Thiết kế hệ truyền động động cơ một chiều dùng phương pháp chỉnh lưu (hệ truyền động thyristor - Động cơ) cho động cơ quay chi tiết máy mài tròn

lời nói đầu Trong mọi ngành sản xuất hiện nay, các công nghệ tiên tiến, các dây chuyền và thiết bị hiện đại đang từng ngày, từng giờ được ứng dụng vào nước ta. Với chính sách mở cửa của Đảng và Nhà nước ta hiện nay, chắc chắn các công nghệ tiên tiến và hiện đại của thế giới sẽ ngày càng được áp dụng hiệu quả vào Việt Nam với quy mô, số lượng, chất lượng một cách nhanh chóng. Tác dụng của các công nghệ mới và dây chuyền sản xuất hiện đại đã góp phần thúc đẩy sự nghiệp Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nước mà Nghị quyết Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ VIII và lần thứ IX đã đề ra. Sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia phụ thuộc rất nhiều vào mức độ cơ giới hoá và tự động hoá các quá trình sản xuất. Với vai trò là mũi nhọn của kỹ thuật hiện đại, lĩnh vực tự động hoá đang phát triển với tốc độ ngày càng cao. Những thành tựu của lý thuyết Điều khiển tự động, Tin học công nghiệp, Điện tử công suất, Kỹ thuật đo lường.... đã và đang được triển khai trên quy mô rộng lớn, tạo nên những thiết bị và dây chuyền công nghiệp sản xuất tự động với năng suất cao và chất lượng tốt. Trong quá trình sản xuất, việc tự động hoá một dây chuyền sản xuất đóng vai trò rất quan trọng. Nó là cầu nối giữa các hạng mục sản xuất, giữa các phân xưởng trong nhà máy, giữa các máy công tác trong một dây chuyền. Việc điều khiển hoạt động của các dây chuyền hiện đại, tiên tiến cũng ngày càng đa dạng và phức tạp. Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản xuất. Đặc biệt trong dây chuyền sản xuất tự động hiện đại, truyền đồng điện đóng góp vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Vì vậy, các hệ truyền động điện luôn luôn được quan tâm nghiên cứu nâng cao chất lượng để đáp ứng các yêu cầu công nghệ mới với mức độ tự động hoá cao. Việc tăng năng suất máy sản xuất và giảm giá thành thiết bị điện của máy là hai yêu cầu cần chủ yếu đối với hệ thống truyền động điện và tự động hoá sản xuất nhưng chúng lại mâu thuẫn nhau. Một bên đòi hỏi sử dụng các hệ thống phức tạp, một bên lại yêu cầu hạn chế số lượng thiết bị chung trên máy và số thiết bị cao cấp. Vậy việc lựa chọn một hệ thống truyền động diện và tự động hoá thích hợp cho cơ cấu sản xuất là một bài toán khó. Với việc ứng dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử - tin học, các hệ truyền động điện được phát triển và có thay đổi đáng kể. Đặc biệt, do công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện không những đáp ứng được yêu cầu tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thước và hạ giá thành của hệ truyền động. Hệ truyền động điện một chiều có một ưu thế rất nổi bật là khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời có thể đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Chính vì vậy mà truyền động điện một chiều đóng một vai trò quan trọng trong các dạng truyền động điện đang dùng, nhất là trong các lĩnh vực đòi hỏi khả năng điều khiển linh hoạt như trong các máy sản xuất... Xuất phát từ những vấn đề liên quan tới hệ truyền động điện một chiều, bản đồ án này sẽ nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền động một chiều sử dụng nguồn chỉnh lưu điều khiển Thyristor cho động cơ quay chi tiết của máy mài tròn. Trong phạm vi nhiệm vụ được giao của bản đồ án, ngoài việc tính toán các thông số và giá trị cần thiết cho mạch động lực và mạch điều khiển, thiết kế mạch điều khiển... em dành sự quan tâm chủ yếu cho việc xây dựng cấu trúc điều khiển tổng hợp hệ truyền động T-Đ, thiết kế các bộ điều chỉnh cho mạch vòng phản hồi nối cấp, thực hiện mô phỏng các đặc tính hệ thống bằng chương trình Simulink... Trong quá trình thiết kế, với sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Tự động hoá XNCN và của các bạn sinh viên khác cộng với sự nỗ lực của bản thân, em đã hoàn thành được bản đồ án này. Tuy nhiên, do thời gian tương đối ngắn và trình độ chuyên môn còn hạn chế nên bản đồ án không tránh khỏi thiếu sót. Em mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo và các bạn để bản đồ án này được hoàn thiện hơn. Sinh viên thực hiện Hà Đăng Chính đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động của máy mài tròn Đặc điểm công nghệ Giới thiệu chung Máy mài có hai loại chính: Máy mài tròn và máy mài phẳng. Ngoài ra, còn có các loại máy khác nhau: máy mài vô tâm, máy mài rãnh, máy mài cắt, máy mài răng... Thường trên máy mài có ụ chi tiết hoặc bàn để kẹp chi tiết và ụ đá mài, trên đó có trục chính với đá mài. Cả hai ụ đều đặt trên bệ máy. Hình 1-1. Sơ đồ phân loại máy mài công nghiệp Máy mài tròn có hai loại: máy mài tròn ngoài và máy mài tròn trong. Sơ đồ biểu diễn công nghệ mài tròn được biểu diễn trên hình 1-2. Hình 1-2. Sơ đồ gia công chi tiết trên máy mài tròn Các dạng chuyển động trong máy mài tròn gồm có: - Chuyển động chính là chuyển động quay của đá mài. - Chuyển động ăn dao là di chuyển tịnh tiến của ụ đá ăn dao theo hường dọc trục (ăn dao dọc trục) hoặc theo hướng ngang trục (ăn dao ngang), hoặc chuyển động quay của chi tiết (ăn dao vòng). - Chuyển động phụ là di chuyển nhanh của ụ đá hoặc chi tiết... Yêu cầu truyền động điện máy mài tròn Truyền động chính Thông thường truyền động chính máy mài không yêu cầu điều chỉnh tốc độ nên sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. ở máy mài cỡ nặng, để duy trì tốc độ cắt không đổi khi mòn đá hay kích thước chi tiết gia công thay đổi, thường sử dụng truyền động động cơ có phạm vi điều chỉnh tốc độ là D=2 á 4/1 với công suất không đổi. ở máy mài trung bình và nhỏ v = 50 á 80 m/s nên đá mài có đường kính lớn thì tốc độ quay của đá khoảng 1000 vòng/phút. ở những máy có đường kính nhỏ, tốc độ đá rất cao. Động cơ truyền động là các động cơ đặc biệt có tốc độ 24000 á 48000 vòng/phút hoặc có thể lên tới 150000 á 200000 vòng/phút, đá mài gắn trên trục động cơ. Nguồn của động cơ là các bộ biến tần, có thể là các máy phát tần số cao - biến tần quay hoặc là các bộ biến tần tĩnh - biến tần thyristor. Mômen cản tĩnh trên trục động cơ thường là 15 á 20% mômen định mức. Mômen quá tính của đá và cơ cấu truyền lực lại lớn 500 á 600% mômen quán tính của động cơ, do đó cần hãm cưỡng bức động cơ quay đá và không yêu cầu đảo chiều quay động cơ quay đá. Truyền động ăn dao ở máy cỡ nhỏ, truyền động quay chi tiết dùng động cơ không đồng bộ nhiều cấp tốc độ (điều chỉnh số đôi cực p) với D = (2 á 4)/1. ở các máy lớn thì dùng hệ thống bộ biến đổi - động cơ điện một chiều (BBĐ - ĐM), hệ KĐT - ĐM có D = 10/1 với phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp phần ứng. Truyền động ăn dao dọc của bàn máy tròn cỡ lớn thực hiện theo hệ BBĐ - ĐM với dải điều chỉnh tốc độ D = (20 á 25)/1 còn truyền động ăn dao ngang sử dụng thuỷ lực. Truyền động phụ Sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. Đặc tính cơ của máy mài Đặc tính của cơ cấu sản xuất được khái quát bằng phương trình: trong đó: Mco - Mômen ứng với tốc độ w=0 Mdm - Mômen ứng với tốc độ định mức wdm Mc - Mômen ứng với tốc độ w q - số mũ phụ thuộc vào loại cơ cấu sản xuất. Với máy mài nói riêng và máy cắt gọt kim loại nói chung, q thường nhận hai giá trị q=1 (ứng với truyền động chính và P = const) và q=0 (ứng với truyền động ăn dao Mc = Mđm = const). Trong thực tế, đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất không giữ được cố định theo một quy luật trong toàn bộ phạm vi điều chỉnh tốc độ mà thay đổi theo điều kiện công nghệ hoặc điều kiện tự nhiên. Đối với truyền động chính máy mài tròn, nói chung công suất không đổi (P = const) khi tốc độ thay đổi còn mômen tỷ lệ ngược với tốc độ . Như vậy, ở tốc độ thấp, mômen có thể lớn nên kích thước các bộ phận cơ khí phải chọn lớn lên, điều đó không có lợi. Mặt khác, thực tế sản xuất cho thấy rằng các tốc độ thấp chỉ dùng cho các chế độ làm việc nhẹ (Fz và Pz nhỏ). Vì vậy, ở vùng tốc độ thấp, người ta giữ mômen không đổi còn công suất thay đổi theo quan hệ bậc nhất với tốc độ. Đối với truyền động ăn dao, nói chung mômen không đổi khi điều chỉnh tốc độ. Tuy nhiên, ở vùng tốc độ thấp, lượng ăn dao s nhỏ, lực cắt Fz bị hạn chế bởi chiều sâu cắt tới hạn t. Trong vùng này, khi tốc độ ăn dao giảm, lực ăn dao và mômen ăn dao cũng giảm theo. ở vùng tốc độ cao, tương ứng với tốc độ vz của truyền động chính cũng phải lớn, nếu giữ Fad lớn như cũ thì công suất truyền động sẽ quá lớn. Do đó, cho phép giảm nhỏ lực ăn dao trong vùng này, mômen truyền động ăn dao cũng giảm theo. Hình 3-1. Đồ thị đặc tính phụ tải của máy mài Một hệ thống truyền động điện có điều chỉnh gọi là tốt nếu đặc tính điều chỉnh của nó giống đặc tính cơ của máy. Khi đó, động cơ được sử dụng hợp lý nhất tức là có thể làm việc đầy tải ở mọi tốc độ. Nhờ đó, hệ thống truyền động đặt được các chỉ tiêu năng lượng cao. Nói cách khác, có thể lựa chọn động cơ có kích thước nhỏ nhất cho máy. Hình 3-2. Quan hệ M(w) và P(w) của động cơ một chiều kích từ độc lập Đặc tính điều chỉnh của truyền động điện là quan hệ giữa công suất hoặc mômen của động cơ với tốc độ. Với động cơ một chiều kích từ độc lập, khi điều chỉnh điện áp phần ứng và giữ từ thông máy không đổi ta sẽ có: M = kFIu = const; P = Mw º w Khi điều chỉnh từ thống, giữ điện áp phần ứng không đổi thì M = kFIu º ; P = Mw = const Kết hợp cả hai phương pháp điều chỉnh, ta có đồ thị như hình 3-2. Đặc tính điều chỉnh ở vùng này có dạng giống đặc tính cơ của truyền động chính. Một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng một hệ thống truyền động điện là độ ổn định tốc độ Dw%. Đường đặc tính cơ càng cứng thì độ ổn định tốc độ càng cao. Nói chung, truyền động ăn dao yêu cầu Dw% Ê (5 á 10)% còn truyền động chính yêu cầu Dw% Ê (5 á 15)%. thiết kế hệ truyền động Các 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 thoả mãn yêu cầu đặt ra. Bằng việc phân tích, đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật các hệ truyền động này, kết hợp tính khả thi cụ thể mà ta có thể lựa chọn được một vài phương án hoặc một phương án duy nhất để thiết kế. Lựa chọn phương án truyền động tức là phải xác định được loại động cơ truyền động một chiều hay xoay chiều, phương pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặc tính tải, sơ đồ nối bộ biến đổi đảm bảo yêu cầu truyền động. Từ những phân tích về đặc điểm công nghệ, yêu cầu truyền động của máy mài tròn và nhiệm vụ thiết kế, để điều chỉnh tốc độ động cơ quay chi tiết máy mài tròn, ta phải điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ, giữ từ thông không đổi. Với phương án điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp phần ứng và giữ từ thông động cơ không đổi thì ta có các phương án truyền động sau: Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (Hệ F-Đ). Hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển thyristor- động cơ một chiều ( Hệ T-Đ). Hệ thống điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều ( Hệ XA-Đ). Hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ dùng phương pháp điều chỉnh tần số (Hệ Biến tần - Động cơ) Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (F-Đ) Cấu trúc hệ F-Đ Hệ thống máy phát - động cơ (hệ F-Đ hay Ward-Léonard) 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 4-1. Sơ đồ nguyên lý hệ F-Đ. Sơ đồ nguyên lý một hệ F-Đ được thể hiện trên hình 4-1. Động cơ Đ truyền động quay chi tiết của máy mài M được cấp điện từ máy phát F. Động cơ sơ cấp kéo máy phát F với tốc độ không đổi là động cơ điện không đồng bộ ĐK. 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. Đặc điểm của hệ F-Đ 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. 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. 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. Các đặc điểm khác: 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. Vốn đầu tư ban đầu và diện tích lắp đặt lớn. Hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển - động cơ một chiều Tốc độ động cơ điện một chiều có thể được điều chỉnh trong phạm vi rộng và bằng phẳng nhờ hệ chỉnh lưu - động cơ (hay hệ truyền động van một chiều) trong đó các bộ chỉnh lưu là điều khiển được. Các van điều khiển có thể là đèn thyraton, đèn thuỷ ngân, thyristor. Hiện nay, do công nghệ chế tạo bán dẫn công suất phát triển nên các thyristor được sử dụng rộng rãi để tạo ra các bộ chỉnh lưu có điều khiển bởi những tính chất ưu việt: gọn nhẹ, tổn hao ít, quán tính nhỏ, tác động nhanh, công suất khống chế nhỏ... Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển - động cơ một chiều (CL-Đ), bộ biến đổi có sức điện động Eđ phụ thuộc giá trị của pha xung điều khiển (góc điều khiển a). Chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng kích từ động cơ. Tùy theo yêu cầu cụ thể của truyền động mà có thể dùng các sơ đồ chỉnh lưu thích hợp (chỉnh lưu cầu, chỉnh lưu tia ...). Các bộ chỉnh lưu thyristor dùng trong truyền động điện một chiều tạo thành hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ (hệ T-Đ). Hệ truyền động thyristor-động cơ (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 4.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động T-Đ. Đặc tính cơ của hệ 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). Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào góc điều khiển a: . Tuy nhiên, tốc độ không tải lý tưởng này chỉ là giao điểm cảu trục tung với đoạn thẳng của đặc tính cơ kéo dài. Thực tế, do có vùng dòng điện gián đoạn, tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính là lớn hơn. Hình 4-3. Đặc tính cơ hệ T-Đ. Họ đặc tính cơ của hệ thống trong trường hợp này như trên hình 4-3 khi điều chỉnh ở vùng dưới tốc độ định mức. 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. 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 4-3. Đặc điểm hệ truyền động Thyristor - động cơ 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. Hệ thống truyền động điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều (XA-Đ) Hệ truyền động điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều (XA-Đ) sử dụng bộ điều chỉnh xung áp một chiều, trong đó các bộ khoá điện tử đóng vai trò cơ bản. Bộ điều chỉnh xung điện áp một chiều được sử dụng khi có sẵn nguồn một chiều cố định mà cần phải điều chỉnh được điện áp ra tải. Các bộ băm xung một chiều hoạt động theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn với tải một cách chu kỳ theo một số luật khác nhau. Phần tử thực hiện nhiệm vụ đó là các van bán dẫn. Song do chúng làm việc trong mạch một chiều nên khi dùng loại thyristor thông thường nó không được khoá lại một cách tự nhiên ở giai đoạn âm của điện áp nguồn như khi làm việc với nguồn xoay chiều. Do đó, buộc phải có một mạch chuyên dụng để khoá thyristor gọi là "mạch khoá cưỡng bức", gây nhiều khó khăn trong thực tế. Vì vậy, hiện nay ta cố gắng sử dụng các loại van điều khiển cả đóng và ngắt như transistor bipolar, MOSFET và IGBT ở những dải công suất mà các van này chịu được. Riêng với mạch công suất lớn vẫn phải dùng thyristor. Trong hệ truyền động điện, các bộ điều chỉnh xung áp một chiều chủ yếu áp dụng cho các động cơ điện một chiều có phụ tải dạng kéo (tàu điện, xe điện...). Hình 4-4. Sơ đồ nguyên lý một hệ truyền động XA-Đ. Nguyên tắc của các hệ truyền động XA-Đ là thay đổi tốc độ động cơ qua điện áp đặt vào phần ứng động cơ một chiều. Điện áp này là một điện áp ra của bộ XA tính theo giá trị trung bình : Uư = sUng, trong đó: Uư là điện áp phần ứng động cơ,Ung là điện áp một chiều cần băm , s là hệ số lấp đầy xung: với tt, tk là thời gian thông và khoá của bộ khoá điện tử. Do đó, khi điều chỉnh tốc độ động cơ qua điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, cần thay đổi hệ số s của bộ XA. Hệ số này có thể thay đổi bằng 3 phương pháp: thay đổi tt, T hoặc cả hai. Hệ truyền động điện động cơ không đồng bộ dùng phương pháp điều chỉnh tần số Hệ truyền động điện động cơ không đồng bộ 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. Khác với động cơ một chiều, động cơ KĐB đươc cấu tạo phần cảm và phần ứng không tách biệt, từ thông động cơ cũng như mômen động cơ sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham số. Do vậy, hệ điều chỉnh tự động truyền động điện KĐB là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến mạnh. Trong định hướng xây dựng hệ truyền động điện động cơ không đồng bộ, người ta có xu hướng tiếp cận với các đặc tính điều chỉnh của truyền động điện một chiều. ứng dụng chủ yếu của các thiết bị bán dẫn công suất để điều chỉnh tốc độ xoay chiều là các bộ nghịch lưu có tần số thay đổi. Để có được các đặc tính điều khiển có thể so sánh được với đặc tính động cơ một chiều, cần sử dụng thiết bị điều khiển và thiết bị công suất phức tạp hơn. Do đó, ta thường sử dụng truyền động điện xoay chiều cho các hệ truyền động có tốc độ không đổi. Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp tần số: Hình 4-5. 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. Biến tần trực tiếp (cycloconverter): Có sơ đồ cấu trúc đơn giản (hình 4.6a). 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 4-6. Cấu trúc biến tần trực tiếp (a) và nghịch lưu độc lập (b) b. Biến tần gián tiếp (có khâu trung gian một chiều) – nghịch lưu độc lập: Sơ đồ cấu trúc được trình bày trên hình 4-6b. 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 phục 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. Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lưu phải là nguồn dòng điện, tức là dòng điện không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển. Nguồn dòng thường được tạo ra bằng một bộ chỉnh lưu có đầu ra nối tiếp với điện cảm có giá trị lớn. 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 Thyristor - động cơ một chiều kích từ độc lập. Xác định các thông số động cơ truyền động Các thông số kỹ thuật hệ thống Mômen cực đại (Mmax): 25 (Nm) Tốc độ quay chi tiết (n): 20 á1000 (Vòng/phút) Tỷ số truyền (i): 3 Hiệu suất (h): 0,8 Mômen quán tính cơ cấu (J): 0,008 (kgm2) Chọn công suất động cơ cho truyền động quay chi tiết máy mài tròn Để tính chọn công suất động cơ trong trường hợp truyền động có điều chỉnh tốc độ, ta cần xác định các yêu cầu cơ bản sau: Đặc tính phụ tải truyền động Pc(w), Mc(w): Phụ tải truyền động yêu cầu điều chỉnh tốc độ với M = const. Khi đó, công suất yêu cầu cực đại Pmax = Mđm.wmax Hình 5. Đặc tính phụ tải Phạm vi điều chỉnh tốc độ wmax và wmin. wmin = i. wcmin = i.=3. = 6,283 (rad/s) hay nmin= 60(vòng/phút) wmax = i. wcmax = i.=3. = 314,159 (rad/s) hay nmax= 3000(vòng/phút) Dải điều chỉnh tốc độ: =50:1 Phương pháp điều chỉnh và bộ biến đổi trong hệ thống truyền động: Điều chỉnh điện áp phần ứng sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển (thyristor). Loại động cơ truyền động: động cơ một chiều kích từ độc lập. Đặc điểm của phụ tải truyền động động cơ quay chi tiết máy mài tròn là giữ M = const trong phạm vi điều chỉnh tốc độ. Do đó, ta có yêu cầu công suất cực đại Pmax = .Mđm.wmax = .Mcmax.wcmax = .25. 3272,5 (W) 3,3 (kW) Ta chọn loại động cơ P31 của Nga với các thông số sau: Pđm = 3,3 (kW) Uđm = 220 (V) Iđm = 17,5 (A) nđm = 3000 (vòng/phút) R = Rư + Rcp = 0,642(W) Fđm = 5,7 (mWb) Ikt = 0,62 (A) Jđ = 0,09 (kg.m2) 2a = 2 Xác định các thông số động cơ Điện cảm phần ứng Lư =0,0235(H) = 23,5 (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 = 0,67 Mômen quán tính J = Jđ + Jc = 0,09 + 0,008 = 0,098 (kg.m2) Hằng số thời gian cơ học Tc = 0,2803 (s) Hằng số thời gian mạch phần ứng Tư =0,0366 (s) Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: = 328,36 – 1,43M Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: = 328,36 – 0,96Iư Thiết kế bộ biến đổi chỉnh lưu Thyristor Yêu cầu đối với bộ chỉnh lưu: Nguồn điện xoay chiều: 3x380V, 50Hz Bộ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển Điện áp chỉnh lưu: Ud = 220 V Dòng chỉnh lưu: Id = 17,5 A Độ nhấp nhô thấp Vì công suất nhỏ (Pd = 3,85 kVA), đường kính dây quấn nhỏ nên sẽ có lợi nếu ta tăng số vòng dây lên lần và giảm tiết diện dây đilần. Để làm việc này, phía sơ cấp sẽ đấu kiểu D, phía thứ cấp đấu Y (D/Y). Tính chọn máy biến nguồn Máy biến áp nguồn dùng để tạo điện áp U2 phù hợp với điện áp động cơ và cách ly phần mạch lực bộ biến đổi với lưới điện. Máy biến áp công suất cỡ chục kVA thuộc loại máy biến áp công suất nhỏ, sụt áp trên điện trở tương đối lớn (khoảng 4%) còn sụt áp trên điện kháng ít hơn (khoảng 1,5%). Điện áp sụt trên hai thyristor nối tiếp khoảng 2V. Điện áp chỉnh lưu không tải: Udo = 220.1,055 + 2 = 234V Giá trị hiệu dụng điện áp thứ cấp máy biến áp (nối D/Y): = 100 (V) Tỷ số máy biến áp: k = = 3,8 Dòng thứ cấp máy biến áp: I2 = = 14,3(A) Công suất máy biến áp: P = 3.U2.I2 = 3.100.14,3 = 4290 (VA) 4,29 (kVA). Chọn van thyristor trong bộ biến đổi Giá trị dòng trung bình chảy qua mỗi van: = 5,83 (A) Giá trị dòng cực đại qua mỗi van: Ivmax = Id = 17,5 (A) Giá trị điện áp ngược đặt lên mỗi van: Ungmax = 2,45.U2 = 2,45.100 = 245 (V) Từ những tính toán trên, với chế độ làm mát bằng quạt gió thì các thông số cần của mỗi van trong mạch chỉnh lưu cầu ba pha là: Ungt ³ 1,6. Ungmax = 1,6 . 245 = 392 (V) It ³ 1,5. Imax = 1,5.17,5 = 26,25 (A) Ta có thể chọn van T50 của Liên Xô(cũ) để chịu được các điều kiện dòng và áp trong mạch. Các thông số của van được cho trong bảng sau: Itb Utm DU toff Ig Ug A V V ms A V A/ms V/ms 50 400 1 100 0,3 7 50 250 Chế độ làm việc của bộ chỉnh lưu 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 = = 0,852 (A) < Iđm Hình 6.1 Biên giới vùng gián đoạn và vùng liên tục của đặc tính cơ - điện Vậy chế độ làm việc của bộ biến đổi là chế độ dòng điện liên tục có xét đến hiện tượng trùng dẫn. Bảo vệ sự cố trên hệ thống truyền động điện Mạch bảo vệ được thiết lập để đảm bảo an toàn và tránh gây tổn thất cho người vận hành và thiết bị. Do vậy, quan điểm khi xây dựng mạch bảo vệ là phải có biện pháp phòng chống các sự cố và các trạng thái làm việc bất thường xảy ra nhămg hạn chế tổn thất ở mức độ thấp nhất. Mặt khác, các phần tử bán dẫn công suất trong bộ biến đổi cũng phải được bảo vệ chống những sự cố bất ngờ, những nhiễu loạn nguy hiểm như ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, quá điện áp hoặc quá dòng điện qua van, quá nhiệt trong thiết bị biến đổi. Bảo vệ cắt khẩn cấp trên mạch động lực: Như ngắn mạch ở bộ biến đổi hệ thống truyền động, mất kích từ động cơ, quá tốc độ, quá dòng, quá điện áp phần ứng, đánh lửa gây ngắn mạch ở vành góp, ngắn mạch một số vòng dây của máy biến áp nguồn... Mạch bảo vệ thực hện cắt khẩn cấp bằng các thiết bị đóng cắt truyền thống như cầu chì, áptômát, rơle.. kết hợp với bảo vệ ở mạch điều khiển như khoá thyristor, cắt nguồn nuôi, khoá các bộ điều chỉnh... Thiết bị bảo vệ dòng điện ngắn mạch bên sơ cấp biến áp của bộ biến đổi, ngắn mạch bên phía thứ cấp của biến áp nguồn nhưng nằm ngoài bộ biến đổi, ngắn mạch bên trong hệ truyền điện (bộ biến đổi và động cơ) sử dụng cầu chì. Để bảo vệ mất từ thông, sử dụng rơle bảo vệ mất từ thông. Sử dụng rơle bảo vệ quá nhiệt để bảo vệ quá nhiệt động cơ, máy biến áp... Bảo vệ trong bộ biến đổi a. Bảo vệ quá nhiệt Khi thyristor được điều khiển mở cho dòng chảy qua van, công suất tổn thất bên trong sẽ đốt nóng chúng, trong đó mặt ghép là nơi bị đốt nóng lớn nhất. Ngoài ra, quá trình chuyển mạch van cũng gây ra tổn thất điện năng. Do các thiết bị bán dẫn nói chung rất nhạy cảm với nhiệt độ, mọi sự quá nhiệt độ trên van dù chỉ diễn ra trong thời gian ngắn cũng có thể phá hỏng van, nên để bảo vệ quá nhiệt trên van, ta sử dụng các biện pháp làm mát cưỡng bức. Biện pháp làm mát thông dụng nhất là quạt không khí xung quanh cánh tản nhiệt (làm mát bằng gió). Đối với thiết bị bán dẫn công suất lớn hơn, ta có thể cho nước trực tiếp chảy qua cánh tản nhiệt (làm mát bằng nước) hoặc ngâm cả thiết bị bán dẫn vào dầu biến thế. Trong đồ án này, việc thiết kế bảo vệ quá nhiệt cho thyristor thực hiện bằng phương pháp làm mát cưỡng bức bằng gió với hệ số bảo vệ quá nhiệt trên van là ki=1,5 và ku=1,6. b. Bảo vệ quá điện áp trên van Để bảo vệ quá áp trên van, ta sử dụng mạch RC, bảo vệ từng thyristor: Mạch đấu song song với van dùng để bảo vệ quá điện áp do các nguyên nhân nội tại gây ra – sự tích tụ điện tích trong lớp bán dẫn trong quá trình làm việc của van sẽ tạo ra dòng điện ngược khi khoá van trong khoảng thời gian rất ngắn, do đó làm xuất hiện suất điện động cảm ứng rất lớn trên các điện cảm đường dây nối. Mạch RC đấu giữa các nguồn pha dùng để bảo vệ quá áp do các nguyên nhân bên ngoài mang tính ngẫu nhiên – hiện tượng sấm sét, một cầu chì bảo vệ bị nhảy, cắt không tải máy biến áp... Các trị số linh kiện bảo vệ được chọn dựa vào các trị số kinh nghiệm: C = 1mF và R = 1KW. Hình 6.2 là sơ đồ bảo vệ mạch chỉnh lưu cầu ba pha có đầy đủ các phần tử bảo vệ quá dòng và quá áp. Hình 6.2 Sơ đồ bộ biến đổi có bảo vệ quá dòng và quá áp