Công nghệ của truyền động ăn dao máy doa

Chương I Yêu cầu công nghệ của truyền động ăn dao máy doa I. Vai trò ứng dụng của truyền động điện trong lĩnh vực cơ khí: Vấn đề ứng dụng các loại động cơ điện trong truyền động sản xuất cũng như các lĩnh vực khác nhau của đời sống xã hội là hết sức rộng rãi. Hiện nay động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi nhờ tính kinh tế dễ chế tạo, chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp... Tuy nhiên trong nhiều lĩnh vực yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ, độ trơn và khả năng quá tải thì động cơ điện một chiều lại tỏ ra hết sức ưu việt. ứng dụng chủ yếu của động cơ điện một chiều là trong các nghành sản xuất như hầm mỏ, khai thác quặng, máy xúc và đặc biệt là trong truyền động cơ khí chế tạo. Đó là nhờ hai đặc điểm quan trọng của nó là: + Khả năng điều chỉnh tốc độ tốt với dải điều chỉnh rộng. + Khả năng quá tải tốt đặc biệt là ở động cơ kích thích nối tiếp và hỗn hợp. Ngoài ra cấu trúc mạch lực cũng như mạch điều khiển của động cơ điện một chiều cũng đơn giản hơn nhiều so với động cơ không đồng bộ, đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao hơn trong dải điều chỉnh trơn và rộng. Trong lĩnh vực cơ khí thì nhiều loại động cơ cùng được sử dụng. Với những chuyển động không đòi hỏi cao về dải tốc độ và có thể điều khiển tốc độ nhảy cấp thì động cơ không đồng bộ thì rất thích hợp vì những ưu điểm của chúng như tính kinh tế dễ chế tạo, đa dạng về chủng loại và đặc biệt nguồn năng lượng được lấy trực tiếp từ lưới điện mà không cần dùng thêm các bộ chuyển đổi phụ trợ khác. Đối với máy doa ngang người ta có thể sử dụng cả hai loại động cơ không đồng bộ và động cơ điện một chiều vào những mục đích khác nhau để tận dụng những ưu điểm của chúng. Trong các truyền động của chuyển động chính, cũng như cơ cấu tay quay của bàn và các cơ cấu bơm cấp dầu thì động cơ điện xoay chiều được sử dụng. Tuy nhiên trong cơ cấu ăn dao thì lại sử dụng động cơ điện một chiều,để có thể đáp ứng được yêu cầu công nghệ. Do công suất của các động cơ một chiều vào khoảng vài kW nên người ta thường tạo ra nguồn một chiều bằng cách chỉnh lưu từ lưới điện xoay chiều với hệ số đập mạch là 12 để có chất lượng cao. Trong khuôn khổ đồ án này với đề tài: thiết kế hệ truyền động ăn dao máy doa ngang, để làm rõ tính quan trọng của động cơ một chiều cũng như vai trò của các hệ truyền động một chiều ta phân tích đặc thù của truyền động ăn dao của máy doa ngang. II. Đặc thù truyền động của máy doa ngang. 1. Giới thiệu chung về máy doa Máy doa được liệt vào nhóm máy khoan - doa dùng để gia công các chi tiết có kích thước lớn trong sản xuất đơn chiếc và hàng loạt. Máy doa chủ yếu dùng để gia công lỗ với cấp chính xác thông thường và chính xác cao. Các khả năng gia công của máy dao gồm có dùng dao tiện để tiện mặt hình trụ, dùng mũi khoan, khoét hoặc doa để gia công lỗ, dùng dao phay mặt đầu để gia công mặt phẳng thẳng đứng, dùng dao phay hình trụ hoặc dao phay định hình để gia công mặt phẳng nằm ngang hoặc bề mặt định hình, dùng dao tiện chạy dao hướng kính để gia công mặt đầu, dùng dao tiện để cắt ren trong. Đối với máy doa vạn năng ngang phạm vi sử dụng của nó lại rất lớn. Ngoài việc gia công lỗ nó còn có thể gia công những bề mặt của những chi tiết lớn. Thường trên máy doa ngang có lắp 6 dao khác nhau để hoàn thành các nguyên công khác nhau. Do đó nhiều chi tiết có thể hoàn toàn gia công trên một máy doa, không cần dùng các loại máy tiện, khoan, phay hay các loại máy nào khác. Máy doa đặc biệt dùng cho việc gia công các loại xi lanh của động cơ đốt trong hay máy hơi nước, các lỗ của ụ động hoặc các lỗ đặt ổ trục chính máy công cụ và sử dụng để gia công các lỗ song song với độ chính xác cao. Do tính vạn năng của máy doa, nên có thể sử dụng rất thuận tiện cho việc thực hiện toàn bộ các các nguyên công trên nhiều chi tiết không phải qua một máy nào khác. Chính thế mày máy doa ngang đặc biệt quan trong đối với ngành chế tạo máy nặng. Ta có sơ đồ máy doa ngang như sau: Những bộ phận chính của máy doa ngang: + Thân máy có dạng hộp lắp cố định đằng sau cùng giá đỡ. Trên sống trượt của thân máy lắp bàn máy có thể quay tròn với bàn trượt ngang hoặc bàn trượt dọc. Bên phải thân máy lắp trụ trước. Trên sống trượt đứng của nó lắp ụ trục chính. Bên phải là tủ thiết bị điện với tổ máy điện. + Những chuyển động cơ bản của máy doa: - Nếu dao cắt lắp trên trục chính hoặc trên bàn dao hướng kính thì nó nhận chuyển động chính là chuyển động vòng. - Các chuyển động chạy dao cho ụ trục chính (dao) thực hiện là chuyển động là chuyển động chạy dao hướng trục của trục chính, chuyển động chạy dao thẳng đứng( chuyển động đồng bộ với giá đỡ của trụ sau), chuyển động chạy dao hướng kính của bàn dao trên mâm cặp. - Các chuyển động chạy dao dọc và ngang của bàn máy mang chi tiết gia công. Hai chuyển động này do phôi thực hiện. 2. Đặc điểm yêu cầu công nghệ của truyền động. + Chuyển động ăn dao là chuyển động xê dịch lưỡi dao hoặc phôi để tạo ra một lớp phôi mới wmin = 1,10-4.2000.9.5 ằ 2 (vòng/phút). wmax = 0,156.2000.9.5 ằ 3000 (vòng/phút). Lực cắt cực đại F = 50kN. Tốc độ dịch chuyển định mức vđm = 0,0785 m/s. Tốc độ dịch chuyển cực tiểu vmin = 10-4 m/s. Tốc độ dịch chuyển cực đại vmax = 0,156 m/s. Hiệu suất h = 0,9. Tỉ số truyền r = = 2000. Yêu cầu truyền động: - Các động cơ trong hệ truyền động làm việc ở chế độ dài hạn với dải tốc độ rộng. - Yêu cầu cao trong việc điều chỉnh tốc độ: độ trơn điều chỉnh cũng như khởi động nhanh. - Yều cầu về khả năng quá tải lớn. - Yêu cầu có đảo chiều liên tục. Các hệ truyền động phải đảm bảo được đảo chiều truyền động của động cơ trong thời gian ngắn cũng như hãm tái sinh trả năng lượng. Ngoài ra truyền động ăn dao của máy doa ngang đòi hỏi độ tin cậy, an toàn, độ bền cao về kết cấu mạch lực, mạch điều khiển. Vì vậy phải đưa ra được một sơ đồ điều khiển đơn giản, tin cậy và dễ thao tác trong khi vận hành. Tham số nguồn điện áp cung cấp : - Lưới điện xoay chiều ba pha tần số 50Hz điện áp 380V - Độ dao động điện áp lưới V-5%+10% - Độ dao động tần số 50Hz ±1%. Chế độ làm việc của động cơ là chế độ làm việc dài hạn vì vậy cho nên động cơ đủ thời gian đạt tới trị số ổn định. 3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều Điều chỉnh tốc độ đông cơ điện một chiều kéo tải trong cơ khí nói chung hay trong máy doa ngang nói riêng thường dùng phương pháp điện kết hợp với phương pháp cơ qua các cơ cấu bánh răng hay các bộ culi để tăng dải điều chỉnh cũng như thu được các vùng tốc độ phù hợp. Điều chỉnh bằng phương pháp điện tốt bao nhiêu thì càng giảm độ phức tạp và cồng kềnh của cơ cấu cơ khí bấy nhiêu. có 2 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều đó là: - Điều chỉnh kế tiếp : Trong vùng w < wo thì điều chỉnh điện áp trong khi giữ từ thông không đổi. Trong vùng w > wo thì điều chỉnh từ thông trong khi giữ điện áp không đổi. Cách nay được sử dụng rộng rãi trong các máy CNC gia công cắt gọt kim loại . Hình vẽ sau mô tả hai quá trình trên: - Điều chỉnh đồng thời: Điều chỉnh đồng thời cả điện áp lẫn từ thông trong khi dong điện được giữ không đổi . Quá trình nay đòi hỏi điều khiển rất khó khăn nhưng bù lại có một ưu điểm rất lớn dòng điện được giữ không đổi nên mômen ổn định. Tuỳ thuộc vào yêu cầu truyền động, tính chất của quá trình công nghệ mà ta có thể chọn một trong hai phương pháp nêu trên.Về cấu trúc mạch lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi, bộ biến đổi có chức năng điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ tuỳ thuộc và phương pháp điều khiển.Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng 4 loại bộ biến đổi chính: -Bộ biến đổi máy điện gồm:Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại(MĐKĐ). -Bộ biến đổi điện từ:Khuếch đại từ(KĐT). -Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn:Chỉnh lưu thysistor(CLT). -Bộ biến đổi xung áp một chiều:thysistor hoặc transistor(BBĐXA) Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi ta có các hệ truyền động như: -Hệ truyền động máy phát-động cơ(F-Đ). -Hệ truyền động máy điện khuếch đại-động cơ(MĐKĐ-Đ). -Hệ truyền động khuếch đại từ-động cơ(KĐT-Đ). -Hệ truyền động chỉnh lưu thysistor- động cơ(T-Đ). -Hệ truyền động xung áp-động cơ(XA-Đ). Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có loại điều khiển theo mạch kín(ta có hệ truyền động điều chỉnh tự động) và có loại điều khiển theo mạch hở(hệ truyền động điều khiển “hở”).Hệ truyền động điều chỉnh tự động có cấu trúc phức tạp, nhưng có chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng so với hệ điều chỉnh “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 4 góc phần tư. 4. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. a. Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng. Trong phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, bộ biến đổi cung cấp điện áp cho mạch phần ứng.Vì nguồn có công suất hữu hạn nên các bộ biến đổi có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không. Hình 1-2 là sơ độ thay thế nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều, trong đó thành phần Eb(Uđk) được tạo ra bởi bộ biến đổi và phụ thuộc vào Uđk. Trong chế độ xác lập ta có các phương trình đặc tính như sau: * Nhận xét: 1.Vì từ thông động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng được giữ không đổi, còn tốc độ không tải tuỳ thuộc vào điện áp Uđk của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này có độ cứngđạt được rất tối ưu. 2.Từ các phương trình trên ta có thể tính được phạm vi điều chỉnh tốc độ của phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng, giữ từ thông không đổi. Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị w0max,Mđm,kM là xác định vì vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào độ cứng b.Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều khiển thì tổng trở mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ, do đó có thể tính sơ bộ được. w0max.|b|.Mđm ≤ 10 Vì thế với tải có đặc tính momen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc độ không vượt quá 10.Do vậy với hệ truyền động đòi hỏi phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn thì ta không thể sử dụng các hệ thống hở như trên. b. Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ: Khi thực hiện điều chỉnh tốc độ theo nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ tức là ta điều chỉnh dòng điện kích từ của động cơ và trong trường hợp này điện áp phần ứng được giữ không đổi, điều chỉnh dòng kích từ tức là điều chỉnh momen điện từ động cơ M = KfIư và sức điện động quay của động cơ Eư =kfw.Ta có phương trình Trong đó: rk-điện trở dây quấn kích từ. rb-điện trở nguồn điện áp kích thích. w-số vòng dây của cuộn dây kích thích, Trong chế độ xác lập thì: . Nhận xét: a) Với phương pháp điều chỉnh từ thông động cơ thì cho ta có thể thay đổi được tốc độ không tải với đặc tính thấp nhất là đặc tính cơ bản(đặc tính cơ tự nhiên), tuy nhiên tốc độ lớn nhất của giải điều chỉnh bị hạn chế bởi khả năng chuyển mạch của cổ góp. b) Khi điều chỉnh giảm từ thông để mở rộng vùng điều chỉnh tốc độ thì ta thấy độ cứng của đặc tính cơ giảm rõ rệt, do vậy với những cơ cấu yêu cầu độ cứng điều chỉnh cao thì phương pháp này gặp phải khó khăn. Kết luận: Căn cứ vào đặc điểm truyền động ăn dao của máy dao ngang, căn cứ vào phương pháp truyền động yêu cầu, căn cứ vào các tính chất của các phương pháp điều chỉnh tốc độ, để thiết kế hệ truyền động ăn dao cho chuyển động ăn dao máy doa ngang ta sử dụng động cơ một chiều điều chỉnh điện áp phần ứng giữ từ thông không đổi ở trong vùng điều chỉnh tốc độ định mức. Còn ở trên tốc độ định mức thì ta sử dụng phương pháp điều chỉnh từ thông động cơ. Chương II Phân tích lựa chọn phương án truyền động Chọn phương án truyền động là dựa trên các yêu cầu công nghệ và kết quả tính chọn công suất động cơ, từ đó tìm ra một loạt các hệ truyền động có thể thỏa mản yêu cầu đặt ra. Bằng việc phân tích,so sánh các chỉ tiêu kinh tế,kỹ thuật các hệ truyền động này kết hợp tính khả thi cụ thể mà có thể lựa chọn được vài phương án hoặc một phương án duy nhất để thiết kế. Máy doa ngang dùng để gia công các chi tiết bằng cách cắt hớt các lớp kim loại trên phôi. Có thể tiến hành gia công tinh hoặc gia công thô.Chuyển động ăn dao ở đây là chuyển động liên tục, tịnh tiến của dao, tuỳ thuộc vào mức độ yêu cầu của chi tiết mà có tốc độ khác nhau. Nghĩa là, hệ thống truyền động điện cần điều chỉnh tốc độ êm, phạm vi điều chỉnh lớn, mở và hãm máy liên tục. Trên những cơ sở yêu cầu công nghệ đó ta xem xét một số hệ truyền động: 1) Hệ truyền động máy phát - động cơ một chiều(F- Đ) Hệ thống máy phát - động cơ (hệ F-Đ) là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi điện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập. Máy phát điện 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. Hình 2-1. Sơ đồ nguyên lý hệ F-Đ. Động cơ Đ truyền động M được cấp điện từ máy phát F. Khi điều chỉnh dòng điện kích từ máy phát iKF thì điều chỉnh được tốc độ không tải của hệ thống còn độ cứng đặc tính cơ được giữ nguyên. Các chỉ tiêu chất lượng của hệ truyền động F-Đ về cơ bản tương tự như các chỉ tiêu hệ điều chỉnh điện áp dùng bộ biến đổi nói chung. Ưu điểm nổi bật nhất 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 F-Đ ở các máy khai thác trong công nghiệp mỏ. Phạm vi điều chỉnh tốc độ được nâng lên (cỡ 30:1). Điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong phạm vi điều chỉnh. Việc điều chỉnh tiến hành trên mạch kích từ máy phát nên tổn hao nhỏ. Hệ điều chỉnh đơn giản, có thể thực hiện hãm điện dễ dàng. 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, hiệu suất thấp (không quá 75%), 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, vốn đầu tư ban đầu và diện tích lắp đặt lớn. Với những hệ truyền động điện đòi hỏi dải điều chỉnh rộng hơn và cần điều chỉnh sâu hơn, ổn định tốc độ tốt hơn thì phải thay máy phát F bằng các nguồn áp máy điện khác như các máy điện khuếch đại (MKĐ) và có các phản hồi nâng cao chất lượng. 2) Hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển - động cơ một chiều (T-Đ) Hệ truyền động T-Đ là hệ truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc lập, điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng hoặc thay đổi điện áp đặt vào phần kích từ của động cơ thông qua các bộ biến đổi chỉnh lưu dùng thyristor. Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động T-Đ. Trong hệ T-Đ, nguồn cấp cho phần ứng động cơ là bộ chỉnh lưu thyristor. Dòng điện chỉnh lưu cũng chính là dòng điện phần ứng động cơ. Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và các tính chất của tải. Trong truyền động điện, tải của chỉnh lưu thường là cuộn kích từ (L-R) hoặc mạch phần ứng động cơ (L-R-E). Phương trình đặc tính cơ cho hệ T-Đ ở chế độ dòng điện chỉnh lưu liên tục: Độ cứng của đặc tính cơ là trong đó R là tổng trở toàn mạch phần ứng động cơ (gồm điện trở phần ứng động cơ Rư và điện trở các phần tử trong mạch nối tiếp với phần ứng động cơ). Họ đặc tính cơ của hệ thống trong trường hợp này như trên hình 2.3. Các đặc tính cơ của hệ truyền động T-Đ mềm hơn hệ F-Đ vì có sụt áp do hiện tượng chuyển mạch giữa các thyristor. Góc điều khiển a càng lớn thì điện áp đặt vào phần ứng động cơ càng nhỏ. Khi đó, đặc tính cơ hạ thấp và ứng với một mômen cản Mc, tốc độ động cơ sẽ giảm. w M 0 Hình 2-3. Đặc tính cơ hệ T-Đ. Lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ: khi phụ tải nhỏ thì các đặc tính cơ có độ dốc lớn (phần nằm trong vùng gạch chéo). Đó là vùng dòng điện gián đoạn. Góc điều khiển càng lớn (khi điều chỉnh sâu) thì vùng dòng điện gián đoạn càng rộng và việc điều chỉnh tốc độ gặp nhiều khó khăn hơn. Trong thực tế tính toán hệ T-Đ, ta chỉ cần xác định biên giới vùng dòng điện gián đoạn, là đường phân cách giữa hai vùng dòng điện liên tục và gián đoạn. Biên giới giữa vùng dòng điện gián đoạn và liên tục có dạng đường ellipse với các trục là các trục toạ độ của đặc tính cơ: Dễ dàng nhận thấy độ rộng của vùng dòng điện gián đoạn sẽ giảm nếu ta tăng giá trị điện cảm L và tăng số pha chỉnh lưu p. Song khi tăng số xung p thì mạch lực chỉnh lưu cũng tăng độ phức tạp và cả mạch điều khiển cũng phức tạp hơn. Còn khi tăng trị số L sẽ dẫn tới làm xấu quá trình qúa độ (tăng thời gian quá độ) và làm tăng trọng lượng, kích thước của hệ thống. Biên giới này được mô tả bởi đường cong nét đứt trên hình 2-3. Ưu điểm nổi bật nhất của hệ T-Đ là độ tác động nhanh cao, không gây ồn và dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất cao. Điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống. Hệ thống T-Đ có khả năng điều chỉnh trơn với phạm vi điều chỉnh rộng. Hệ có độ tin cậy cao, quán tính nhỏ, hiệu suất lớn. Nhược điểm chủ yêu của hệ T-Đ là do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lưu ra có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy điện và ở các truyền động có công suất lớn còn làm xấu dạng điện áp của nguồn và lưới xoay chiều. Hệ số công suất cosj của hệ nói chung là thấp nhất là khi điều chỉnh sâu. 3) Hệ truyền động điện động cơ KĐB dùng phương pháp điều chỉnh tần số Động cơ không đồng bộ ba pha (KĐB) được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất trung bình và chiếm tỷ lệ rất lớn so với các động khác. Trong thời gian gần đây, do sự phát triển cao của công nghệ chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử - tin học, động cơ KĐB mới khai thác các ưu điểm của mình. Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động T-Đ. Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý hệ TĐĐ-ĐK điều chỉnh tần số. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi tần số nguồn cho phép mở rộng phạm vi sử dụng động cơ KĐB trong nhiều ngành công nghiệp. Nó cho phép mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và nâng cao tính chất động học của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói chung và động cơ KĐB nói riêng, có thể ứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc như các truyền động của nhóm máy dệt, băng tải, bánh lăn ... hoặc cho cả các thiết bị đơn lẻ nhất là những cơ cấu có yêu cầu tốc độ cao như máy ly tâm, máy mài... Đặc biệt là hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi nguồn cung cấp sử dụng cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc sẽ có kết cấu đơn giản vững chắc, giá thành hạ và có thể làm việc trong nhiều môi trường. Nhược điểm cơ bản của hệ thống này là sơ đồ mạch điều khiển rất phức tạp. Đối với hệ thống này, động cơ không nhận điện từ lưới chung mà từ một bộ biến tần. Bộ biến tần này có khả năng biến đổi tần số và điện áp ra một cách độc lập với nhau. Thường sử dụng hai loại biến tần trong việc điều chỉnh tốc độ là biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp (có sử dụng khâu trung gian một chiều). Hệ truyền động điện có thể sử dụng bộ biến tần trực tiếp hoặc gián tiếp ba pha, cũng có thể dùng bộ biến đổi một chiều-xoay chiều thay đổi tần số một pha hay ba pha. 3.1 Biến tần trực tiếp (cycloconverter) Có sơ đồ cấu trúc đơn giản hình 2.5 a. Điện áp vào xoay chiều u1 (tần số f1) chỉ cần qua một mạch van là chuyển ngay ra tải với tần số khác. Vì vậy, loại biến tần này có hiệu suất biến đổi năng lượng cao do chỉ có một lần biến đổi điện năng và cho phép thực hiện hãm tái sinh năng lượng mà không cần có mạch điện phụ. Đồng thời, cũng có thể dễ dàng thực hiện điều chỉnh điện áp và tần số đầu ra của biến tần trực tiếp với dạng sóng điện áp gần hình sin. Tuy nhiên, sơ đồ mạch van khá phức tạp, số lượng van lớn đối với mạch ba pha. Việc thay đổi tần số ra f2 khó khăn và phụ thuộc vào tần số vào f1, số pha đầu vào của nguồn và số khoảng dẫn của các van ở mỗi nhóm van. Vì thế, hiện nay chủ yếu sử dụng loại biến tần này với phạm vi điều chỉnh tần số f2 Ê f1. Mặc dù về nguyên tắc, có thể tạo biến tần với f2 ³ f1 nhưng mức độ phức tạp sẽ tăng lên rất nhiều. Biến tần trực tiếp hay được dùng cho truyền động điện công suất lớn, tốc độ làm việc thấp, thí dụ để cung cấp cho các động cơ rotor lồng sóc, các động cơ rotor dây quấn cấp bởi hai nguồn, các động cơ đồng bộ... Hình 2. 5. Cấu trúc biến tần trực tiếp (a) và nghịch lưu độc lập (b) 3.2. Biến tần gián tiếp (có khâu trung gian ) – nghịch lưu độc lập Sơ đồ cấu trúc được trình bày trên hình 2.5b. Trong loại biến tần này, điện áp xoay chiều đầu tiên được chuyển thành điện áp một chiều nhờ bộ chỉnh lưu, sau đó đi qua bộ lọc rồi mới trả về điện áp xoay chiều với tần số f2. Việc biến đổi năng lượng hai lần làm giảm hiệu suất biến tần. Song, loại biến tần này cho phép thay đổi dễ dãng tần số ra f2 không phụ thuộc vào tần số vào f1 trong một dải rộng cả trên và dưới f1 vì tần số ra chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển. Hơn nữa, với sự ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kỹ thuật vi xử lý và dùng van lực là các loại transistor đã cho phép phát huy tối đa các ưu điểm của loại biến tần này. Vì vậy, đa số các biến tần hiện nay là biến tần nghịch lưu độc lập với nguồn cung cấp là nguồn dòng hoặc nguồn áp. Tuy nhiên, nếu sử dụng van thyristor vẫn còn một số khó khăn nhất định khi giải quyết vấn đề khoá van. Biến tần nguồn áp: Nghịch lưu điện áp có đặc điểm dạng điện áp ra tải được định hình sẵn còn dạng dòng điện ra tải lại phụ thuộc vào tính chất tải. Nguồn áp được tạo ra bằng một bộ chỉnh lưu với đầu ra được nối song song với một tụ điện có giá trị đủ lớn để đảm bảo điện áp nguồn ít bị thay đổi và để trao đổi công suất phản kháng với điện cảm tải của động cơ. Điện áp ra của nghịch lưu điện áp không có dạng hình sin mà đa số là dạng xung chữ nhật. Việc điều chỉnh tần số điện áp ra trên tải được thực hiện dễ dàng bằng điều khiển qui luật mở van của phần nghịch lưu. Phương pháp điều khiển này thay đổi dễ dàng tần số mà không phụ thuộc vào lưới điện. Biến tần nguồn dòng: Trong các hệ truyền động điện điều chỉnh động cơ xoay chiều, nguồn dòng thường được sử dụng cho các hệ thống công suất lớn và có sơ đồ cầu ba pha, trong đó các van bán dẫn là các van điều khiển hoàn toàn. Sơ đồ đơn giản, làm việc tin cậy, được sử dụng rộng rãi để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha rotor lồng sóc.Biến tần nguồn dòng có ưu điểm là tăng được công suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản mà vẫn thực hiện hãm tái sinh động cơ. Khi làm việc với tải là động cơ xoay chiều thì điện áp tải có xuất hiện các xung nhọn tại các thời điểm chuyển mạch dòng điện chuyển mạch giữa các pha. Trong thực tế, thường sử dụng các van điều khiển không hoàn toàn, vì vậy cần có các mạch khoá cưỡng bức các van đang dẫn, bảo đảm chuyển mạch dòng điện giữa các pha một cách chắc chắn trong phạm vi điều chỉnh tần số và dòng điện đủ rộng. Mặc dù động cơ không đồng bộ ba pha có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an toàn và sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện xoay chiều ba pha, nhưng về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác: có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản hơn và đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Chính vì vậy, ta sẽ chọn phương án thiết kế hệ truyền động chỉnh lưu Tiristor - động cơ một chiều kích từ độc lập. Tiristo làm cho các trạng thái cưỡng bức của hệ trở lên ổn định hơn. So với các hệ có quán tính(F- Đ, KĐT) hệ T-Đ có quá trình quá độ hợp lí hơn nên có thể tạo ra được thiết bị tổ hợp hiện đại về công nghệ, gia công các sản phẩm chất lượng tốt hơn và tốc độ cao hơn. Chương III Tính chọn mạch lực I. Chọn công suất động cơ 1. Yêu cầu về động cơ Đặc tính phụ tải M w wmax wmin Mđm 0 P Phạm vi điều chỉnh tốc độ: D = P = F.vđm = 50.0,0785 = 3,925 (kW) Mômen cực đại trên trục động cơ: M = (N.m) Động cơ được chọn phải đáp ứng được các yêu cầu sau: - Động cơ phải có đủ công suất để đáp ứng được nhu cầu của truyền động - Có tốc độ và phạm vi điều chỉnh phù hợp với yêu cầu công nghệ. - Thoả mãn các yêu cầu về mở máy và hãm động cơ. Ngoài ra còn một số yêu cầu khác như phù hợp với nguồn điện năng tiêu thụ cũng như thích hợp với điều kiện làm việc, tính gọn nhẹ trong sủ dụng... 2. Chọn động cơ Căn cứ vào số liệu ta chọn động cơ như sau: Chọn loại động cơ có ký hiệu: P- 42 Có các thông số kỹ thuật cho như bảng sau Kiểu động cơ Pđm (kw) Uđm (V) Nđm Vg/ph Iđm (A) Rư+rcp (W) Rcks (W) iktđm (A) P - 42 4,5 220 1500 25,4 0,78 228 0,73 Kiểu động cơ Số thanh dẫn tác dụng của phần ứng N Số nhánh song song phần ứng 2a Số vòng trên 1 cực cuộn song song wcks Từ thông hữu ích của 1 cực từ F.10-2 Wb Tốc độ quay cho phép cực đại(vòng/phút) Mô men QT phần ứng J (kgm2) P-42 756 2 1350 0,51 3000 0,18 3. Kiểm nghiệm động cơ Tính toán các tham số động cơ: kđm = = 1,28 Mđm = kđmIư = 1,28. 25, 4 = 32,51 Nm Kiểm nghiệm momen quá tải: Mđmđc = 32,51 > Mcmax = 27,78 Các thông số của động cơ: Điện cảm phần ứng: Lư =0,032(H) = 32 (mH) trong đó kL là hệ số lấy giá trị 5,5 á 5,7 đối với máy không bù và kL= 1,4 á 1,9 đối với máy có bù; p là số đôi cực. kFđm = 1,28 Mômen quán tính: J = 0,18 (kg.m2) Hằng số thời gian cơ học: Tc = 0,1714(s) Hằng số thời gian mạch phần ứng: Tư =0,041 (s) Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: = 343,75 – 1,9M Phương trình đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: = 343,75 – 1,21Iư II .tính chọn bộ biến đổi Theo yêu cầu của hệ truyền động thì bộ biến đổi có nhiệm vụ cung cấp điện áp cho phần ứng động cơ do vậy và điện áp này có thể điều chỉnh được để thay đổi tốc độ động cơ. Chính vì vậy sơ đồ phải điều khiển được. Xét về phương diện điều khiển thì để ổn định tốc độ của máy ở phụ tải nhất định thì điện áp đặt vào động cơ phải có độ ổn định cao. So sanh giữa các sơ đồ chỉnh lưu thì sơ đồ cầu 3 pha có đáp ứng tốt nhất cho yêu cầu về chất lượng điện áp và cả về kỹ thuật như: + Sơ đồ cầu có điện áp ngược đặt lên van nhỏ hơn hai lần so với sơ đồ hình tia. + Sơ đồ cầu máy biến áp được tận dụng khả năng triệt để hơn (công suất yêu cầu nhỏ hơn 30% so với sơ đồ hình tia) + Sơ đồ cầu cho ta dạng điện áp và dòng chỉnh lưu tốt hơn, độ nhấp nhô ít hơn. + Đối với sơ đồ hình tia kích thước cuộn kháng lọc lớn hơn. Từ những nhận xét trên ta chọn sơ đồ chỉnh lưu là sơ đồ cầu ba pha đối xứng có điều khiển. Do yêu cầu của truyền động đảo chiều nên ta dùng hai bộ biến đổi song song ngược không có cuộn kháng cân bằng và thực hiện việc điều khiển riêng từng bộ biến đổi. 1. Sơ đồ mạch lực và nguyên lý hoạt động. Sơ đồ mạch lực của hệ truyền động T-Đ có đảo chiều điều khiển riêng như sau Mạch gồm hai bộ biến đổi riêng rẽ nhau là BĐ1 và BĐ2.Khi điều khiển riêng hai bộ,tại một thời điểm chỉ phát xung điều khiển vào một bộ biến đổi còn bộ kia bị khoá do không có xung điều khiển Hệ có hai bộ biến đổi là BĐ1 và BĐ2 với các mạch phát xung điều khiển tương ứng là FX1 và FX2,trật tự hoạt động của các bộ phát xung này được quy định bởi các tín hiệu logic b1 và b2. Quá trình hãm và đảo chiều được mô tả bằng đồ thị thời gian.Trong khoảng thời gian 0át1,bộ BĐ1làm việc ở chế độ chỉnh lưu,góc 1 ,và sao cho dòng điện phần ứng không vượt quá giá trị cho phép,động cơ được hãm tái sinh,nếu nhịp điệu giảm 2 phù hợp với quán tính của hệ thì có thể duy trì dòng điện hãmvà dòng điện khởi động ngược không đổi,điều này được thực hiện bởi các mạch vòng điều chỉnh tự động dòng điện của hệ thống.Trên sơ đồ của khối logic LOG thì iLđ , iL1 , iL2 là các tín hiệu logic đầu vào còn b1,b2 là các tín hiệu logic đầu ra để khoá các bộ phát xung điều khiển: iLđ =1 – phát xung điều khiển mở BĐ1. iLđ =0 - phát xung điều khiển mở BĐ2. i1L(i2L) =1 – có dòng điện chảy qua BĐ1(BĐ2). b1(b2) = 1 – khoá bộ phát xung FX1(FX2). Tính chọn mạch biến đổi: Vì hệ truyền động ăn dao là một chiều và có đảo chiều, nên ta chọn mạch biến đổi điện áp tới động cơ gồm 2 bộ chỉnh lưu cầu 3 pha Thyristor điều khiển riêng. Còn mạch kích từ động cơ cũng có một bộ chỉnh lưu cầu 3 pha Điốt. 2. Mạch biến đổi nguồn cấp cho động cơ: Xét khi một bộ chỉnh lưu làm việc. Ta có sơ đồ sau: Trong đó: BA : Biến áp nguồn lấy điện từ lưới cấp cho động cơ. Uv0 : Điện áp dây hiệu dụng thứ cấp biến áp nguồn BA. T : 6 Tiristor của mạch chỉnh lưu cùng loại. Lcb : Cuộn kháng san bằng. Lư, Rư : cảm kháng, điện trở phần ứng động cơ: Rư = rư + rcp = 0,78 (W) Điện áp không tải của bộ chỉnh lưu Ud0 phải thoả mãn phương trình: g1Ud0cosamin = g2Eưđm + ồUv + IưmaxRưồ + DUgmax (*) Trong đó: Ud0 : điện áp không tải của chỉnh lưu. g1 : hệ số tính đến sự suy giảm lưới điện; g1 = 0,95. g2 : hệ số dự trữ BA; g2 = 1,04 á 1,06. Chọn g2 = 1,04. amin : góc điều khiển cực tiểu. Sơ đồ có đảo chiều, và m = 6 xung, nên ta chọn amin = 12o. ồUv : tổng sụt áp trên van. Mỗi thời điểm chỉ có 2 van dẫn, nên ồUv = 2Uv ằ 2.1,6 = 3,2 (V). Iưmax : dòng cực đại phần ứng động cơ. Iưmax = (2 á 2,5)Iưđm. Chọn Iưmax = 2Iưđm = 2.25,4 =50,8 (A). Eưđm = Uưđm - RưIưđm = 220 - 0,78.25,4 = 200,2 (V). DUgmax : sụt áp cực đại do trùng dẫn. DUgmax = DUgđm Có Idđm = Iưđm và Iưmax = 2Iưđm ị DUgmax = 2DUgđm = 2Ud0UkYk với Uk là điện áp ngắn mạch: Uk(%) = 5% ị Uk = 0,05 và Yk = = 0,5 (Tra bảng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha) Vậy: Ud0= = Û Ud0 ằ 285,5 (V) ị Uv0 = Ud0/1,35ằ 211,48 (V) 3. Tính chọn biến áp nguồn BA: BA đấu theo kiểu D/Y. Điện áp lưới UL = 380V. ị Tỷ số biến áp: kBA = = ằ 3,12 Dòng hiệu dụng thứ cấp BA: I2 =Id = .25,4 ằ 20,74(A) ị dòng hiệu dụng sơ cấp BA: I1 = I2 = 20,74 ằ 6,65(A) Công suất định mức BA: SBA = 1,05.Pd = 1,05Ud0Idđm = 1,05.285,5.25,4 (VA) SBA = 7614,285 (VA) Tra sổ tay, ta chọn máy biến áp tiêu chuẩn có Sđm = 8 (kVA). 4. Tính chọn các Tiristor trong mạch chỉnh lưu: Ta có bộ chỉnh lưu là cầu 3 pha. Tra sổ tay, ta tính được các thông số sau: Dòng trung bình qua mỗi Thyristor: Ivtb= IT = Idđm = .25,4 ằ 8,467(A). Dòng cực đại qua mỗi Thyristor: ITM = Idmax = .50,8 ằ 16,933(A). Điện áp ngược cực đại mỗi Thyristor phải chịu: Ungmax = Uv0 = .211,48 ằ 299,08(V). Chọn hệ số dự trữ về điện áp và dòng điện của các Thyristor là: Ku = 1,8 và Ki = 1,4 Vậy điện áp ngược của van cần chọn là :Uv = 1,8.299,08 ằ 538,34 (V), dòng điện của van cần chọn là: Ki= 1,4. ằ 197,55(A), Vậy ta chọn được loại Thyristor dùng cho bộ chỉnh lưu cấp nguồn cho động cơ: 5. Tính cuộn kháng san bằng: Công thức gần đúng tính điện cảm phần ứng động cơ 1 chiều kích từ độc lập: Lư ằ KL (H) Trong đó : KL = 1,4 á 1,9 (máy có bù); KL = 5,5á 5,7 (máy không có bù); ở đây ta chọn loại máy không bù nên KL=5,6 Uưđm = 220(V), Iưđm = 25,4(A), Zp(số đôi cực) = 1 và nđm =1500(vòng/phút). ị Lư = 5,6 Û Lư ằ 0,032(H) Do thành phần dòng xoay chiều nên giá trị dòng điện định mức động cơ giảm. Dòng điện xoay chiều còn gây ảnh hưởng xấu đến quá trình chuyển mạch ở vành góp máy điện. Cụ thể do ảnh hưởng của dòng xoay chiều bậc m, từ trường của các cặp cực chuyển mạch bị chậm lại 900 so với dòng điện điều hòa bậc m. Điện áp chuyển mạch chậm trễ sẽ không bù được điện áp phản ứng phần ứng vì sụt áp xoay chiều D U2 không thể tăng nhảy cấp. D U2 = cIs.n = csIIđmn = Trong đó gc = gs() n – là tốc độ quay của động cơ (vg/ph) n0 – tốc độ quay không tải lý tưởng của động cơ. Từ những lý luận trên ta rút ra giá trị điện cảm cần thiết nối vào mạch một chiều. Ld = - Lư Tốc độ không tải lí tưởng của động cơ: w0 = = = 172,6 (rad/s) Vận tốc nhỏ nhất cần điều chỉnh: w = 0,2 (rad/s) Tra đồ thị ứng với = = 1,16.10-3 ta có gcmax tương ứng Ld = 11,7 – 32 = -20,3 mH Vậy ta không cần bố trí cuộn kháng lọc một chiều nữa. 6. Bảo vệ quá điện áp cho thiết bị bán dẫn Linh kiện bán dẫn nói chung và bán dẫn công suất nói riêng, rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp. Những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới van bán dẫn mà chúng ta cần có phương thức bảo vệ là: Điện áp đặt vào van lớn quá thông số của van. Xung điện áp do chuyển mạch van. Xung điện áp từ phía lưới xoay chiều, nguyên nhân thường gặp là do cắt tải có điện cảm lớn trên đường dây. Xung điện áp do cắt đột ngột biến áp non tải. Để bảo vệ cho van khi làm việc dài hạn mà không bị quá điện áp, chúng ta cần chọn đúng các van bán dẫn theo điện áp ngược. Bảo vệ xung điện áp do quá trình đóng cắt các van được dùng bằng các mạch R - C mắc song song với các van bán dẫn. Sơ đồ đơn giản của loại mạch này mô tả như hình vẽ. Khi có sự chuyển mạch, do phóng điện từ van ra ngoài tạo nên xung điện áp trên bề mặt tiếp giáp van. Mạch R - C mắc song song với van bán dẫn tạo mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch van. Có thể tính được các thông số của R và C hoặc người ta có thể chọn gần đúng R = (5 á 30) W, C = (0,5 á 4)mF Bảo vệ thiết bị điện tử khỏi chọc thủng do xung điện áp. Để bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, chúng ta mắc song song với tải ở đầu vào một mạch R - C, nhằm lọc xung như mô tả trên hình b. Khi xuất hiện xung điện áp trên đường dây, nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Trị số R,C phụ thuộc nhiều vào tải. Có thể chọn R và C trong khoảng R = (5 á 20)W, C = 4mF. Để bảo vệ van do cắt đột ngột biến áp non tải, trong đa số các bộ biến đổi người ta thường mắc một mạch R-C ở đầu ra một chỉnh lưu cầu ba pha phụ bằng các diod công suất bé, như mô tả trên hình c. Trị số tụ C trong trường hợp này có thể được tính: Trong đó: Im - Dòng điện từ hoá biến áp %; I2;U2 - Dòng điện, điện áp thứ cấp biến áp; KTU - Khả năng tăng điện áp cho phép của van, thường được chọn KTU = 1,25 á 1,5. Thông thường trị số tụ thường chọn trong khoảng 10 á 200 mF. Biên độ điện áp xung khi đóng biến áp nhỏ hơn nhiều so với khi cắt do đó mạch trên cho phép bảo vệ quá điện áp trong cả hai trường hợp này. Mạch R1C1 bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích Mạch R2C2 bảo vệ quá điện áp do cắt BA không tải gây ra 7. Mạch kích từ động cơ Trong quá trình điều khiển ăn dao máy doa ngang, khi chuyển động ngược rút dao trở ra cần có tốc độ cao v = 0,156m/s và không cần momen lớn. Vì vậy dùng phương pháp điều chỉnh từ thông để điều chỉnh tốc độ động cơ. Dùng sơ đồ cầu 3 pha bán điều khiển để quá trình điều khiển đơn giản mà hiệu suất cao và đáp ứng đủ yêu cầu của hệ. Lc Ud Lcks Rcks Uv0 D BAKT D Y Hình 3- 5 Sơ đồ mạch lực mạch kích từ Từ loại động cơ, ta có Iktđm = 0,73(A) và Rcks = 228(W). Điện áp ra mạch chỉnh lưu: Ud = IktđmRcks = 0,73. 228 = 166,44(V). Điện áp chỉnh lưu không tải: Ud0 cos = Ud + + + Dòng thứ cấp MBA: I2 =Id = .0,73 = 0,6 A Công suất định mức MBA kích từ: S =3U2I2 = 3..0,6 =140,4 VA Tra sổ tay chọn MBA tiêu chuẩn Sđm = 150 VA Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van cần chọn: Unv = ku.Unmax = 1,8.2,45.166,44/2,34 = 313 V Dòng trung bình qua van cần chọn: Iv = ki. = 1,2. 4.2,5.0,73/3 = 2,9 A Chọn 3 tiristo loại 2N401 có thông số: Un = 500 v, Iđm = 5 A 3 Diod loại KY719 có thông số: Un = 360 v, Iđm = 20 A Chương IV Tổng hợp hệ thống I. khái quát chung Để tổng hợp được hệ điều khiển ta phải đi xây dựng sơ đồ cấu trúc của hệ thống từ đó xây dựng các quy luật điều khiển khác nhau cho những hệ thống khác nhau. Vì vậy ta đi từ việc xây dựng mô hình toán học cho từng khâu trong hệ. 1. Mô tả toán học động cơ một chiều Giả sử rằng các thông số của động cơ là không đổi Khi từ thông kích từ không đổi (dòng điện kích từ động cơ không đổi hoặc khi động cơ được kích thích bằng nam châm vĩnh cửu), sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều như sau Theo kết quả tính toán ở trên ta có Lư = 0,032 (H) Tư = 0,41 (s) KFđm= 0,64 J = 0,18 (kgm2) Tc = 0,69 (s) 2. Mô tả toán học chỉnh lưu điều khiển Do tính chất xung và tính chất bán điều khiển của chỉnh lưu nên thời điểm của tín hiệu điều khiển thay đổi không trùng với thời điểm thay đổi góc điều khiển.Có thể lấy giá trị thời gian trễ là Có thể thay thế hàm trễ bởi một khâu quán tính Hệ số khuếch đại của chỉnh lưu Kcl=Ud0/Uđk=285,5/10=28,55 Mạch điều khiển chỉnh lưu có hằng số thời gian là Tđk (chọn Tđk=1ms=10-3s) Do đó sơ đồ cấu trúc của khâu chỉnh lưu là: 3. Mô tả toán học sensor dòng điện Yêu cầu đặt ra đối với bộ đo dòng điện một chiều và điện áp một chiều, ngoài việc đảm bảo về độ chính xác, còn phải đảm bảo cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển. Ta sử dụng phương pháp biến điệu để truyền tín hiệu một chiều từ sơ cấp sang thứ cấp có cách ly bằng phần tử quang điện. Trên hình 5.5 là sơ đồ đo cách ly các đại lượng một chiều dùng phần tử bán dẫn quang điện. Nó gồm mạch dao động xung tam giác đối xứng, mạch so sánh, mạch truyền xung và mạch tích phân. Mạch đo dòng điện một chiều có cách li 4. Mô tả toán học sensor tốc độ Tốc độ truyền động là đại lượng điều khiển chính, vì vậy thiết bị đo tốc độ có vai trò quan trọng quyết định tới chất lượng động và tĩnh của truyền động. Hiện nay đo tốc độ trong hệ truyền động một chiều, người ta thường dùng phát tốc một chiều. Yêu cầu đối với máy phát tốc một chiều điện áp một chiều có chứa ít thành phần xoay chiều tần số cao Uw tỷ lệ với tốc độ động cơ, trễ ít so với đại lượng đo. Điện áp một chiều phát ra không phụ thuộc vào tải và nhiệt độ. Sử dụng máy phát tốc một chiều $T7/220 tốc độ định mức 3000vòng/phút và công suất P = 23,2 W. Chọn R = 10KW; C = 10mF Mạch đo tốc độ động cơ Điện áp đầu ra của máy phát tốc: Uw= kww- RưpI-DUct Uw kww Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền của máy phát tốc là: Ff(p)= = tfw - hằng số thời gian của bộ lọc tfw =RC 5. Mô tả toán học khâu hạn chế dòng Mạch hạn chế dòng hạn chế lượng đặt dòng và áp điều khiển không vượt quá giá trị cho phép, nghĩa là không quá 10 v Mạch hạn chế dòng II. Tổng hợp mạch vòng dòng điện. Các thông số của hệ T-Đ phụ thuộc vào chế độ làm việc của chỉnh lưu: chế độ dòng điện liên tục, dòng gián đoạn và hiện tượng chuyển mạch. Biên giới giữa vùng dòng điện gián đoạn và liên tục có dạng đường ellipse với các trục là các trục toạ độ của đặc tính cơ-điện: Ibo = = 0,767 (A) Ta thấy IboI < Iđm Vậy chế độ làm việc của bộ biến đổi là chế độ dòng điện liên tục có xét đến hiện tượng trùng dẫn. Ta có sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện ở chế độ dòng liên tục. Trong đó là hàm truyền của sensor dòng điện là khâu quán tính với hằng số thời gian lọc Ti(Chọn Ti=1ms=10-3s) và hệ số khuếch đại Ki Ki=Uiđ đm/2,5.Iđm=10/2,5.25,4=0,157 Ta nhận thấy các hằng số thời gian Tf,Tđk,Tv0,Ti là rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ Tư,vì vậy hàm truyền trên có thể viết ở dạng sau Trong đó Ts=Tf+Tđk+Tv0+Ti=4,67(ms) áp dụng chuẩn tối ưu modul ta có = Trong đó Ks=Kcl.Ki/Rư=7,27 Chọn t = min(Ts,Tư) = Ts = 4,67.10-3 (s) suy ra = Vậy Ri(p) là một khâu PI (tỉ lệ-tích phân) Ta có mạch tạo nên khâu PI: - + - + Uiđ Ui R1 R1 R2 C R3 R3 Uđk PI Lặp áp Với: R1C = và R2C = Tư Thay vào ta có hàm truyền mạch vòng dòng điện = Mô phỏng Simulink đáp ứng của mạch vòng dòng điện khi có bộ điều chỉnh dòng điện Ri(p) IIi.Tổng hợp mạch vòng tốc độ Hệ điều chỉnh tốc độ truyền động điện là hệ phổ biến nhất trong sản xuất. Đại lượng điều chỉnh ở đây là tốc độ, được điều chỉnh duy trì theo lượng đặt trước, hoặc thay đổi theo một quy luật nào đó cho trước. Để điều chỉnh tốc độ động cơ, như chúng ta đã biết có hai phương pháp cơ bản là điều chỉnh điện áp phần ứng và điều chỉnh từ thông động cơ fđ. Cấu trúc của mạch điều chỉnh tốc độ rất đa dạng và tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ đặt ra. Thí dụ yêu cầu truyền động không đòi hỏi cao thì cấu trúc của mạch điều chỉnh chỉ bao gồm một mạch vòng tốc độ hoặc bao gồm một mạch vòng tốc độ và một mạch vòng điều chỉnh điện áp. Thông thường thì mạch điều chỉnh gồm hai mạch vòng: mạch vòng điều chỉnh tốc độ và mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Nếu như yêu cầu truyền động đòi hỏi độ chính xác cao thì dùng điều chỉnh thích nghi hoặc điều khiển số. Giả thiết rằng từ thông động cơ giữa không đổi và mạch từ chưa bão hoà các tham số động cơ không đổi. Với cấu trúc nhiều mạch vòng, khi tổng hợp hệ ta tiến hành từ mạch vòng trong trở ra, theo tuần tự. 1. Xét mạch khi Uwđ ạ 0 và Mc = 0 (Mạch không có ảnh hưởng của nhiễu loạn). Tổng hợp mạch vòng tốc độ sau khi đã tổng hợp mạch vòng dòng điện ở trên theo tiêu chuẩn tối ưu modul. Như trên ta đã có Để thuận tiện trong tính toán tiếp theo và cũng không gây sai số lớn ta có thể thay biểu thức trên gần đúng như sau: Giả thiết này có thể chấp nhận được bởi vì đối với trường hợp áp dụng tiêu chuẩn modul tối ưu, đặc tính quá độ của nó rất ít dao động và lượng quá điều chỉnh chỉ có 4,3%, như vậy gần đúng với đặc tính của khâu quán tính bậc một. Sơ đồ khối cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ như sau: Trong đó Sw= là hàm truyền của sensor tốc độ, là khâu quán tính với hằng số thời gian lọc Tw(Chọn Tw=1ms=10-3s) và hệ số khuếch đại Kw Kw=Uiđ đm/wđm=10/314,16=0,032 Hàm truyền của đối tượng điều chỉnh : với T’s=2Ts+Tw=10,34(ms) Đặt Ksw = = = 1,45 Theo tiêu chuẩn modul tối ưu có thể xác định được hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ Rw(p) Chọn t=T’s khi đó Vậy Rw(p) là một khâu P(tỉ lệ) khâu tỉ lệ có sơ đồ cấu trúc như sau: R2 R1 Với Hàm truyền của mạch vòng điều chỉnh tốc độ là: Mô phỏng Simulink đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi có bộ điều chỉnh tốc độ Rw(p) +Theo chuẩn Module tối ưu đối xứng : Lúc này hàm truyền chuẩn có dạng; == Là một khâu PI có cấu trúc như sau: R1 R2 C2 Mô phỏng Simulink đáp ứng của mạch vòng tốc độ khi có bộ điều chỉnh tốc độ Rw(p) 2. Xét mạch khi Uwđ = 0 và Mc ạ 0 (mạch có nhiễu loạn). Cấu trúc của hệ thống có dạng : FRw(p) DUd=0 -DMc (-) (-) F1(p) DUd=0 -DMc F2(p) F3(p) Dw Tương đương : Từ sơ đồ cấu trúc ta có ; {[-(Dw.F3)F1]- DMc}F2=Dw Nên : Dw(1+F1F2F3)=- DMcF2 Xét : Ta cần tính sai lệch tĩnh Xét : Lim (Fz)=Lim Fkw .Lim= Lim pà0 pà0 pà0 pà0 + Xét trường hợp bộ điều chỉnh tốc độ là khâu tỷ lệ (P): Khi pà0 thì : Lim Fz=Lim ạ0 Trong đó: Như vậy nếu dùng khâu tỉ lệ thì hệ thống điều chỉnh tốc độ là hữu sai với nhiễu loạn và vô sai với lượng đặt àKhông tốt + Xét trường hợp bộ điều chỉnh tốc độ là khâu tích phân tỷ lệ (PI): Khi pà0 thì ; Lim Fz=Lim=0 Như vậy ta thấy rằng khi bộ điều chỉnh tốc độ là khâu PI thì hệ thống là vô sai với nhiễu loạn nên đáp ứng tốt yêu cầu của hệ Mạch điều chỉnh từ thông FT Uư + - RIK - Rw Uwđ Ua - KT Thông thường mạch điều chỉnh tốc độ bằng điều khiển từ thông bao gồm hai mạch vòng: Mạch vòng điều chỉnh dòng kích từ và mạch vòng điều chỉnh tốc độ Chương V Thiết kế mạch điều khiển I. Nguyên tắc điều khiển : Trong việc điều khiển chỉnh lưu thì việc tạo thời điểm để phát xung mở Tiristor là một khâu rất quan trọng. Việc điều khiển chỉnh lưu thường sử dụng hai nguyên tắc đó là nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính và nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos để điều chỉnh vị trí xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt lên Tiristor. Sau đây ta sẽ mô tả về hai nguyên tắc điều khiển. Sơ đồ trình bày trên hình là nguyên tắc điều khiển kiểu arccos. Người ta sử dụng hai điện áp : -Điện áp đồng bộ US vượt trước điện áp UAK=Umsinwt của Tiristor một góc bằng p/2 vậy Us =Usm cos wt Điện áp điều khiển là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ theo hai chiều (dương và âm ). Nếu đặt US vào cổng đảo và Ucm vào cổng không đảo của một khâu so sánh thì ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos Usm cosa= Ucm Vậy khi Ucm= Usm thì a=0 Ucm =0 thì a =p/2 Ucm = -Usm thì a=p Như vậy khi điều chỉnh Ucm từ giá trị +Usm đến -Usm thì ta có thể điều chỉnh được góc a từ 0áp. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Đối với nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính thì tại thời điểm xuất hiện sự cân bằng giữa điện áp điều khiển Ucm và điện áp tựa (cũng chính là điện áp đồng bộ trùng pha với điện áp đặt lên A-K của Tiristor và thường đặt vào đầu đảo bộ so sánh. Thông thường điện áp tựa thường có dạng răng cưa. Như vậy bằng cách biến đổi Ucm người ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra theo đồ thị nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính hình H Ta xác định góc điều khiển a theo phương trình : Với a :góc mở của Tiristor Uđk :điện áp điều khiển Usm :điện áp đồng bộ cực đại Thông thường người ta thường lấy Ucm max =Usm Nhận thấy rằng góc a là một hàm tuyến tính của điện áp điều khiển Ucm.Vậy ta có thể điều khiển góc a thông qua điều khiển điện áp một chiều. ở trong đồ án này chúng ta sử dụng phương pháp điều khiển tuyến tính ii. Các khâu trong sơ đồ điều khiển Thyristor 1. Khâu biến áp xung Việc truyền tải xung đưa vào cực điều khiển tiristor thường dùng BAX vì nó có một số ưu điểm sau: - BAX dễ truyền tín hiệu điều khiển - Tạo được biên độ xung ra theo yêu cầu - Cách ly về điện giữa mạch lực và mạch điều khiển - Dễ thay đổi cực tính xung ra - Dễ phân bố xung đi các kênh điều khiển BAX T2 T1 R E AND Khâu khuếch đại xung, biến áp xung 2. Khâu phát xung chùm Sử dụng vi mạch TIMER 555 do hãng Signetics chế tạo làm mạch phát xung chủ đạo với tần số xung ra 1kHz. Khâu phát xung 3. Khâu so sánh Urc + +V Udk Khâu so sánh Mạch so sánh thực hiện so sánh hai tín hiệu điện áp tựa đồng bộ và điện áp điều khiển +) Điện áp răng cưa đưa vào cửa đảo của OA3 +) Điện áp điều khiển đưa vào cửa cộng của OA3 Khi Urc > U đk : đầu ra của OA3 là xung âm Khi Urc < U đk: đầu ra của A3 là xung dương Khi đó đầu ra của OA3 là chuỗi xung vuông liên tiếp. 4. Khâu tạo điện áp răng cưa T Mạch tạo xung răng cưa Mạch làm nhiệm vụ tạo điện áp răng cưa đồng bộ đưa vào cửa đảo của khâu so sánh . Mạch tạo đIện áp răng cưa dùng khuếch đại thuật toán, tín hiệu điều khiển đóng ngắt quá trình phóng nạp của tụ C1 là xung đồng bộ U2 qua 1 cực G của MOS FET T 5. Khâu tạo điện áp đông pha Để mở 6 tiristo cần khâu tạo điện áp 6 pha lầm điện áp đồng bộ. Góc được tính từ giaođiểm của điện áp nguồn vì vậy điện áp đồng bộ vượt trước điện áp nguồn góc . Sử dụng MBA 3 pha khâu điện áp đồng bộ UII Ud UI U2-1 UV UIV UVI