu, hoặc phương pháp môđun đối xứng. Ta đã biết: bộ điều khiển PI có hai tham số cần xác định. Các tham số này sau khi tổng hợp cần đảm bảo: 1) Hệ ổn định. 2) Sai số tĩnh bằng không. 3) Thời gian quá độ đạt yêu cầu đề ra. 4) Độ quá điều chỉnh nằm trong giới hạn cho phép. 5) Số lần dao động nhỏ hơn giá trị cho phép. Các tham số của bộ điều khiển PI ngoài phụ thuộc vào các tham số của hệ thống, còn phụ thuộc thời gian lượng tử T. Để nghiên cứu tổng quát, ta dùng máy tính để tìm một loạt nghiệm theo nhiều giá trị của T: RI = f(T, Kp,Kw) Rw = f(T, Kp, KI) 42
Và sau đó ta chọn các giá trị tốt nhất. 43
3.1.2. Lập mô tả toán học của các khâu và phần tử có trong sơ đồ. a. Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Khi đặt dây quấn kích từ một điện áp uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ có dòng điện ik và dòng điện đó mạch từ của máy sẽ có từ thông . Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo thành mômen điện từ, giá trị của mômen điện từ được tính như sau: p'.N M . I k .I 2π.a Trong đó p’ - số đôi cực của động cơ; N - số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ; a - số thanh song song của dây quấn phần ứng; k = pN/2 a - hệ số kết cấu của máy. Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quét qua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức điện động (s.đ.đ): p'.N E .ω k .ω. 2π.a trong đó - tốc độ góc của rôto. Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ qua phương trình cân bằng điện áp phần ứng: U R I ω • k trong đó Rư - điện trở mạch phần ứng của động cơ. Họ đặc tính cơ M( ) của động cơ một chiều khi từ thông không đổi (hình 3 - 2) 44
M H×nh 3-2. §Æc tÝnh c¬ ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu b. Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 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 K = const. Với động cơ điện một chiều, những phương trình cơ bản đã tuyến tính hoá viết dưới dạng ảnh laplace (với điều kiện đầu bài bằng 0) có dạng sau: Uư(p) = Rư.Iư(p) + Lư.p.Iư(p) + K . (p) M(p) +Mc(p) = J.p. (p) U • p K .ω. p => Iư(p)= Với Tư =Lư/ Rư R • L • .p K -E•(p) 1 (p) U•(p) 1/R• I (p) M • K 1+p.T• Jp - Mc H×nh 3-3. S¬ ®å cÊu tróc tõ th«ng kh«ng ®æi Sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi được thể hiện trên (hình 3-3). Bằng phương pháp đại số sơ đồ cấu trúc ta có sơ đồ thu gọn (hình 3-4), trong đó đặt: Kđ = 1/ K - hệ số khuếch đại động cơ; Tc = hằng số thời gian cơ học. 45
U • p p.Tc Mc p R• K I• p 2 T• Tcp Tcp 1 U (p) • K® (p) 2 T•Tcp + Tcp + 1 R • 1 Tcp K 2 2 T•Tcp + Tcp + 1 a) Tc .p U (p) I®g I (p) • R • • 2 T•Tcp + Tcp + 1 K® 2 T•Tcp + Tcp + 1 b) H×nh 3-4. C¸c s¬ ®å cÊu tróc thu gän: a) Theo tèc ®é; b) Theo dßng ®iÖn 3.1.3. Tổng hợp mạch vòng dòng điện. a. Khái niệm mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như các hệ chấp hành thì mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản. Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều là trực tiếp hoặc gián tiếp xác định mô men kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc 46
b. Tổng hợp mạch vòng dòng điện khi bỏ qua sức điện động và mômen cản Mc động cơ. Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh dòng điện như (hình 3 - 5), trong đó Ri là bộ điều chỉnh dòng điện, BĐ là bộ biến đổi một chiều, Si là xenxơ dòng điện. B§ - E I U K CL Ud 1/R• • i® R i (1 p.T )(1 p.T ) Ud.α vo §k 1+pT• -Ui K i Si 1+p.Tfi H×nh 3-5. S¬ ®å khèi cña m¹ch vßng dßng ®iÖn Xenxơ dòng điện có thể thực hiện bằng các biến dòng ở mạch xoay chiều hoặc bằng điện trở sun hoặc các mạch dòng điện cách ly trong một chiều. Hàm truyền của mạch vòng dòng điện: UI (p) Ki FI(p) = I• (p) 1 Tfi p Hàm truyền của bộ biến đổi Thyristor: Udα(p) KB§ FBBT(p) = U§k (p) 1 TB§p trong đó TBĐ - hằng số thời gian của bộ biến đổi Thyristor Tư - hằng số thời gian của phần ứng Ti - hằng số thời gian của xenxơ dòng điện Rư - điện trở mạch phần ứng Trong trường hợp hệ thống truyền động điện có hằng số thời gian cơ học rất lớn hơn hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng thì ta có thể coi sức điện động của động cơ không ảnh hưởng quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện (tức là coi E = 0 hoặc E = 0). 47
Hàm truyền của mạch dòng điện (hàm truyền của đối tượng điều chỉnh) là như sau: KCL .Ki / R• Fk(p) = 1 p.Tvo 1 p.T§k T• p 1 Tfi 1 Trong đó các hằng số thời gian TĐk, Tvo, Tfi là rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ Tư. Đặt Ts = TĐk + Tvo + Tfi thì có thể viết lại: KC L .K i / R • Fk(p) = (1 Tsp)(1 T• p) Đặt Tsi << Tư : áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môđun ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện có dạng khâu PI. Tnp 1 Ri(p) = Ti Tn = Tư ; Ti = 2KTsi T 1 T .R 1 Ri(p) • • • 1 K .K CL i 2KCL .K i .Tsi T• p .2Tsi .p R• T• .R • Đặt KRi = 2.K CL .K i .Tsi Từ các thông số động cơ: Pđm = 2,2(kw); Uđm = 240(v); Iđm = 10(A); nđm = 1500 (v/p); Tacó: 2. .n n 1500 + Tốc độ góc: = dm 157 (rad/s) đm 60 9,55 9,55 K. đm = (Uưđm – Rư .Iưđm)/ đm = (240 – 1,2 . 10) : 157 = 1,45 (Wb) + Điện trở mạch phần ứng được tính gần đúng như sau: với hiệu suất 90% Rư = 0,5 (1 - ).Uđm/ Iđm = 0,5(1 - 0,9) 240/10 = 1,2 ( ) + Lư điện cảm phần ứng động cơ được tính theo công thức Umanxki- Linđvil: U .60 240.60 ®m L• = . = 0,25. = 0,038(H) = 38 (mH) 2. .p.n .I 2. .2.1500.10 ®m ®m 48
Hằng số chọn bằng 0,25 + Hằng số thời gian của phần ứng: Tư = Lư/ Rư = 38/1,2 = 31,67 (ms) 0,0316 (s) Mômen quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ: M(p) – Mc(p) = Jp (p) => J = (M(p) – Mc(p)/ p (p) trong trường hợp Mc = 0 => J p = M(p)/ =K đm/ = 1,45 : 157 = 0,0092 + Hằng số thời gian của bộ biến đổi: 1 1 T = 0,005 (s) vo 2mf 2.2.50 + Hằng số thời gian của mạch điều khiển chỉnh lưu chọn bằng: Tđk = 0,001(s) + Hệ số biến đổi của mạch chỉnh là: U d U d (p).cos KCL = U dk U dk 240 K = 20 CL 12 + Hệ số hàm truyền phản hồi dòng điện Ki: V V 1 3 M C ~ K V4 V D4 D1 2 D2 D 3 Rd H×nh 3 -6. S¬ ®å m¹ch lùc víi c¶m biÕn dßng 49
U I (p) 12 Kfi = 1,2 I • dm (p) 10 Hằng số thời gian của khâu phản hồi dòng điện chọn bằng: Tfi = 0,001 (s) Do đó hàm truyền của khâu phản hồi dòng điện. 1,2 => F (p) = fi 1 0,001.p - E I Ui® 1 0,0316p 1 0,83 • 20 0,0316p 1 0,005p 1 0,001 1 0,0316p -Ui 1,2 Si 1+0,001p H×nh 3 -7. S¬ ®å khèi cña m¹ch vßng dßng ®iÖn Sơ đồ điều khiển thuộc bộ điều chỉnh dòng điện. Ui® R1 R3 C Ui R2 - -U®k + H×nh 3-8. CÊu tróc bé ®iÒu chØnh dßng ®iÖn Chọn R1 = R2 ta có. U id U i U §k R1 R2 1 R3 CR3 .ω Vậy hàm truyền của bộ điều chỉnh được tính như sau. U 1 CR ω R 1 §k 3 3 1 U id U i R1.C.ω R1 C.R3 .ω 50
áp dụng tiêu chuẩn môđun tối ưu ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện có dạng khâu PI 1 T• .p R i (p) K CL .K fi .aTsp R • Trong đó Ts = Tđk + Tvo + Ti = 0,001 + 0,001 + 0,005 = 0,007; lấy hằng số a bằng 2. KCL .Ki .2Ts R1C R• -6 Tư = R3.C Chọn C = 2.10 -6 6 => R3 = Tư/ C = 0,0316 : 2.10 = 0,0158.10 = 15800 ( ) Mặt khác : KCL .Ki 20.1,2 6 R1 R2 .2Ts 6 .2.0,007 0,14.10 ( ) 0,14M R• .C 1,2.2.10 3.1.4. Tổng hợp hệ mạch vòng tốc độ. Hệ thống điều chỉnh tốc độ là hệ thống mà đại lượng được điều chỉnh là tốc độ góc của động cơ điện, các hệ này rất thường gặp trong thực tế kỹ thuật. Hệ thống điều chỉnh tốc độ được hình thành từ hệ thống điêu chỉnh dòng điện. Các hệ thống này có thể là đảo chiều hoặc vô sai cấp hai. Nhiễu chính của hệ là mômen tải Mc. S I -U FT R R I U® Ui i U®k B§ K KI § ® CK -Ui a) H×nh 3-9. S¬ ®å khèi m¹ch ®iÒu chØnh tèc ®é 51
Tuỳ theo yêu cầu của công nghệ mà các bộ điều chỉnh tốc độ R có thể được tổng hợp theo hai tín hiệu điều khiển hoặc theo nhiễu tải Mc. Trong trường hợp chung hệ thống phải có đặc tính điều chỉnh tốt cả từ phía tín hiệu điều khiển lẫn từ phía tín hiệu nhiễu loạn. Kết cấu cơ bản của một hệ truyền động đảo chiều như trên hình (3 - 25). Để đảo chiều quay, trong hệ thống sử dụng hai bộ biến đổi BĐ1 và BĐ2 nối song song ngược. Các máy phát xung FX1 và FX2 phát xung điều khiển hai bộ biến đổi này. Các bộ điều chỉnh dòng điện Ri1 và xenxơ dòng Si1, Ri2 và xenxơ dòng điện Si2 tạo thành mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Phần tử phi tuyến HCD là phần tử hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ. Xenxơ tốc độ S đóng vai trò khâu phản hồi tốc độ. Sơ đồ khối chức năng được trình bày trên hình ( 3 - 26 ). U MC HCD k Ui® U U ® § ® R Ri FX B§ -Ui I -U Si S H×nh 3-10. S¬ ®å cÊu tróc cña hÖ ®iÒu chØnh tèc ®é + Hệ thống điều chỉnh tốc độ: Tương tự như tổng hợp mạch vòng dòng điện bỏ qua sđđ của động cơ. I(p) 1 1 . U i § (p) K i 1 2Ts p(1 Ts p) Trong tính toán tiếp theo, ta có thể thay công thức trên bởi biểu thức gần đúng tính hàm truyền của mạch vòng dòng điện. 52
I(p) 1 1 . U i§ (p) Ki 1 2Tsp Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ như trên hình (3 - 26 ), trong đó S là xen xơ tốc độ có hàm truyền là khâu quán tính với hệ số truyền K và hằng số thời gian (lọc ) T có giá trị nhỏ, khi đó đặt 2T’s = 2Ts + T , đối tượng điều chỉnh có hàm truyền: R• .Kω 1 S oω(p) . Ki .K .Tc p(2T's p 1) Theo tiêu chuẩn môđun tối ưu, có thể xác định được hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ là khâu tỉ lệ K i .K .Tc 1 Rω (p) . Kp R • .K ω 2T's a 2 Thường lấy a2 = 2. Từ những bước tính trên ta có: Ki = K = 1,45 ; Tc = 0,35 M 1 K. HCD I -Ic U 1 K i R• ® R 1 2T p s K .Tcp -U K S 1 + p.T H×nh 3-11. S¬ ®å cÊu tróc cña hÖ ®iÒu chØnh tèc ®é K = U / ; Chọn khi : = đm U = 10 (V) 53
10 Từ đó => K = =0,064 157 T = 0,001 Thay số ta có cấu trúc mạch vòng tốc độ như sau : M 0,69 HCD I -I 0,83 c 1,2 U ® 88 1 0,14p 0,5075p -U 0,064 S 1 + 0,001p H×nh 3-12. S¬ ®å cÊu tróc cña hÖ ®iÒu chØnh tèc ®é 3.2. thiÕt kÕ m¹ch lùc. 3.2.1. Lựa chọn sơ đồ thiết kế. V1 V3 M V4 V2 H×nh 3-13. S¬ ®å m¹ch lùc 3.2.2. Tính chọn thyristor. Tính chọn van dựa vào các yếu tố cơ bản như điện áp ngược cực đại của van, dòng điện định mức của van. Từ sơ đồ thiết kế cầu một pha và các thông số động cơ ta có: Điện áp ngược của van là: 54
Ulv = knv . U2 (3 - 1) Với U2 = Ud/ kư = 266,67 thay vào (3-1) ta có: Ud 240 Ulv k nv . 2. 377 V (3 - 2) k • 0,9 Trong đó: + Ud, U2, Ulv - điện áp phần ứng động cơ điện, điện áp nguồn xoay chiều, điện áp ngược của van. + knv , kư - các hệ số điện áp ngược, điện áp phần ứng động cơ điện. Để chọn van theo điện áp hợp lý thì điện áp ngược của van cần chọn phải lớn hơn điện áp làm việc tức điện áp ngược cực đại: (với kdtU - hệ số dự trữ) Unv = kdtU . Ulv = 1,8 . 377 = 678,6 (V) (3 - 3) Dòng điện làm việc của van là: Ilv = Ihd = khd . Id = 10/ 2 = 7.1 (A) (3 - 4) Trong đó: Ihd ,Id - Dòng điện hiệu dụng của van và dòng điện tải. khd - Hệ số xác định dòng điện hiệu dụng. Để thyristor có thể làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt chúng ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý tức có cánh toả nhiệt với đầy đủ diện tích toả nhiệt, không quạt đối lưu không khí. Theo điều kiện toả nhiệt đã chọn tiến hành tính thông số dòng điện định mức của van cần có: Iđmv = ki . Ilv = 4 . 7,1 = 28,4 (A) (3-5) Với các thông số định mức cơ bản đã chọn ở trên, tra bảng thông số các van thyristor chọn các van có thông số điện áp ngược max (Unv), dòng điện định mức (Iđmv) lớn hơn gần nhất với thông số đã tính được ở trên. Tra bảng ta được thyristor loại: HT40/ 08OJ4 có các thông số định mức: Dòng điện định mức của van : Iđmv = 40 (A) Điện áp ngược cực đại của van : Unv = 800 (V) Độ sụt áp trên van : Umax = 1,65 (V) 55
Dòng điện dò cực đại : Ir = 6 (mA) Điện áp điều khiển : Uđk = 3 (V) Dòng điện điều khiển : Iđk = 100 (mA) Đỉnh xung dòng điện : Ipik = 900 (A) Tốc độ biến thiên điện áp : dU/ dt = 200 V/s Thời gian chuyển mạch : tcm = 150 s o Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : Tmax = 125 C 3.2.3. Thiết kế cuộn kháng san bằng lD. Cuộn kháng lọc LD được mắc nối tiếp vào mạch phần ứng động cơ với mục đích làm giảm dòng điện gián đoạn, làm giảm xung dòng một chiều đồng thời cải thiện điều kiện chuyển mạch của động cơ điện. Với : Ud = 220 V Id = 10 A f = 50 Hz Vậy giá trị mong muốn của điện cảm lọc được tính theo công thức: R• 2 L = . k sb 1 m . W ®m 1 Trong đó: Rư : là tổng trở của mạch phần ứng. mdt : số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong chu kỳ. Với sơ đồ cầu 1 pha điều khiển thì mđm = 2 W1 : tần số góc của điện áp xoay chiều. ksb : hệ số san bằng. k dmv 0,667 Với : k sb 9,5 k dmr 0,07 kđmv : hệ số đập mạch vào (kđmv = 0,667 ) kđmr : hệ số đập mạch ra ( kđmr = 0,07 ) Rư = Uư / Iư = 220 : 10 = 22 56
22 => L 9,5 2 1 0,33H 2.2 .50 Xác định kích thước lõi thép. 2 4 2 4 a 2,6. L.I d 2,6. 0,33. 10 6,23 (cm) b c a/2 H a h H×nh 3-14. KÝch th•íc lâi thÐp cña cuén läc mét chiÒu Chọn : a = 6,5 (cm) Lấy : b = 1,23 . a = 8 (cm) c = 0,92 . a = 6 (cm) h = 3 . a = 19,5 (cm) 2 Tiết diện lõi thép : Sth = a . b = 6,5 . 8 = 52 ( cm ) 2 Diện tích cửa sổ : Scs = h . c = 19,5 . 6 = 117 (cm ) Độ dài trung bình của đường sức : Lth = 2( a + h + c ) = 2 . (6.5 + 19,5 + 6) = 64 (cm) Độ dài trung bình dây quấn : ldq = 2( a + b ) + . c = 2 .(6,5 + 8) + 3,14 .6 = 47,84 (cm) Thể tích lõi thép : Vth =2 . a . (a + h + c) = 2 . 6,5 .( 6,5 + 19,5 + 6 ) 3 Vth = 416 (cm ) Tính điện trở dây quấn ở nhiệt độ 20oC đảm bảo độ sụt áp cho phép. 57
U I d r 0 20 C 3 0 1 4,26.10 (Tmt T 20 C) Trong đó : U : Sụt áp một chiều tối đa trên cuộn kháng. Lấy: U = (5 10 ) % Ud U = 10% Ud = 5%. 220 = 2.2 V 0 Tmt : Nhiệt độ môi trường nơi đặt cuộn kháng, lấy Tmt = 40 C T : Chênh lệch nhiệt độ cho phép giữa điện cảm và môi trường. T = 500C Ta có: 2,2 10 r 0 0,924(Ω) 20 C 1 4,26.10 3 (40 50 20) Số vòng dây dẫn cuộn cảm. r 0 .S 0,924.117 W 414 20 C cs 414. 622(vßng) Idq 47,48 Tính mật độ từ trường. 100.W.I 100.622.10 H d 9718,75(A/h) lth 64 Cường độ từ cảm. Với chỉnh lưu cầu một pha điều khiển thì tần số đập mạch là: fđm = 2 . 50 = 100 (Hz) U ~ .104 B 4,44.W.fdm .S th Trong đó: U~ : Là hệ số tụt áp xoay chiều tối đa cho phép trên cuộn kháng U~ = 6 (V) 58
6.104 => B 0,00418(T) 4,44.622.100.52 Tính hệ số M theo B và H. Vì B = 0,00418 (T) nên ta tính M theo công thức: H 0,75 M 542 .10 6 1000 9718,75 0,75 M 542 .10 6 2983,37.10 6 H / m 1000 Tính trị số điện cảm thực nhận được. 2 6 2 2 M.W .Sth 2983,37.10 .622 .52.10 Ld 0,09378 H 100.lth 100.64 Tính tiết diện và đường kính dây quấn. l .S 47,84.117 S 0,072. dq cs 0,072. 5,6 mm2 r 0 0,924 20 C Đường kính dây quấn : d = 1,13 5,6 = 2,675 (mm) Xác định khe hở tối ưu. -3 -3 Ikh = 1,6 . 10 . W . Id = 1,6 . 10 . 622 . 10 = 9,952 (mm) Tấm đệm có độ dầy là: Lđệm = 0,5 . Ikh = 0,5 . 9,952 = 4,976 (mm) Kích thước cuộn dây. Chọn lõi cuộn dây có độ dày 6,5 mm nên độ cao sử dụng của cuộn dây là: hsd = h - 2 C Với C là chiều dày khung bìa cuộn dây, chọn C = 6,5 (mm) -1 hsd = h - 2. C = 19,5 - 2 . 6,5.10 = 18,2 (cm) Số vòng dây trong một lớp: W’ = hsd/ d = (18,2 .10) : 2,675 = 68 (vòng) Số lớp dây: 59
n = W/ W’ = 622 : 68 9,14 9 (lớp) Nếu lấy khoảng cách giữa hai lớp dây quấn dành cho cách điện là cd = 1 (mm) thì độ dầy của cuộn dây là: lcd = n ( d + cd) = 10 . ( 0,2675 + 0,1) = 3,675 (cm) Bề dầy cửa sổ c = 4 (cm) nên ta thấy cuộn dây nằm lọt trong cửa sổ Kiểm tra sự chênh lệch nhiệt độ. 1,02. U.Id 1,02.2,2.10 PCu = 3 3 20,67 1 4,26.10 (Tmt 20) 1 4,26.10 .(40 20) +) Tổng diện tích bề mặt của cả cuộn dây: S = 2 . hsd ( a + b + . Lcd) + 1,4 . Lcd ( . Lcd + 2a ) S = 2. 14,7. ( 6,5 + 8 + 3,14. 3,675) + 1,4 . 3,675 . ( 3,14 . 3,675 + 2. 6,5) S = 892 (cm2) +) Hệ số phát nhiệt : -3 5 -3 5 -3 = 1 . 03 . 10 . 6 = 1,03 . 10 6 = 0,83 . 10 hsd 18,2 +) Độ chênh lệch nhiệt độ: PCu P 20,67 t = = Cu 280 C .S 0,83.10 3.892 0,83.10 3.892 Theo tính toán điện cảm lớn hơn 20% trị số cần thiết nên có thể giảm số vòng dây xuống, lúc đó số lớp chỉ còn 9 lớp và do cửa sổ còn rộng ta có thể tăng khoảng cách giữa các lớp dây quấn để tăng cường làm mát cho từng lớp do có mặt thoáng rộng hơn, làm cho t giảm. Khi đó số vòng dây sẽ là : W = n . W’ = 8 . 68 = 544 (vòng) 2 6 2 2 M.W .Sth 2983,37.10 .544 .52.10 => Ld = 0,0717(H) 100.lth 100.64 Vậy chọn : ld = 0,0717 (H) 3.2.4. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực. 60
a. Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ ( hình 3 - 3). Khi làm việc với dòng điện có dòng điện chạy qua trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất p, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác, van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó, nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý. +Tính toán cánh tản nhiệt + Tổn thất công suất trên 1 Tiristo: p = U . Ilv = 2,2 .7,1 = 15,62 (w) + Diện tích bề mặt toả nhiệt: Sm = p/ km . Trong đó: p - tổn hao công suất (w) - độ chênh lệch so với môi trường. 61
C R C R T 2CC T4 1 2CC R C R C T 2CC T2 3 2CC 3CC 3CC LD § CK H×nh 3-15. M¹ch lùc cã c¸c thiÕt bÞ b¶o vÖ 0 Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 40 C. Nhiệt độ làm việc cho phép của Tiristo 0 0 Tcp = 125 C. Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt Tlv = 80 c 0 = Tlv - Tmt = 40 c 2 0 Km hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Chọn Km = 8 [ w/m . C ] 2 Vậy: sm = 0,2294 (m ) Chọn loại cánh toả nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh a x b = 10 x 10 (cm x cm). Tổng diện tích toả nhiệt của cánh S = 12 . 2 . 10 .10 = 2400 (cm2 ) Bảo vệ quá dòng điện cho van. +Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động đóng mạch khi quá tải và ngắn mạch tiristo, ngắn mạch đầu ra độ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu. 62
+ Chọn 1 apomat có: Idm = 1,1 . Id = 11 ( A ) Udm = 220 (V ) Có 2 tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện. Chỉnh định dòng ngắn mạch. Inm = 2,5 Ild = 25 (A) Dòng quá tải: Iqt = 1,5 Ild = 15 ( A ) Chọn cầu giao có dòng định mức: Iqt = 1,1 . Id = 11(A) Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sửa chữa hệ thống truyền động + Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Tiristo, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu Nhóm 1cc: dòng điện định mức dây chảy nhóm 1 cc: I1cc = 1,1 . I2 = 11 (A) Nhóm 2 cc : dòng điện định mức dây chảy nhóm 2cc : I2cc = 1,1 . Ihd = 1,1 . 7,1 = 7,81 (A) Nhóm 3 cc : dòng điện định mức dây chảy nhóm 3cc : I3cc = 1,1 . Id = 11 (A) Vậy chọn cầu nhẩy nhóm: 1cc loại 11 A 2cc loại 8 A 3cc loại 11 A Bảo vệ quá điện áp cho van. Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Tiristo được thực hiện bằng cách mắc R - C song song với Tiristo. Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong 63
khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa Anod và catod của Tiristo. Khi có mạch R - C mắc song song với Tiristo tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Tiristo không bị quá điện áp R1 C1 H×nh 3 - 16. M¹ch R_C b¶o vÖ qu¸ ®iÖn ¸p do chuyÓn m¹ch. Theo kinh nghiệm R1 = (5 30 ) ; C1 = (0,25 4) F Chọn tài liệu [4] : R1 = 5,1 ; C1= 0,25 F U ~ 1CC 2 1CC R2 C2 H×nh 3-17. M¹ch RC b¶o vÖ qu¸ ®iÖn ¸p tõ l•íi . +Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện ta mắc mạch R - C như (hình 3 – 6) nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Trị số RC được chọn theo tài liệu [4] : R2 = 12,5 ; C2 = 4 F 3.2.5. Tính chọn sơ đồ cho mạch kích từ động cơ. Theo điều kiện bài toán thì động cơ điện một chiều kích từ độc lập có phần của động cơ và phần kích từ được mắc vào hai nguồn độc lập với nhau. Như vậy, để cung cấp nguồn một chiều cho cuộn kích từ của động cơ phải có một bộ chỉnh lưu biến đổi nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều. Do điều khiển điện áp ở phần ứng động cơ cùng với cuộn kích và để cho đơn giản cũng như về kinh tế ta có thể chọn bộ chỉnh lưu điốt đấu theo sơ đồ cầu một pha là sử dụng được vì không có yêu cầu cao về chất lượng điện áp. 64
U2~ D4 D1 D2 D3 Ukt CK§ H×nh 3-18. S¬ ®å m¹ch chØnh l•u kÝch tõ ®éng c¬ Với Ukt = 240 (V), Ikt = 0,1 (A) Để đảm bảo đưa điện áp 240 (V) ra cuộn kích từ dòng điện 0,1 (A) ta phải bù điện áp do điện trở, điện cảm của dây quấn máy biến áp và sụt áp trên Điốt. Vì vậy Ud thực tế là: Ud = Udt + Ur + Ux + Uv (1) Với Uv = 1,2 (V) a. Ur là sụt áp trên trở dây quấn máy biến áp: Ur = 2 . Id . rba 2 U 2 Với rba = .er S ba Với er là sụt áp do điện trở dây quấn máy biến áp. er = 4% Sba là công suất biểu kiến của máy biến áp. Sba = 1,23 . Pd = 1,23 . Ud . Id Ud = 0,9 . U2 => U2 = Ud / 0,9 2 U d er => Ur = 2 . Id . . 2.U d .er 0,9 1,23.U d I d Ur = 2 . Ud . er (2) 65
b. Sụt áp do điện cảm dây quấn máy biến áp thể hiện qua hiện tượng trùng dẫn nên ta tính theo công thức. 2.X ba .Id Ux = 2 U 2 Xba = .ex S ba U Với U = d S = 1,23 . U . I 2 0,9 ba d d 2 2.Id U 2 U x . .ex S ba 2 2 U e .I d x d (3 - 6) . . 0,64.Ud .ex 0,9 1,23.Ud .Id Trong đó: ex = 1,5% Thay (2) và (3) vào (1) ta có: Ud = Udt + Ur + Ux + Uv Ud = Udt + Uv + 2 . Ud . er + 0,64 . Ud . ex Udt Uv Ud = 1 2.er 0,64.ex Với Udt = Ukt = 240 (V) 240 1,2 => Ud = 292V 1 2.0,04 0,64.0,015 Điện áp thứ cấp máy biến áp: U 292 U = d 324 (V) 2 0,9 0,9 Điện áp ngược đặt lên Điốt là: UngMAX = 2.U2 2.324 458,2 (V) Dòng trung bình chảy trong Điốt ở mỗi chu kỳ là: I 0,324 I = d 0,162 (A) tb 2 2 66
Từ thông số UngMAX và Itb ta chọn Điốt loại 324 A có I = 10 A UngMAX = 800 (V). 3.3. thiÕt kÕ vµ tÝnh to¸n m¹ch ®iÒu khiÓn. 3.3.1. Khái niệm về mạch điều khiển. a. Nguyên lý: Đối với chỉnh lưu Thyristor thì mạch điều khiển có vai trò rất quan trọng, vì nó quyết định đến chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi. Thyristor chỉ mở khi có điện áp dương đặt vào anốt và có xung dương đặt vào cực điều khiển. Sau khi Thyristor mở xung điều khiển không còn tác dụng nữa. Điều khiển Thyristor trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. Nội dung của nguyên tắc này có thể mô tả theo giản đồ (hình 3 - 8) như sau: u Udf o t urc Urc U®k u®k o t X®k o t ud o t1 t2 t3 t4 t5 t H×nh 3-19. Nguyªn lý ®iÒu khiÓn chØnh l•u. Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào anốt của Thyristor, để có thể điều khiển được góc mở của Tiristo trong vùng điện áp + anốt, ta cần tạo 67
một điện áp tựa dạng tam giác, ta thường gọi là điện áp tựa là điện áp răng cưa Urc. Như vậy, điện áp tựa cần có trong vùng điện áp dương anốt. Dùng một điện áp một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm (t1,t4) điện áp tựa bằng điện áp điều khiển (Urc = Uđk), trong vùng điện áp dương anốt, thì phát xung điều khiển Xđk. Thyristor được mở từ thời điểm có xung điều khiển (t1,t4) cho tới cuối bán kỳ (hoặc tới khi dòng điện bằng 0). b. Chức năng của mạch điều khiển. + Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên anốt – catốt của van. + Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở Thyristor. Độ rộng của xung: I t dt x di dt Idt : là dòng duy trì của van. di : tốc độ tăng trưởng của dòng. dt 3.3.2. Một số yêu cầu đối với mạch điều khiển. a. Xung điều khiển phải đảm bảo yêu cầu về độ lớn của điện áp và dòng điều khiển. - Giá trị nhỏ nhất không vượt quá giá trị cho phép của nhà sản xuất. - Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo mở được Thyristor trong mọi điều kiện. - Tổn hao công suất trên các cực điều khiển phải nhỏ hơn giá trị cho phép. b. Độ lớn xung điều khiển. Khi tải của mạch có điện cảm lớn thì dòng điện chậm nên phải tăng độ rộng xung điều khiển. Thông thường độ rộng xung điều khiển không nhỏ hơn 0,5 s. Chia độ dốc. Người ta chia độ dốc xung điều khiển làm hai phần: Độ dốc sườn trước và độ dốc sườn sau. Để mở Thyristor có thể dùng sườn phía nào cũng được 68
nhưng người ta thường sử dụng sườn sau để mở Thyristor. Vì vậy, độ dốc sườn trước xung điều khiển càng cao thì Thyristor càng tốt.Thông thường yêu di cầu độ dốc của xung điều khiển là: d k 0,1( A/ s). dt Độ đối xứng của xung trong các kênh điều khiển. Trong bộ biến đổi nhiều pha, nhiều van, độ đối xứng của các xung điều khiển giữa các kênh sẽ quyết định đến đặc tính ra của hệ. Nếu xung điều khiển không đối xứng thì dòng điện trong các pha sẽ có giá trị và hình dạng khác nhau làm mất cân bằng sức từ động của máy biến áp. Do đó làm tăng công suất máy biến áp. 69
Độ tin cậy. Mạch điều khiển phải đảm bảo làm việc tin cậy trong mọi điều kiện như khi nhiệt độ môi trường thay đổi, tín hiệu nhiều tầng Xung điều khiển phải ít phụ thuộc vào sự dao động của nhiệt độ, dao động của điện áp nguồn, khử được nhiễu cảm ứng và không để Thyristor mở ngoài ý muốn. Lắp ráp và vận hành. Mạch điều khiển cũng như mạch điện phải sử dụng hết các thiết bị có sẵn, dễ thay thế, dễ lắp ráp, dễ điều chỉnh, lắp lẫn và mỗi khối có khả năng làm việc độc lập. 3.3.3. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển. Các hệ thống điều khiển xung pha được chia ra làm hai loại dựa trên nguyên lý đồng bộ và không đồng bộ. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển như sau: §ång R¨ng So T¹o KhuÕch BiÕn bé c•a s¸nh xung ®¹i ¸p xung xung U®k H×nh 3-20. S¬ ®å khèi m¹ch ®iÒu khiÓn Chức năng của các khâu như sau: a. Khối đồng bộ. Khối đồng bộ hay còn gọi là khối điện áp chuẩn sẽ tạo ra điện áp Uo thay đổi theo thời gian có dạng hình sin, vuông, răng cưa Nhờ khối so sánh điện áp chuẩn Uo sẽ được so sánh với Uđk của bộ biến đổi. Khi điện áp ra Uo = Uđk ở đầu ra của bộ so sánh sẽ xuất hiện xung và sau đó xung này sẽ được khuếch đại lên và đưa vào cực điều khiển Thyristor. 70
Điện áp chuẩn thay đổi theo thời gian được tạo ra với điện áp lưới, chính vì thế điện áp chuẩn và xung được tạo ra đồng bộ theo thời gian bộ biến đổi với điện áp lưới xoay chiều. Bằng cách thay đổi giá trị điện áp Uđk ta có thể thực hiện được sự dịch chuyển theo thời gian xung ra bộ biến đổi điều chỉnh góc kích , tức là điều chỉnh điện áp ra của bộ biến đổi. b. Khối tạo điện áp răng cưa. Khâu này để tạo ra điện áp răng cưa so sánh với Uđk điểm cân bằng là thời điểm phát xung. Hình dạng của Urc phụ thuộc vào nguyên tắc điều khiển, ở đây ta chọn nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Điện áp Urc là điện áp đồng pha áp lưới. Có nhiều phương pháp để tạo ra Urc: + Sơ đồ dùng điốt và tụ điện + Sơ đồ dùng tranzitor + Sơ đồ dùng vi mạch c. Khối so sánh. Nhiệm vụ của khâu so sánh là tạo ra điện áp Urc với Uđk để xác định thời điểm phát xung mở Thyristor. Để so sánh các tín hiệu tương tự, người ta có thể dùng tranzitor hoặc KĐTT. KĐTT có những ưu điểm sau: - Điện trở vào vô cùng lớn : Rv = ∞ - Hệ số khuếch đại : K = ∞ - Điện trở ra : Rr = 0. Nên ngày nay, chủ yếu dùng KĐTT d. Khối tạo xung. Bộ tạo xung có nhiệm vụ tạo ra xung có dạng độ dài và công suất đủ để mở Thyristor. Các bộ tạo xung thường có dạng sau: 71
- Bộ tạo xung đơn là các bộ khuếch đại xung có nhiệm vụ tạo ra các xung đơn có độ dài ổn định. - Bộ tạo xung có độ dài tuỳ ý và được trộn với xung có tần số ccấu trúc. - Bộ tạo xung tạo ra các số lượng khác nhau tuỳ theo chế độ hoặc sơ đồ. Bộ tạo xung đơn có sơ đồ đơn giản nhất, độ tin cậy cao và thường được dùng cho mạch điều khiển đơn giản. Bộ tạo xung có trộn xung với tần số cao chô phép sử dụng các xung có độ dài tuỳ ý, nhưng vẫn đảm bảo kích thước máy biến áp xung gọn nhẹ. Bộ o tạo xung kiểu này thích hợp với những xung có độ dài Tx > 60 . Bộ tạo xung có số lượng xung đơn tuỳ ý cho phép giảm được nhược điểm của bộ phát xung rộng. Bộ này hay được dùng cho bộ biến đổi ở chế độ dòng gián đoạn và khi không muốn đưa xung lên cực điều khiển kyhi điện áp anot âm hơn so với catốt, do đó tăng độ tin cậy của sơ đồ. e. Khuếch đại xung Sơ đồ nguyên lý R2 D2 Dth D1 D3 R1 T Hình 3-21. Mạch khuếch đại xung Chức năng Khuếch đại có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điều khiển đưa đến để điều khiển các van bán dẫn công suất đảm bảo các tham số cơ bản như biên độ, độ 72
rộng và công suất. Hơn nữa, nó còn có nhiệm vụ cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực. Nguyên lý hoạt động Sơ đồ gồm một khoá Tranzitor T được điều khiển bởi một xung có độ rộng xung Tx. Khi T mở bão hoà, gần như toàn bộ điện áp nguồn +E được đặt lên cuộn sơ cấp của biến áp xung. Điện áp cảm ứng bên phía thứ cấp có cực tính tương ứng mở điốt D2, đưa dòng điều khiển vào giữa cực điều khiển và catốt của Thyristor Dth. Điốt D3 có tác dụng là giảm điện áp ngược đặt lên K và cực điều khiển của Thyristor Dth khi điện áp catốt dương hơn anốt. Điều này đảm bảo an toàn cho tiếp giáp G – K của Thyristor T khoá lại, dòng colector – emitor của nó bằng 0 f. Biến áp xung. Biến áp xung để cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển, phối hợp trở kháng giữa tầng KĐX và cực điều khiển của Thyristor, Nhân thành nhiều xung (BAX nhiều cuộn thứ cấp) cho các van cần mở đồng thời như trường hợp phải mắc nối tiếp hoặc song song nhiều van. Yêu cầu lớn nhất của biến áp xung là truyền xung từ mạch điều khiển lên cực điều khiển của Thyristor với độ méo phi tuyến ít nhất. 3.3.4. Tính toán các khối trong mạch điều khiển. a. Khối đồng pha. 73
D BADP +12 R1 UA R3 - UB A1 R2 + D R4 -12 VR1 +12 H×nh 3-22. S¬ ®å t¹o ®iÖn ¸p ®ång pha Mạch tạo tín hiệu đồng bộ dùng chỉnh lưu nửa chu kỳ có điểm trung tính (D1, D2) để tạo ra điện áp chỉnh lưu U(1) hình (3 - 9). Điện áp U(1) được so sánh với Uo để tạo ra các tín hiệu tương ứng với điểm mà điện áp nguồn đi qua điểm không. Uo càng nhỏ thì xung U(2) càng hẹp và phạm vi điều chỉnh càng lớn. o Nếu chọn max = 175 thì: o Uo = 2.U 2 sin5 Theo yêu cầu thiết kế đồ án. BAĐF dùng lõi thép kỹ thuật điện hình chữ E có tiết diện lõi thép là: S = 12 cm2 với công suất bằng tương ứng là P = 122 / 1,44 = 100 (W) Điện áp thứ cấp lấy bằng 12 V, còn điện áp cuộn sơ cấp là 240 V để nối vào lưới điện. Theo kinh nghiệm ta chọn số vòng vol là no = K/ S Trong đó: K - là hệ số biến áp: 36 42 (vòng) no = 40 : 12 = 3,3 (vòng/ vol) Số vòng dây cuộn sơ cấp : W1 = no . U1 = 3,3 . 240 = 792 (vòng) 74
Số vòng dây cuộn thứ cấp : W2 = no . U2 = 3,3 . 12 = 40 (vòng) Tại điểm A. Điện áp đồng pha lấy từ cuộn thứ cấp MBA qua một mạch lọc R1 , C1 đưa đến đầu vào của KĐTT U1A. Ta chọn : R1 = R2 = R3 = R4 = 10 K VR1 = 50 K b. Mạch tạo điện áp tựa (điện áp răng cưa). Dz1 +12 C1 R VR +12 6 6 - R A2 + U 4 -12 c R 5 H×nh 3-23. S¬ ®å t¹o ®iÖn ¸p tùa Ta thường chọn sơ đồ tạo điện áp tựa dùng khuếch đại thuật toán. Sơ đồ này được xây dựng trên nguyên tắc sử dụng mạ ạp của tụ được thực hiện nhờ nguồn nạp cho tụ là nguồn hai cực tính. Khi điện áp đầu vào U(1) mang dấu dương (+E), điện áp trên tụ (U2) sẽ được nạp theo công thức như sau: E U2 = UC = .T1 R 2 .C Điện áp trên tụ theo phương trình là đường tuyến tính dốc xuống phía dưới. Nếu điện áp đầu vào mang dấu âm (-E), điện áp ra sẽ được tính theo công thức: 75
E U2 = UC = .T2 R2 .C Điện áp trên tụ lúc này là đường đi lên phía trên. Bằng cách thay đổi thời gian phóng (T1), thời gian nạp (T2) và các giá trị VR2, VR3 một cách tương ứng, ta có thể thay đổi được dạng điện áp răng cưa. Ta chọn: VR2 = 10 K VR3 = 50 K R5 = 1 K R6 = 56 K R7 = 330 R8 = 10 K D2, D3 loại 1ê C1 = 0,1 F c. Khâu so sánh. KĐTT U1A làm việc trong chế độ so sánh nên đầu ra điện áp dạng xung hình chữ nhật đối xứng. Gọi điện áp qua trở R2 là U1 Gọi điện áp qua trở R3 là U2 Nếu U1 > U2 thì điện áp tại điểm B bị lật xuống âm nguồn U1 < U2 thì điện áp tại điểm B lật lên trên dương nguồn. R9 - U A3 c + R10 U®k H×nh 3-24. S¬ ®å kh©u so s¸nh Ta chọn : R9 = R10 = 10 K d. Khâu tạo xung. 76
Khâu so sánh 1 ta đã nhận được xung vuông rộng kéo dài từ khi xuất hiện đến nửa chu kỳ đang xét của điện áp chỉnh lưu. Nếu xung điều khiển xuất hiện từ thời điểm kéo dài cho đến hết nửa chu kỳ mới kết thúc sẽ làm hỏng cực điều khiển. Để tạo xung với vài s ta dùng mạch vi phân R12, C2 . Tụ C2 và R12 là để vi phân xung vuông sau khâu so sánh thành xung đơn có biên độ bằng hai lần biên độ hình chữ nhật R12 - R16 A4 + R15 C2 R13 D2 R14 UD H×nh 3-25. S¬ ®å kh©u t¹o xung - 4 tD = R12. C2 = 100 s = 10 (s) -6 chọn C2 = 0,047 F = 0.047 . 10 F 10 4 => R12 = 2,13K 0,047.10 6 Khi điện áp đưa từ khâu so sánh ở mức thấp (-Ubh) thì tụ C2 được nạp bằng nguồn âm lên đến trị số bằng Ubh. Khi điện áp so sánh chuyển lên mức (+ Ubh ) vào thời điểm này R4 xuất hiện 1 xung điện áp có giá trị bằng điện áp có sẵn trên tụ ( Ubh ) cộng điện áp ra của khâu so sánh cũng bằng Ubh. Do chúng mắc nối tiếp nhau nên tổng bằng +2Ubh. Sau đó tụ C2 bắt đầu quá trình nạp đảo để cuối cùng đạt trị số Ubh nhưng ngược dấu ban đầu. Xung vi phân được đưa đến KĐTT U1B 77
-U R6 R7 D1 - U1B D R2 A1 + D2 R8 H×nh 3-26. S¬ ®å t¹o ®iÖn ¸p UD Đầu vào (-) U1B đặt dưới điện áp do phân áp R6, R7 tạo nên. Như vậy, điện áp tại điểm C = 0 V, điốt D1 thông làm đầu vào (-) của KĐTT âm hơn đầu vào (+) nên đầu ra của KĐTT sẽ bão hoà ở gần (+) nguồn. Khi xung nhọn ở điểm C có giá trị (-). Điốt D1 khoá, D2 thông làm đầu vào (+) của KĐTT âm hơn so với đầu vào (-). Kết quả đầu ra cũng bị lật xuống âm nguồn. Như vậy, tại D có dạng xung với phần (-) rất hẹp tại thời điểm này điện áp anot đi qua giá trị bằng 0. Đây là tín hiệu điều khiển cho mạch tạo xung răng cưa trên KĐTT U1C. Chọn R5, R6, R7, R8 dựa trên điều kiện sau: U U1B U U1B U .R U .R R R C 5 C 6 5 6 R5 R8 R6 R8 R5 R8 R6 R8 Vậy chọn : R5 = R8 = R7 = 10 K => (thoả mãn điều kiện ) R6 = 5 K 78
e. Tính biến áp xung. + Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có: B = 0,3 (T), H = 30 ( A/m ) [1], không có khe hở không khí. + Tỷ số biến áp xung : thường m = 2 3, chọn m = 3 + Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Udk = 3,0 (v) + Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = m. U2 = 3.3 = 9 (v) + Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Idk = 0,1 (A) + Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1 = I2 / m = 0,1/ 3 = 0,033(A) + Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: 3 tb = B/ 0 . H = 8.10 trong đó : -6 0 = 1,25 . 10 (H/ m) - là độ từ thẩm của không khí Thể tích của lõi thép cần có: 2 V = Q . L = ( tb . 0 . tx . sx . Ul . Il )/ B Thay số V = 0,834 . 10-6 (m3 ) = 0,834 ( cm3 ). Chọn mạch từ có thể tích V= 1,4 (cm3 ). Với thể tích đó ta có kích thước mạch từ như sau: [1] a = 4,5 mm b = 6 mm Q = 0,27 cm2 = 27 mm2 d = 12 mm D = 21 mm Chiều dài trung bình mạch từ : l = 5,2 (cm) + Số vòng quấn dây sơ cấp biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ : 79
U1 = w1 . Q. dB/ dt = w1 . Q. B/tx w1 = U1 tx / B.Q = 186 ( vòng ) + Số vòng dây thứ cấp W2 = w1 / m = 186/ 3 = 62 (vòng ) + Tiết diện dây quấn thứ cấp: -3 2 S1 = I1 /J1 = 33,3.10 / 0.5 = 0,066 (mm ). 2 Chọn mật độ dòng điện: j1 = 0.5 ( A/mm ). + Đường kính dây quấn sơ cấp : 4S1 d1 = = 0,084 (mm) Chọn: d = 0,1 (mm). + Tiết diện dây quấn thứ cấp: 2 S2 = I2 / J2 = 0,1/ 2 = 0,05 (mm ). 2 Chọn mật độ dòng điện J2 = 2 (A/ mm ) + Đường kính dây quấn thứ cấp: 4S2 d1 = = 0,178 (mm) Chọn dây có đường kính: d2 = 0,18 (mm). + Kiểm tra hệ số lấp đầy: 2 2 2 .W1 W2 S1.W1 S2W2 d11 d2 Kld = = = 0,03 2 d ( d ) 4 Như vậy, cửa sổ đủ diện tích cần thiết f. Tính tầng khuếch đại cuối cùng. Chọn Tranzitor công suất loại Tr3 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số: Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn là Si . Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito : UCBO = 40(v) Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto : UEBO = 4(v) 80
Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng : Icmax = 500 (mA). Công suất tiêu tán ở Colecto : Pc = 1,7 (w) 0 Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : T1 = 175 C Hệ số khuếch đại : = 50 Dòng làm việc của Colecto: Ic3 = I1 = 33,3 (mA). Dòng làm việc của Bazơ : IB3 = Ic3 / = 33,3/50 = 0,66(A) Ta thấy rằng với loại Tiristo đã chọn có công suất điều khiển khá bé Udk = 3,0 (v), Idk = 0,1 (A), nên dòng Colecto – Bazơ của Tranzito Ir3 khá bé, trong trường hợp này, ta có thể không cần Tranzito I2 mà vẫn có đủ công suất điều khiển Tranzito. Chọn nguồn cấp cho biến áp xung: E = +12 ( V) ta phải mắc thêm điện trở R10 nối tiếp với cực Emitor của Ir3, R1. R10 = ( E - U1 ) / I1 = 90 ( ) Tất cả các điôt trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có tham số: + Dòng điện định mức : Idm = 10 (A) + Điện áp ngược lớn nhất : UN = 25 (v), + Điện áp để cho điôt mở thông : Um = 1 (v) g. Tính chọn bộ tạo xung chùm. Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn 6 IC loại TL 084 do hãng TexasInstruments chế tạo, mỗi IC này có 4 khuếch đại thuật toán. Thông số của TL084 : Điện áp nguồn nuôi : Vcc = 18 (V) chọn Vcc = 12 (V) Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : 30 (V) Nhiệt độ làm việc : T = -25 850 C Công suất tiêu thụ : P = 680 (mW) = 0,68 (W) 6 Tổng trở đầu vào : Rin = 10 ( M ) Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : du/dt = 13 (V/ s) 81
Mạch tạo chùm xung có tần số f = 1/2fx = 3 ( kHz) hay chu kỳ của xung chùm T = 1/f = 334 ( s) ta có : T = 2 . R8 . C2 . ln(1 + 2 . R6 / R7) Chọn R6 = R7 = 33( s) . thì T = 2,2 R8. C2 = 334 ( s) vậy : R8. C2 = 151,8 ( s) Chọn tụ C2 = 0,1 s có điện áp U = 16 (V) ; R8 = 1,518 ( ). Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch thì ta chọn R8 là biến trở 2 K h. Tính chọn tầng so sánh. Khuếch đại thuật toán đã chọn loại TL 084 -3 Chọn : R4 = R5 > Uv/ I v = 12/ 1.10 = 12 (K ) Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc = 12 (V) Thì điện áp vào A3 là Uv 12 (v). Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1 (m A). Do đó ta chọn R4 = R5 = 15 (K ) khi đó dòng vào A3 : 3 Ivmax = 12/ (15. 10 ) = 0,8 ( m A) i. Tạo nguồn nuôi. 7812 +12 C C1 2 0 H×nh 3-27. S¬ ®å nguyªn lÝ t¹o nguån nu«i 12V Ta cần tạo ra nguồn điện áp 12 (V) để cấp cho biến áp xung, nuôi IC , các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Nếu dùng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha dùng Điốt, điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi: U2 = 12 / 2,34 = 5,1(v) ta chọn U2 = 9(v) 82
Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng vi mạch ổn áp 7812, các thông số chung của vi mạch này: Điện áp đầu vào : UV = 7 35 (V). Điện áp đầu ra : Ura = +12 (V) với IC 7812. Dòng điện đầu ra : Ira = 0 1 (A). Tụ điện C1, C2 dùng để lọc thành phần sóng dài bậc cao. Chọn : C1 = C2 = 470 ( F) ; U = 35 V j. Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha. 1- Ta thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi, chọn kiểu máy biến áp 3 pha 3 trụ, trên mỗi trụ có 3 cuộn dây, một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp. 2- Điện áp lấy ra ở thứ cấp máy biến áp làm điện áp đồng pha lấy ra thứ cấp làm nguồn nuôi: U2 = U2dph = UN = 9 (V). 3- Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha: I2dph = 1( m A) 4- Công suất nguồn nuôi cấp cho biến áp xung: -3 Pdph = 6 . U2dph . I2dph = 6 . 9 . 1 . 10 = 0,054 (w) . 5- Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL 084 sử dụng làm khuếch thuật toán ta chọn hai IC TL 084. P81c = 6 . PIC = 6 . 0,68 = 4,08 (w) 6- Công suất BAX cấp cho cực điều khiển Tiristo. Px = 6 . Udk . Idk = 6 . 3 . 0,1 = 1,8 = 6,976 (W) 7- Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi. PN = Pdph + P81c + Px PN = 0,056 + 4,08 + 6,976 = 11,112 ( W) . 8- Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy: S= 1,05 . (Pdph + PN ) = 1,05 . ( 0,054 + 11,112) = 11,72 ( VA). 83
9- Dòng điện thứ cấp máy biến áp: I2 = S : 6 . U2 = 11,72 : ( 6 . 9 ) = 0,217 (A) 10- Dòng điện sơ cấp máy biến áp : I1 = S/ 3.U2 = 11,72/3. 220 = 0,0177(A) 11- Tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo công thức kinh nghiệm : S Q = k . = 1,6( cm2) t Q m. f Trong đó: kQ = 6 - hệ số phụ thuộc phương thức làm mát. m = 3 - số trụ của biến áp . f = 50 - tần số điện áp lưới. Chuẩn hoá tiết diện trụ theo bảng [7] 2 Qt = 1,63 (cm ). kích thước mạch từ lá thép dày = 0,5 (mm) Số lượng lá thép : 68 lá a=12mm b=16mm h=30mm hệ số ép chặt kc= 0,85 . 12- Chọn mật độ từ cảm B =1T ở trong tụ ta có số vòng dây sơ cấp : U1 w1 = = 6080 ( vòng) 4,44.f.B.Qt 2 13- Chọn mật độ dòng điện : J1 = J2 = 0,5 (A/mm ) Tiết diện dây quấn sơ cấp: S 2 S1 = = 0,08 (mm ) 3.U1.J1 đường kính dây quấn sơ cấp : 4.S1 d1 = = 0,074 (mm) Chọn d1= 0,1 mm để đảm bảo độ bền cơ. Đường kính có kể cách điện: 84
dlcd = 0,12 (mm). 14- Số vòng dây quấn thứ cấp : W2 = W1. U2/ U1 = 249 ( vòng) 15- Tiết diện dây quấn thứ cấp : 2 S2 = S / (6. U2. J2) = 0,1 (mm ) 16- Đường kính dây quấn thứ cấp : 4.S2 d2 = = 0,3 (mm) Chuẩn hoá đường kính : d2 = 0,3 (mm) đường kính có kể đến cách điện : d2cd = 0,31 (mm) 17- Chọn hệ số lấp đầy : kld = 0,7 . .( 2 .w1 2 .w1) với kld = 4 dlcd d2cd = 8,3 (mm) kld .h chọn: c = 12mm. 18- Chiều dài mạch từ : L = 2 . c + 3 . a =2 . 12 + 3 . 12 = 60 (mm). 19- Chiều cao mạch từ: H = h + 2 . a = 30 + 2 .12 = 54(mm). 20- Tính chọn điôt cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi : + Dòng điện hiệu dụng qua điôt : ID.HD = I2 = 0,099 (A) 2 + Điện áp ngược lớn nhất mà điôt phải chịu : UNmax = 6 . U2 = 22 (v) + Chọn điôt có dòng định mức: Idm Ki . IDMD = 10 . 0,1 = 1,1 (A) Chọn điôt có điện áp ngược lớn nhất : Un = ku . UNmax = 2 . 22 = 44 (V) Chọn điôt loại KII208A có các thông số: + Dòng điện định mức : Idm = 1,5 (A) 85
+ Điện áp ngược cực đại của điôt : UN = 100 (V). Dựa trên nguyên tắc điều khiển và những yêu cầu của mạch điều khiển, ta có thể thiết kế sơ đồ mạch điều khiển như sau: 3.3.5. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển. 86
+E D3 R8 D9 D6 G1 - R12 A4 D8 D10 + R13 R9 D7 K1 C2 R14 T1 R11 T2 R15 R10 R16 +E R4 Dz1 D1 +E D12 G2 VR2 C1 D13 R1 D11 D4 R17 87 - R5 ~ A1 - R7 T3 K2 + A2 - R18 D2 R2 + A3 + R6 R19 T4 R3 +E R20 ~ VR1 D5 Xen x¬ c¶m C4 VR7 biÕn tÝn hiÖu VR4 ph¶n håi R21 Dz2 dßng tèc ®é R22 C3 VR3 - R25 C5 A5 - +E + A6 R26 + R22 R24 R27 R24 D14 D15 H×nh 3-28. S¬ ®å VR4 m¹ch ®iÒu khiÓn +E -E VR5 VR6
a. Nguyên lý làm việc Giả sử nửa chu kỳ đầu điốt D1 thông, điốt D2 khoá, nửa chu kỳ sau điốt D1 khoá và điốt D2 thông. Điện áp được chỉnh lưu hai nửa chu kỳ lấy điện áp âm đi qua điện trở R1 được đưa vào đầu đảo của khuếch đại thuật toán A1 để so sánh với điện áp đặt Uo được lấy từ đất – R3 – R2 đưa vào cửa không đảo của khuếch đại thuật toán A1. Khi: + Uo > U1 => điện áp ra U2 là dương + Uo điện áp ra U2 là âm Khi tín hiệu U2 ra là dương thì điốt D3 bị khoá tụ C được nạp ngược từ +E – R7 – VR1 - C - đất. Điện áp trên tụ C giảm dần về 0, Dz thông. Khi tín hiệu U2 là âm thì điốt D3 thông tụ C được nạp đầu ra A2 – C – R5 – D3 - đất. Điện áp trên tụ C tăng dần bằng Dz. Khi tụ C phóng, nạp thì đầu ra có điện áp răng cưa đưa vào đầu đảo của khếch đại thuật toán A3 để so sánh với điện áp điều khiển được lấy từ +E – R9 – VR2 - đất đưa vào cửa không đảo của khếch đại thuật toán A3. Khi: + Uđk điện áp ra U4 là âm + Uđk > U3 => điện áp ra U4 là dương Vậy đầu ra của khếch đại thuật toán A3 là xung hình chữ nhật có giá trị âm dương. Xung vuông này được trộn với xung chùm có tần số 10KHz được lấy từ bộ dao động dùng khếch đại thuật toán A4. Xét ở nưa chu kỳ đầu điốt D11 thông, còn điốt D12 khoá bóng T1 mở, T3 khoá. Lúc này có dòng từ +E – R20 – BAX – ECT1 – R16 - đất. Trên R16 có biến áp đặt vào bazơ T2 làm cho T2 mở. Trong nửa chu kỳ sau điốt D11 khoá còn điốt D12 thông, bóng T1 khoá, T3 mở lúc này có dòng từ +E – R21 – BAX – ECT3 – R22 - đất. Trên R22 có biến áp đặt vào bazơ T4 làm cho T4 mở. Khi các bóng mở thì tín hiệu móc vòng qua biến áp xung, bên cuộn thứ cấp ta nhận được các xung điều khiển để mở các Thyristor. 88
U§F Udf o t U1 o t U0 U2 o t U3 U®k o t U4 o t U5 o t U6 t U7 o U8 t o t 89
KẾT LUẬN Sau một thời gian tìm hiểu nghiên cứu về truyền động điện một chiều và bộ điều khiển động cơ điện một chiều, cùng với sự giúp đỡ hướng dẫn nhiệt tình của các thầy cô giáo trong khoa, đặc biệt là thầy giáo Th.S Vũ Ngọc Minh, em đã hoàn thành các yêu cầu nội dung của bản đồ án:  Nghiên cứu tổng quan về truyền động điện một chiều .  Thiết kế bộ điều khiển động cơ điện một chiều có ổn định tốc độ. Do thời gian thực tế của mình không nhiều và khả năng hiểu biết còn hạn chế, nên còn nhiều vấn đề em chưa đưa vào được trong thiết kế đồ án của mình. Em mong được sự chỉ bảo góp ý của các thầy cô cùng các bạn để bản đồ án của em được hoàn thiện hơn. Hoàn thành bản đồ án này em xin chân thành cảm ơn đến thầy giáo hướng dẫn Th.S Vũ Ngọc Minh và các thầy cô giáo trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng, đặc biệt là các thầy cô giáo trong khoa Điện dân dụng và Công Nghiệp, đã dạy bảo em trong suốt quá trình học tập tại trường. Sau nữa em gửi lời cảm ơn đến gia đình , bạn bè, những người đã tạo điều kiện giúp đỡ để em hoàn thành bản đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn ! Hải Phòng, ngày tháng năm Sinh viên thực hiện Đào Trọng Toàn 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Nguyễn Thị Hiền (2001) Truyền động điện - Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật – Hà Nội. 2. Vũ Gia Hanh – Trần Khánh Hà - Phan Tử Thụ – Nguyễn Văn Sáu (1998) Máy điện I, II - Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật – Hà Nội. 3. Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Phạm Quốc Hải – Dương Văn Nghi (2006) Điều chỉnh tự động truyền động điện - Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật . 4. Võ Minh Chính – Phạm Quốc Hải – Trần Trọng Minh (2004) Điện tử công suất - Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật – Hà Nội. 5. Nguyễn Bính (1993) Điện tử công suất – Hà Nội. 6. GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn (2005) Máy điện – Nhà xuất bản xây dựng. 7. Trang web; 91
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 CH¦¥NG 1 : TæNG QUAN VÒ TRUYÒN §éNG §IÖN MéT CHIÒU 3 1.1. CÊU TRóC Vµ PH¢N LO¹I TRUYÒN §éNG §IÖN 3 1.1.1. Cấu trúc chung của hệ truyền động điện 3 1.1.2. Phân loại hệ thống truyền động điện 5 1.2. cÊu t¹o vµ nguyªn lý lµm viÖc cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu 6 1.2.1. Cấu tạo 6 1.2.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1 chiều 9 1.3. ®Æc tÝnh vµ c¸c tr¹ng th¸I lµm viÖc cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu. 10 1.3.1. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập và kích từ song song. 10 1.3.2. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 19 Ch•¬ng 2 : C¸c ph•¬ng ph¸p c¬ b¶n ®Ó ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu 23 2.1 kh¸i niÖm chung. 23 2.2. ph•¬ng ph¸p ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p cÊp cho ®éng c¬. 24 2.3. ph•¬ng ph¸p ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p cÊp cho m¹ch kÝch tõ ®éng c¬. 28 2.4. hÖ truyÒn ®éng m¸y ph¸t - ®éng c¬ mét chiÒu (f-®). . 30 2.4.1. Cấu trúc hệ F- Đ và đặc tính cơ bản. 30 2.4.2. Các chế độ làm việc của hệ F – Đ. 32 2.4.3. Đặc điểm của hệ F- Đ 36 2.5. hÖ thèng chØnh l•u - ®éng c¬ mét chiÒu. 36 2.5.1. Chỉnh lưu bán dẫn làm việc với động cơ điện 36 2.5.2. Khảo sát đồ thị điện áp và dòng điện tại đầu ra của bộ chỉnh lưu với góc mở khác nhau và với tải động cơ. 38 Ch•¬ng 3 : ThiÕt kÕ bé ®iÒu khiÓn ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu cã æn ®Þnh tèc ®é 40 3.1. tæng hîp hÖ thèng truyÒn ®éng ®iÖn mét chiÒu. 40 3.1.1. Đặt vấn đề 40 3.1.2. Lập mô tả toán học của các khâu và phần tử có trong sơ đồ. 44 3.1.3. Tổng hợp mạch vòng dòng điện 46 3.1.4. Tổng hợp hệ mạch vòng tốc độ. 51 3.2. thiÕt kÕ m¹ch lùc. 54 3.2.1. Lựa chọn sơ đồ thiết kế. 54 3.2.2. Tính chọn thyristor. 54 3.2.3. Thiết kế cuộn kháng san bằng lD. 56 92
3.2.4. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực. 60 3.2.5. Tính chọn sơ đồ cho mạch kích từ động cơ. 64 3.3. thiÕt kÕ vµ tÝnh to¸n m¹ch ®iÒu khiÓn. 67 3.3.1. Khái niệm về mạch điều khiển. 67 3.3.2. Một số yêu cầu đối với mạch điều khiển. 68 3.3.3. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển. 70 3.3.4. Tính toán các khối trong mạch điều khiển. 73 3.3.5. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển. 73 KẾT LUẬN 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 93