PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG
Phân tích, lựa chọn phương án truyền động điện
1.1.1 Giới thiệu chung Để thiết kế hệ thống truyền động cho một đối tượng truyền động ta phải căn cứ vào đặc điểm công nghệ của nó, căn cứ vào chỉ tiêu chất lượng mà đưa ra phương án hợp lý Với mỗi một đối tượng truyền động có thể thực hiện bằng các truyền động khác nhau Mỗi phương án đều có những ưu nhược điểm của nó, nói chung phương án đưa ra cần đảm bảo các yêu cầu của đối tượng cần truyền động Phải đảm bảo được các chỉ tiêu về mặt kỹ thuật cũng như về mặt kinh tế, trong đó chỉ tiêu kỹ thuật là quan trọng hàng đầu Thông thường một hệ thống tốt hơn về mặt kỹ thuật cũng như tốn kém hơn về mặt kinh tế Do vậy tuỳ thuộc yêu cầu chất lượng và độ chính xác của sản phẩm ta cho chọn hệ thống truyền động điện nhằm đưa ra một hệ thống đảm bảo yêu cầu mong muốn.
Việc chọn phương án truyền động điện có vai trò quan trọng trong chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế của sản xuất Lựa chọn đúng giúp tăng năng suất, giảm hành trình thừa và nâng cao chất lượng sản phẩm, từ đó cải thiện hiệu quả kinh tế Ngược lại, lựa chọn sai có thể dẫn đến tổn thất không mong muốn và ảnh hưởng tiêu cực đến toàn bộ quy trình sản xuất.
1.1.2 Lựa chọn động cơ và phương pháp điều chỉnh tốc độ
Việc lựa chọn động cơ là một yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống truyền động điện, vì động cơ là thiết bị truyền chuyển động chính và là đối tượng điều khiển của hệ thống tự động Động cơ cần phải đáp ứng các yêu cầu công nghệ, phù hợp với tính chất công suất của tải, đồng thời đảm bảo tiêu chí như tổn hao năng lượng thấp, giá thành hợp lý, hoạt động tin cậy, chi phí vận hành hàng năm nhỏ, và dễ dàng trong lắp đặt, thay thế cũng như sửa chữa Để chọn động cơ phù hợp, cần xem xét các loại động cơ khác nhau.
Trong công nghiệp động cơ dùng trong hệ truyền động điện gồm hai loại: Động cơ điện xoay chiều :
- Động cơ không đồng bộ :.
- Động cơ đồng bộ Động cơ điện một chiều :
- Động cơ một chiều kích từ độc lập
- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp
- Động cơ một chiều kích từ song song.
- Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp
+ Động cơ không đồng bộ: Ưu điểm :
Rôto lồng sóc có cấu tạo đơn giản, mang lại ưu điểm vượt trội so với máy điện một chiều Với giá thành thấp và khả năng vận hành tin cậy, loại máy này có thể sử dụng trực tiếp với điện lưới mà không cần thiết bị biến đổi nào khác.
- Giá thành rẻ, vận hành dễ dàng bảo quản thuận tiện.
- Sử dụng rộng rãi và phổ biến trong phạm vi công suất nhỏ và vừa. Nhược điểm :
- Điều khiển và khống chế các quá trình quá độ khó khăn, với động cơ lồng sóc thì chỉ tiêu khởi động xấu hơn.
- Không sử dụng được lúc non tải hoặc không tải.
- Khó điều chỉnh tốc độ.
- Đặc tính mở máy không tốt, dòng mở máy lớn (gấp 6-7 lần dòng định mức).
+ Động cơ đồng bộ Ưu điểm:
- Có độ ổn định tốc độ cao hệ số cos và hiệu suất lớn , vận hành có độ tin cậy cao
- Mạch stato tương tự động cơ không đồng bộ , mạch roto có cuộn kích từ và cuộn dây khởi động
- Khi đóng điện động cơ làm việc với tốc độ không đổi và bằng tốc độ đồng bộ
Máy đồng bộ có bộ biến đổi đồng thời là bộ biến tần, dẫn đến hệ thống phức tạp và chi phí cao tương tự như bộ biến đổi của động cơ Rôto lồng sóc Việc sử dụng máy điện đồng bộ yêu cầu công nghệ chất lượng cao, tuy nhiên thời gian mở máy lâu sẽ ảnh hưởng đến năng suất lao động Trong khi đó, động cơ điện một chiều nổi bật với độ tin cậy cao, mô men lớn và khả năng điều chỉnh tốc độ đơn giản hơn so với máy điện xoay chiều.
- Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ.
- Có nhiều phương pháp hãm tốc độ.
- Tốn nhiều kim loại màu.
- Chế tạo bảo quản khó khăn.
- Giá thành đắt. Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp ít dùng vì vậy ta sẽ đi nghiên cứu hai loại trên
Trong 3 loại kích từ của động cơ điện một chiều ta thấy loại động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp có kết cấu phức tạp giá thành cao nên ít được sử dụng Kích từ nối tiếp thì cho đặc tính cơ mềm, từ thông phụ thuộc vào dòng điện tải, tiết diện dây lớn, độ ổn định tốc độ kém thay đổi nhanh khi tải thay đổi. Kích từ độc lập thì từ thông chính không phụ thuộc vào tải, tiết diện dây kích từ nhỏ, có thể điều chỉnh tăng giảm thừ thông theo mong muốn, dải điều chỉnh tốc độ cao, có thể điều chỉnh trơn Từ sự so sánh tương quan trên em chọn loại kích từ độc lập Ở đây em chọn động cơ một chiều kích từ độc lập làm động cơ cho truyền động chính và chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp mạch phần ứng vì những ưu điểm nổi bật chúng như sau : Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập.
- Phương trình đặc tính cơ điện : I
- Phương trình đặc tính cơ:
Sơ đồ nguyên lý , đồ thị đặc tính cơ và đặc tính cơ điện cho như hình vẽ :
- Đặc tính cơ có dạng đường thẳng và có độ cứng cao Khi động cơ làm.
- Việc với tốc độ không đổi thì mômen điện từ bằng mômen cản trên trục.
- Động cơ Điểm làm việc tương ứng với điểm giao giữa đặc tính của động.
- Cơ và đặc tính mômen cản của phụ tải
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ.
Từ phương trình đặc tính cơ ta đưa ra các phương pháp điều chỉnh tốc độ như sau :
- Phương pháp thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng động cơ
- Phương pháp thay đổi từ thông
- Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng
Ở đây em chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt lên phần ứng động cơ.
Vì nó có những đặc điểm như sau :
Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng cho như hình vẽ ®c c k t n omax = n o 1 n m u ®k bb® n omin = n o 5 n o 2 n o 3 n o 4
Khi U giảm thì tốc độ giảm cũng giảm khi U giảm
Trong đó Kqt : hệ số quá tải Kqt < 2 Độ trơn điều chỉnh :
Phương pháp này được đánh giá cao nhờ khả năng điều chỉnh triệt để, cho phép điều chỉnh tốc độ trong mọi vùng tải, kể cả khi không tải lý tưởng Nó đảm bảo sai số tốc độ thấp, khả năng quá tải lớn, dải điều chỉnh rộng và tổn thất năng lượng tối thiểu.
- Phần tử điều khiển nằm ở mạch điều khiển bộ biến đổi nên độ tinh điều khiển cao , thao tác nhẹ nhàng và khả năng tự động hoá cao
- Khi thay đổi U độ cứng đặc tính cơ không thay đổi nên giảm sai lệch tĩnh
- Đặc biệt phương pháp này rất thích hợp với loại tải mang tính chất phản kháng và bằng hằng số ( Mc = const )
1.1.3 Phân tích chọn bộ biến đổi
Cấu trúc mạch lực trong hệ thống truyền động điều chỉnh động cơ luôn yêu cầu có bộ biến đổi, nhằm cung cấp điện cho mạch phần ứng hoặc mạch kích từ của động cơ.
Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng 4 bộ biến đổi chính:
- Bộ biến đổi máy điện gồm : Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy khuếch đại.
- Bộ biến đổi điện từ : Khuếch đại từ
- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : Chỉnh lưu Tiristor hoặc Diôt
- Bộ biến đổi chỉnh lưu không điều khiển + xung áp một chiều :
Sau khi xem xét bốn phương án sử dụng bộ biến đổi, chúng tôi đã đánh giá các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, khả năng vận hành và điều kiện phát triển của khoa học kỹ thuật.
Em chọn phương án dùng T-Đ Vì phương án này có nhiều ưu điểm phù hợp với yêu cầu công nghệ như sau :
Trong bộ biến đổi van, các van có chức năng chuyển đổi nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều cung cấp cho phần ứng động cơ Giá trị nguồn một chiều này có thể điều chỉnh được thông qua việc thay đổi Uđk.
Khi điều chỉnh Uđk thông qua bộ phát xung (FX), các Tiristor sẽ được điều khiển để nhận được điện áp chỉnh lưu Việc thay đổi Uđk cho phép điều chỉnh góc mở của Tiristor (T), từ đó thay đổi giá trị điện áp đầu ra.
+ Ta có đặc tính cơ của BBĐ như sau:
Khi thay đổi góc điều khiển a từ 0 đến p, suất điện động chỉnh lưu biến đổi từ +Edmax đến -Edmax, dẫn đến các đặc tính song song nằm ở nửa bên phải của mặt phẳng tọa độ [w,I] Điều này xảy ra do van không cho phép dòng điện phần ứng đổi chiều Đặc tính cơ của hệ CL-Đ mềm hơn so với hệ F-Đ do ảnh hưởng của thành phần sụt áp DUk, gây ra bởi hiện tượng chuyển mạch giữa các van bán dẫn.
Hình 2 - Đặc tính cơ của hệ CL-Đ
Hệ thống này nổi bật với tính tác động nhanh, thiết kế gọn nhẹ và dễ dàng tạo ra hệ thống vòng kín Nó không chỉ nâng cao độ cứng và đặc tính cơ mà còn mở rộng phạm vi điều chỉnh Hệ thống cho phép điều chỉnh vô cấp với sai lệch tĩnh nhỏ.
+ Dễ tự động hoá hệ thống , tác động nhanh ,hoạt động tin cậy không gây ồn , không cần nền móng đặc biệt và hiệu suất cao
Hệ thống chịu ảnh hưởng lớn từ nhiệt độ, dẫn đến hiện tượng gián đoạn khi dòng chảy nhỏ Sự linh hoạt trong việc di chuyển giữa các trạng thái không cao, trong khi hệ thống đảo chiều lại phức tạp Thêm vào đó, khả năng quá tải của các van trong hệ thống cũng khá kém.
Do tính phi tuyến của các van, điện áp chỉnh lưu ra có dạng đập mạch cao, dẫn đến tổn thất phụ trong máy điện Điều này tạo ra các momen dao động và ảnh hưởng đến các truyền động công suất lớn, đồng thời làm xấu chất lượng điện áp của nguồn và lưới xoay chiều.
Hệ số công suất cosf của hệ nói chung là thấp.
1.1.4 Phân tích, lựa chọn phương pháp hãm dừng động cơ
- Hãm nhằm mục đích dừng hệ, giảm tốc hoặc giữ cho hệ thống đứng yên khi hệ thống đang chịu một lực có xu hướng gây chuyển động.
Với động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập có 3 trạng thái hãm:
THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG
Phân tích, lựa chọn mạch động lực
Bộ biến đổi van có nhiều sơ đồ đấu dây khác nhau, nhưng có thể phân chia thành hai loại chính: đấu dây hình tia và đấu dây hình cầu.
Theo yêu cầu đề tài sử dụng bộ biến đổi chỉnh lưu có điều khiển tia 3 pha nên ta sẽ đi phân tích bộ biến đổi này.
2.1.1 Sơ đồ nối dây hình tia
Hình 3: Sơ đồ nối dây hình tia
- Nguồn cấp 3 pha xoay chiều.
- Các diện trở R, động cơ (Đ), Cuộn kích từ (CKĐ), cuộn kích(CK).
- Một máy biến áp 3 pha.
- Ba pha Thyristor nối với tải như hình.
Khi chưa có D0 Giản đồ điện áp và dòng điện như sau :
Hình 4 : Giản đồ điện áp
Từ giản đồ điện áp ta thấy luôn tồn tại một phần điện áp âm
Hoạt động được tóm tắt như sau:
- Giả sử tại thời điểm ωt = α+π/6 thì T3 dẫn dòng , T1 , T2 khoá
- Tại thời điểm v1 uac > 0 đồng thời cho xung vào T1 mở , T3 đặt điện áp ngược nên khoá lại , T2 vẫn khoá ,ud = ua
- Đến ωt = π , ua = 0 và chuyển sang âm , nhưng T1 vẫn mở vì nhờ sđđ tự cảm của Ld ( đây chính là phần điện áp âm trên hình vẽ )
- Đến ωt = α+5π/6 = v2 thì uba > 0 và có xung điều khiển -> T2 dẫn dòng
Đến ωt = v3 Th× T3, các biến trở T thay nhau dẫn dòng, tạo ra dòng điện liên tục qua các T Điện áp trên tải được tính theo một biểu thức cụ thể Để loại bỏ phần điện áp âm, người ta thường mắc D0 song song với tải.
Lúc đó T1 chỉ dẫn đến ð là dừng dẫn ( do phần điện áp âm trên tải khép mạch qua D0 ) , T2 và T3 cũng tương tự Ưu Điểm:
- Chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện 1 chiều tốt hơn.
- Biên độ điện áp đập mạch tốt hơn.
- Thành phần sóng hài bậc cao bé hơn.
- Việc điều khiển các van bán dẫn cũng tương đối đơn giản hơn.
CHỌN VÀ PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Sau khi lựa chọn bộ chỉnh lưu cấp điện áp cho phần ứng động cơ, bước tiếp theo là điều chỉnh điện áp ra và tốc độ động cơ trong quá trình khởi động Việc này nhằm hạn chế dòng điện không vượt quá giá trị cho phép, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho hệ thống.
Để ổn định tốc độ trong mạch điều khiển, cần sử dụng công thức Ikđ=(2÷2,5)Iđm nhằm điều chỉnh tốc độ khi có xu hướng tăng hoặc giảm Mạch điều khiển phải phát sinh xung điều khiển cho các tiristor, giúp điều chỉnh điện áp ra tăng hoặc giảm để chống lại các hiện tượng quá tải Việc lựa chọn phương pháp điều khiển tối ưu và thiết kế sơ đồ mạch điều khiển đơn giản là rất quan trọng.
2.2.2.Các nguyên tắc điều khiển
Để van của bộ chỉnh lưu mở đúng thời điểm, ngoài việc cần có điện áp thuận, cần có điện áp điều khiển trên điện cực điều khiển và katot của van, thường được gọi là tín hiệu điều khiển Để đảm bảo hệ thống hoạt động theo yêu cầu, người ta sử dụng mạch điện tạo ra các tín hiệu này, được gọi là mạch điều khiển hay hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu.
Các dạng tín hiệu xung điều khiển :
Hình 5.Các dạng xung điều khiển
Các xung điều khiển được tính toán với độ dài phù hợp, thường từ 200 đến 600 μs, nhằm đảm bảo mở van hiệu quả cho mọi loại phụ tải trong sơ đồ làm việc, kèm theo một độ dự trữ nhất định.
Các hệ thống phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu hiện nay được phân chia thành hai nhóm chính: nhóm hệ thống điều khiển đồng bộ và nhóm hệ thống điều khiển không đồng bộ.
- Nhóm thứ nhất đang được sử dụng phổ biến hiện nay và ta chỉ nghiên cứu nhóm này
Các hệ thống đồng bộ thường sử dụng hiện nay bao gồm :
- Hệ thống điều khiển theo pha đứng
- Hệ thống điều khiển theo pha ngang
- Hệ thống điều khiển dùng điốt hai cực gốc ( Tranzito một tiếp giáp )
Thông thường, hệ thống điều khiển theo pha đứng được sử dụng cùng với điốt hai cực gốc Bài viết này sẽ hướng dẫn cách xây dựng một hệ thống điều khiển theo pha đứng hiệu quả.
2.2.3 Sơ đồ khối của mạch tạo xung
Nguyên tắc thiết kế mạch tạo xung trong các bộ chỉnh lưu yêu cầu mỗi Tiristor có một kênh riêng biệt Đối với mạch động lực là chỉnh lưu tia 2 pha, cần thiết phải có 2 kênh, trong đó kênh này lệch pha 180 độ so với kênh kia.
Hình 6: Sơ đồ khối một kênh tạo xung điều khiển
+Khối đồng bộ hoá ( ĐBH ) : Thông thường sử dụng biến áp và điện áp này được gọi là điện áp đồng bộ hoá
BAĐBH có ưu điểm nổi bật là khả năng cách ly điện áp cao giữa mạch động lực và mạch tạo xung điều khiển Điều này giúp đảm bảo an toàn và ổn định cho hệ thống Ngoài ra, việc thay đổi cực tính, pha và cuộn dây cũng trở nên dễ dàng hơn, tạo thuận lợi trong quá trình vận hành và bảo trì thiết bị.
Khối tạo sóng răng cưa (SRC) có chức năng tạo ra điện áp chuẩn để so sánh với điện áp điều khiển Kết quả so sánh này sẽ được gửi đến khối 3 Điện áp thường được phát sinh dưới dạng sóng.
Khối so sánh (SS) thực hiện việc so sánh giữa điện áp tựa (điện áp răng cưa) và điện áp điều kiện (uđk) Giao điểm của hai điện áp này sẽ xác định góc mở a, từ đó đầu ra của khối so sánh sẽ xác định góc điều khiển.
+ Khối tạo xung ( TX ) : Xác đinh độ rộng , độ dốc , công suất xung ( biên độ ) thoả mãn để mở T
Khối phân chia xung ( PCX ) : Dẫn xung đến các T Thông thường dùng BAX cuộn sơ bên TX và cuộn thứ bên T
Tuy nhiên khi thiết kế ta thường ghép lại thành 3 khối
- Khối 1: Khối đồng bộ hóa và phát sóng răng cưa
- Khối 3: Khối tạo xung (TX)
Hình 7 Sơ đồ đơn giản 1 kênh tạo xung
- U1 : Là điện áp lưới (nguồn) xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu
- Urc: Là điện áp tựa thường có hình răng cưa
- Uđk: Là điện áp một chiều được đưa từ ngoài vào dùng để điều khiển giá trị góc mở
Điện áp điều khiển Thiristor (UđkT) là chuỗi xung điều khiển được lấy từ đầu ra của hệ thống điều khiển, truyền đến cực điều khiển (G) và Katot (k) của Thiristor.
2.2.4 Phân tích chọn khâu đồng bộ hóa và phát sóng răng cưa
Mạch đồng bộ sử dụng máy biến áp nhỏ, thường là máy biến áp hạ áp, nhằm tạo ra điện áp đồng bộ.
BA có thể là một pha hay nhiều pha tuỳ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu cụ thể Trong sơ đồ ta dùng biến áp 3 pha tổ nối dây Y/.
+ Sử dụng biến áp đồng bộ có sự cách ly về điện giữa mạch động lực và mạch điều khiển nên được sử dụng rộng rãi ba
+ Sơ đồ ĐBHFRC dùng tranzitor và IC khuyếch đại thuật toán o a ic1 urc
Hình 8 Sơ đồ và giản đồ làm việc mạch phát sóng răng cưa dùng Tr –IC thuật toán
- Sơ đồ cũng gồm có máy biến áp đồng bộ hoá BAĐ để tạo ra điện áp đồng bộ uđb.
Mạch tạo điện áp răng cưa sử dụng điôt, transistor, điện trở và tụ điện, đồng thời ứng dụng tính chất đặc biệt của các bộ khuếch đại thuật toán vi điện tử để tạo ra dòng nạp tụ ổn định Điện áp răng cưa được thể hiện rõ ràng trên đồ thị.
Khi IC thuật toán hoạt động lý tưởng mà không có sự trôi điểm không, điện áp đầu ra sẽ có hình dạng như sóng răng cưa lý tưởng, với sườn làm việc là sườn dương của điện áp răng cưa Điện áp trên tụ điện tăng dần theo quy luật uc = I.t / C Sơ đồ này mang lại nhiều ưu điểm trong việc điều chỉnh điện áp.
- Điện áp răng cưa là điện áp đầu ra của khuyếch đại thuật toán có nội trở rất nhỏ nên điện áp đầu ra không phụ thuộc vào tải
- Với sơ đồ này thì dung lượng của tụ cần rất nhỏ khoảng 220nF độ dài điện áp ra đạt đến 180 o và phóng điện rất nhanh.
2.2.5 Khối so sánh Để tạo ra một hệ thống có tính chu kỳ và độ rộng xác định và cùng tần số với điện áp lưới cung cấp cho mạch lực và điều khiển được sự xuất hiện của mỗi
TÍNH CHỌN THIẾT BỊ
Tính chọn thiết bị động lực
Theo yêu cầu đề tài Động cơ truyền động hệ thống được chọn với các thông số sau.
- Công suất định mức của động cơ: Pđm=1,5 (KW).
- Điện áp địmh mức mạch phần ứng: Uđm= 220 (V).
- Dòng điện định mức mạch phần ứng: Iđm=8.7 (A).
- Tốc độ định mức của động cơ: nđm00 (v/p)
- Điện trở cuộn dây phần ứng: Rư = 2.775 ().
- Điện cảm cuộn dây phần ứng : Lư = 0.0961 (H).
3.1.2 Máy biến áp động lực
Máy biến áp động lực là thiết bị quan trọng trong việc chuyển đổi nguồn điện xoay chiều từ lưới điện thành nguồn điện xoay chiều phù hợp, phục vụ cho các bộ biến đổi.
- Công suất MBA : Vì là bộ biến đổi cầu ba pha nên
- Chọn mạch từ ba trụ tiết diện mỗi trụ được tính theo công thức kinh nghiệm sau:
Trong đó k = 4 5 nếu là máy biến áp dầu k = 5 6 nếu là MBA nhỏ
S = công suất biểu kiễn của MBA f = tần số nguồn xoay chiều ở đây ta thiết kế với MBA nhỏ và chọn K=6 ta có
Ta có số vòng cuộn sơ cấp MBA là.
- Điện áp dây thứ cấp là:U 2đm Uđm.k1.k2.k3.k4
Trong đó : k1 : Hệ số sơ đồ chỉnh lưu :
k2 : Hệ số tính đến sự dao động trong phạm vi cho phép của điện áp lưới k2 = 1,05 1,1 Chọn k2 = 1,05 k3 : Hệ số tính đến góc điều khiển min 0 k3 = 1 1,15
Chọn k3 = 1,15 k4 : Hệ số tính đến sụt áp trên điện trở thuần của nguồn cung cấp và sụt áp trên điện cảm nguồn do chuyển mạch k4 = 1,15 1,25 chọn k4 = 1,2
- Trị hiệu dụng dòng thứ cấp máy biến áp
- Tỉ số MBA là : Kba =.
- Dòng sơ cấp máy biến áp
- Tính toán các thông số của máy biến áp
Kr :Hệ số phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu và đặc điểm của tải, Tra bảng
II-2 ĐTTCSL ta có Kr =2,5 với máy biến áp đấu Y/Y tải cảm kháng, sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha
C : Số trụ của máy biến áp: C = 3 trụ. f = 50 Hz : Tần số nguồn cung cấp
+ Điện kháng của cuộn dây máy biến áp
Trong đó Kn = 0,1.10 -3 là hệ số phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu và đặc tính phụ thuộc tải tra bảng 22 Điện Tử Công Suất Lớn.
+ Điện áp rơi trên điện trở máy biến áp.
+ Điện áp rơi trên điện kháng tải của máy biến áp.
+ Điện áp rơi trên các van ( chọn sụt áp trên các van ) UV = 2 (V).
+ Điện áp rơi trên cuộn kháng bộ lọc = 2 % điện kháng tải :
+ Điện áp chỉnh lưu không tải là :
3.1.3 Tính chọn tiristor mạch động lực
Tiristor là thiết bị bán dẫn quan trọng trong việc chuyển đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều cho động cơ một chiều kích từ động lập Việc lựa chọn tiristor cần dựa vào sơ đồ chỉnh lưu để đảm bảo các van chỉnh lưu hoạt động tin cậy và an toàn trong điều kiện làm việc khắc nghiệt Đặc biệt, khi phụ tải thay đổi, tiristor phải duy trì độ tin cậy và chính xác, nhất là khi điện áp chỉnh lưu đạt giá trị tối đa tại góc điều khiển α = α min Các tiêu chí lựa chọn tiristor cần tuân thủ những điều kiện nghiêm ngặt để đảm bảo hiệu suất và độ bền lâu dài.
Trong đó Kđt : Hệ số dự trữ dòng điện qua van, thường Kđt =1,82 chọn Kđt = 1,9.
Kung: Hệ số dự trữ điện áp thường Kung =1,2 1,5 chọn Kung = 1,4.
Ungmax: giá trị điện áp ngược lớn nhất đặt vào mạch các cực K-A của van
IT: Giá trị tính toán của dòng điện trung bình qua van đối với sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha
Trong đó m: số pha nguồn (m=3)
U2: Trị hiệu dụng của điện áp pha thứ cấp máy biến áp động lực
Dòng điện cung cấp cho động cơ được tạo ra bởi bộ chỉnh lưu, đại diện cho giá trị trung bình của dòng điện tải Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu trong sơ đồ chỉnh lưu ba pha được xác định theo công thức cụ thể.
Dựa vào các kết quả tính toán và tiêu chí lựa chọn, Tiristor tra sách điện tử công suất lớn do Liên Xô chế tạo có các thông số kỹ thuật đáng chú ý.
3.1.4 Tính chọn cuộn kháng san bằng
Cuộn kháng san bằng là thiết bị nối giữa nguồn chỉnh lưu và động cơ, có chức năng làm san bằng các xung áp chỉnh lưu theo yêu cầu của phụ tải Nó cũng giúp suy giảm mạch dòng điện có tần số cao Tiêu chí của bộ lọc san bằng (Ksb) được xác định bởi biên độ sóng hài bậc cao, trong đó biên độ giảm dần khi bậc sóng tăng Do đó, trong quá trình chỉnh lưu, người ta chủ yếu xem xét việc lọc sóng cơ bản.
Hệ số san bằng (Ksb) được xác định theo biểu thức
Trong đó: Kv hệ số xung ở đầu vào Giá trị của Kv phụ thuộc vào số đồi chỉnh lưu
U1mv: Biên độ sóng cơ bản của điện áp chỉnh lưu, đầu vào bộ lọc.
Điện áp 1 chiều ở đầu ra của thiết bị chỉnh lưu được gọi là Uđv, trong khi mx đại diện cho số xung áp của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ của điện áp nguồn xoay chiều.
Tra bảng B2-1/86 (ĐTCSL) với chỉnh lưu tia 3 pha mx = 6 Ku = 0,057 Như vậy Ku = 5,7% đối với chỉnh lưu tia 3 pha
Kr: Hệ số xung ở đầu ra bộ lọc Giá trị của Kr do yêu cầu của phụ tải quyết định
U1mr: Biên độ lớn nhất của xung áp sóng cơ bản ở đầu ra bộ lọc.
Ud: Điện áp một chiều trên tải Tra bảng B2-2/87 (ĐTCSL), với tải cảm kháng chỉnh lưu tia 3 pha (máy biến áp đấu Y/Y) được Kr =2,5
Giá trị điện cảm của cuộn kháng lọc.
Điện trở cuộn kháng : RKH = 2%.Uđm/Iđm = 0,02.220/8,7 = 0,505()
3.1.5 Tính chọn R-C bảo vệ tiristor trong mạch động lực
Mạch R-C mắc song song với tiristor đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ tiristor khỏi hiện tượng quá gia tốc du/dt khi có sự cố xảy ra trong mạch Nó giúp ngăn ngừa tình trạng quá điện áp do sự tích tụ điện tích trong quá trình chuyển mạch.
Khi điện áp thuận tăng đột ngột trên các cực A-K của tiristor vượt quá mức cho phép du/dt, tiristor có thể tự động mở mà không cần điều khiển (ig = 0), dẫn đến sự cố không mong muốn Có hai loại nguyên nhân chính gây ra hiện tượng quá điện áp này.
- Nguyên nhân nội tại (xẩy ra trong quá trình chuyển đổi của các van) Đây là sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn.
- Nguyên nhân bên ngoài hường xẩy ra rất nhiều như khi đóng cắt không tải 1 máy bién áp trên đường dây, khi có xét đánh
Mạch R-C mắc song song với các tiristor giúp ngăn chặn hiện tượng không mong muốn và bảo vệ khỏi quá điện áp do nhiều nguyên nhân gây ra Theo quy luật đóng mở, điện áp đột biến tăng sẽ biến thiên liên tục trong quá trình quá độ qua tụ C, do đó, khi có sự gia tăng điện áp nhanh, điện áp trên Anôt của tiristor (so với katot) vẫn được giữ ổn định, không bị tăng đột ngột.
Theo tài liệu kỹ thuật biến đổi ( đại học kỹ thuật công nghiệp ) ta có : +
Tra đường cong hình 1-74 trang 94 ( Kỹ thuật biến đổi ) => F = 2,5
3.1.6 Tính chọn máy phát tốc
Máy phát tốc là một thiết bị nối đồng trục với động cơ Dùng để lấy phản hồi âm tốc độ đây cả quan hệ số .
Chọn máy phát tốc với các thông số sau.
Mã hiệu nH(v/p) UH(V) IH(A) RH()_
3.1.7.Tính chọn Aptomat Áptômát (AB) được sử dụng để bảo vệ sự cố ngắn mạch hoặc quá tải có thể sẩy ra trên các đường dây cung cấp điện chọn các bộ biến đổi và các đầu vào của máy biến áp Ngoài ra áptômát còn được sử dụng như một thiết bị đóng cắt nguồn hco hệ thống: Điều kiện chọn UđmA Uđm mạng
Từ kết quả tính ở trên ta chọn được áptômát có các thông số kỹ thuật sau:
Dòng điện tác động tức thời (A)
Dòng định mức của móc bảo vệ
XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH TĨNH
Sơ đồ cấu trúc của hệ thống
Ucđ: Tín hiệu điện áp đặt tốc độ
Ky: Hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại trung gian
K : Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi
Kd : Hệ số khuếch đại của động cơ
KI: Hệ số khuếch đại của khâu phản hồi âm dòng điện
: Hệ số khuếch đại của khâu phản hồi âm tốc độ
Iư.R : Nhiễu loạn của phụ tải
Ing: Tín hiệu dòng điện ngắt
Khi chưa có mạch vòng dòng điện tham gia :
Từ sơ đồ cấu trúc ta có :
Trong đó : Đặt K = Ky.K.Kd là hệ số yêu cầu của hệ thống
Mặt khác ta lại có :
Để tính hệ số khuếch đại của bộ biến đổi (Kπ), trước tiên cần xây dựng đặc tính biểu diễn mối quan hệ ud = f(uđk) Sau đó, tiến hành tuyến tính hóa đặc tính này để xác định hệ số góc của đoạn đặc tính Hệ số của đoạn đặc tính cơ được xác định là hệ số khuếch đại Kπ = tg φ Mối quan hệ Ud = f(Uđk) được thiết lập từ hai quan hệ chính: Ud = f(α) và α = f(Uđk).
- Xây dựng quan hệ Ud=f(): coi hệ thống làm việc ở chế độ dòng điện liên tục Ud=Uđ0.cos
Là điện áp chỉnh lưu không tải của bộ biến đổi
là góc điều khiển Cho biến thiên từ =(0/2) ta được các trị số Ud lập thành bảng sau:
- Xây dựng quan hệ Uđk=f() :
Khi giá trị điện áp điều khiển (Uđk) thay đổi, góc điều khiển (α) cũng sẽ thay đổi tương ứng Mỗi giá trị Uđk khác nhau sẽ cho ra các giá trị α khác nhau Dựa vào đồ thị giữa Uđk và điện áp tựa (Urc), có thể nhận thấy rằng góc α biến đổi theo Uđk theo một quy luật nhất định.
Mặt khác, với vi mạch khuếch đại thuật toán, tín hiệu đạt giá trị tối đa Urmax = ±14V, do đó biên độ cực đại của Urc là Urcmax = ±14V Khi thay đổi hệ số α từ 0 đến π, ta có mối quan hệ tương ứng.
Từ bảng quan hệ trên ta xây dựng được đường đặc tính thể hiện mối quan hệ Ud=f(Uđk) như sau :
Tuyến tính hoá đoạn đặc tính đoạn đặc tính
Từ đặc tính trên ta có :
Hệ số truyền của máy phát tốc
Chọn điện áp phản hồi khi tốc độ định mức là 12(v)
Vậy hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại yêu cầu là :
Hệ số bộ khuếch đại trung gian là :
Chọn Ky = 140 Để thực hiện mạch khuyếch đại này ta sử dụng KĐTT A741 với các thông số đã cho trong phần trước kết hợp các điện trở chức năng
Xây dựng đường đặc tính cao nhất
Tốc độ tối đa của động cơ thường bị giới hạn bởi độ bền cơ học của các bộ phận quay Khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao, các bộ phận này phải chịu lực điện lớn, dẫn đến nguy cơ hỏng hóc.
Để bảo vệ vành góp khỏi hư hỏng do tia lửa điện từ chổi than, cần đảm bảo rằng đường đặc tính cao nhất tương ứng với tốc độ định mức của động cơ nđm 00 (v/p) khi hệ thống hoạt động lâu dài.
Dựa vào nguyên lý của hệ thống, mỗi đường đặc tính được chia thành ba đoạn tương ứng với ba trạng thái làm việc khác nhau Đoạn đầu tiên là trạng thái làm việc ổn định, trong đó chỉ có khâu phản hồi âm tốc độ tác động Đoạn thứ hai xuất hiện khi cả hai mạch vòng phản hồi âm tốc độ và âm dòng điện tác động cùng hoạt động Cuối cùng, ở đoạn thứ ba, tốc độ giảm xuống mức đủ nhỏ khiến mạch vòng phản hồi âm tốc độ bị bão hòa, lúc này chỉ còn khâu ngắt dòng tác động hoạt động.
Các đoạn đặc tính đều tuyến tính (đoạn thẳng) nên ta chỉ cần tìm ở mỗi đoạn 2 điểm là có thể xây dựng được đoạn đặc tính cơ.
A Xây dựng đoạn đặc tính thứ nhất. Đây là đoạn làm việc ổn định của hệ thống.Trong đoạn này chỉ có mạch vòng phản hồi âm tốc độ tác động
Đường đặc tính cao nhất đi qua điểm định mức (Iđm, nđm) nên ta tính được.
+ Tốc độ không tải lý tưởng (điểm ứng với giá trị Iư = 0)
Tốc độ của động cơ điện một chiều phụ thuộc vào điểm cuối của đoạn đặc tính (n1) Khi dòng điện Iư tăng (Iư ≥ Idm.1,2), cần hạn chế sự tăng của dòng điện Đặt Ing = 1,2Iđm = 1,2.8,7,44 (A), ta thay Iư = Ing vào biểu thức (I) để xác định tốc độ nng.
Vậy đoạn đặc tính thứ nhất đi qua các điểm
B Xây dựng đoạn đặc tính thứ 2.
Trong đoạn này Iư > Ing nên có hai vòng phản hồi cùng tác động
Từ sơ đồ cấu trúc hệ thống ta có Đoạn đặc tính thứ hai này đi qua 2 điểm đầu điểm C Ta cần xác định thêm một điểm nữa
Ta có : Ing = (1,2 1,5)Iđm Chọn Ing = 1,2I đm = 1,2.8,7,44(A)
Id = (2,2 2,5)Iđm Chọn Id = 2,5.Iđm= 2,5.8,7 !,75 (A)
(ucđ-n bh ) ky = ubh n bh =
140 1497.1( / ) 0,008 cd bh y u u k v p Để xác định dòng điện tại vị trí bão hoà (Ibh) ta xác định hệ số phản hồi dòng điện như sau:
K n = [ubh - kI(Iư -Ing )] k kd - Iư R kd
Tại điểm dừng: n = 0, Iư = Id ta được
0 = n = [ubh - kI (Iư -Ing )] k kd - Iư R kd
Tại điểm D: Iư = Ibh ta được nbh = [Ubh - kI (I bh -Ing )] k kd - Iư R kd
Vậy đoạn đặc tính thứ hai đi qua 2 điểm:
C.Xây dựng đoạn đặc tính thứ 3.
Tốc độ động cơ đã giảm đến mức tối ưu, dẫn đến việc mạch phản hồi âm tốc độ đạt trạng thái bão hòa Hiện tại, chỉ còn lại mạch vòng hạn chế dòng điện, và đoạn đặc tính này đi qua hai điểm, với điểm đầu tiên là điểm cuối của đoạn đặc tính thứ hai.
D(13,11; 1497,1) Điểm thứ hai ứng với điểm làm cho hệ thống dừng làm việc
Xây dựng đường đặc tính thấp nhất
Đường đặc tính thấp nhất là đường giới hạn dưới trong phạm vi điều chỉnh
A.Xây dựng đoạn đặc tính thứ nhất.
Trị số điện áp chủ đạo nhỏ nhất: max min
Tốc độ không tải lý tưởng:
K Điểm cuối cùng của đoạn đặc tính này C ' (IC ', nC ') Ta có trị số dòng điện ngắt (Ing) là không đổi với mọi đường đặc tính vậy IC '=Ing = 10,44(A)
Kd Đoạn đặc tính thứ nhất này đi qua các điểm
B Xây dựng đoạn đặc tính thứ 2.
Theo các phần tử ở trên phần trước ta có.
+ Tốc độ bão hoà nbh =
A Đoạn đặc tính thứ hai của đường đặc tính thấp nhất này đi qua hai điểm đầu và cuối.
C Đoạn đặc tính thứ 3. Đoạn đặc tính thứ 3 đi qua hai điểm là điểm D ' (21,64; 19,25) và điểm dừng E’ E(21,75 ; 0) Đặc tính cơ của hệ thống như sau :
Kiểm tra chất lượng tĩnh :
Vậy hệ thống thiết kế đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng tĩnh
