GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG TY CP VẬT TƯ NGÀNH NƯỚC – VINACONEX (VIWAPICO)
Tổng quan
Công ty cổ phần vật tư ngành nước VIWAPICO, thành viên của Tổng công ty VINACONEX, hoạt động chủ yếu trong các lĩnh vực kinh doanh liên quan đến vật tư ngành nước.
- Sản xuất và mua bán vật tư thiết bị ngành nước
- Sản xuất ống nhựa PPR, HDPE và các sản phẩm bằng nhựa
VIWAPICO, với diện tích hơn 4000m², bao gồm khu hành chính, nhà xưởng sản xuất, phòng thí nghiệm và kho thành phẩm, tọa lạc tại khu công nghiệp Bắc Thăng Long, là một trong những doanh nghiệp nhựa hàng đầu tại Việt Nam và thuộc tổng công ty VINACONEX Để duy trì vị thế số một trong ngành sản xuất ống và phụ tùng ống nhựa, VIWAPICO thực hiện chiến lược phát triển bền vững, cải tiến hệ thống quản lý chất lượng theo tiêu chuẩn ISO 9001:2000, đầu tư cho con người, hiện đại hóa thiết bị và nâng cao chất lượng sản phẩm Công ty hiện sở hữu 2 dây chuyền sản xuất ống nhựa hiện đại nhập khẩu từ Đức, với hệ thống tự động hóa tiên tiến, đảm bảo chất lượng và giảm thiểu công sức lao động Với định hướng trở thành nhà sản xuất hàng đầu tại Việt Nam, sản phẩm của VIWAPICO đã khẳng định vị thế vững chắc trên thị trường trong nước và quốc tế, đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng quốc gia và quốc tế.
Sơ đồ mặt bằng công ty
Hình 1.1 Sơ đồ mặt bằng công ty
Giới thiệu công nghệ
Dây chuyền sản xuất ống nhựa của VIWAPICO là một hệ thống khép kín, thực hiện các bước sản xuất một cách tuần tự và liền mạch Quy trình bắt đầu với việc tiếp nhận khay nguyên vật liệu ở khâu đầu vào và kết thúc bằng việc cho ra sản phẩm hoàn chỉnh ở khâu cuối cùng.
4 Hình 1.3 Quy trình sản xuất ống nhựa
Trong ngành công nghiệp gia công nhựa nhiệt dẻo, độ ẩm cao của nguyên liệu có thể gây ra lỗi bề mặt và ảnh hưởng đến tính chất sản phẩm Máy sấy SOMOS 600 của VIWAPICO là giải pháp hiệu quả với khả năng tách ẩm theo quy định, giúp nguyên liệu luôn đạt độ ẩm cho phép trước khi gia công Điều này đảm bảo sự ổn định trong quá trình gia công và nâng cao chất lượng sản phẩm.
1.2.3 Bộ phận cân định lượng
Hình 1.5 Bộ phận cân định lượng
Bộ nạp nhiên liệu chân không giúp đơn giản hóa quy trình sản xuất, trong khi cân định lượng kiểm soát các thông số khối lượng nhựa, đảm bảo kích thước ổn định cho sản phẩm ống.
Máy đùn Krauss Meffei, đến từ CHLB Đức, là một thiết bị hiện đại được thiết kế với trục vít tối ưu cho nguyên liệu PPR/HDPE Với cấu trúc vít chặn có hai cánh, máy giúp chia đôi dòng nguyên liệu, từ đó nâng cao hiệu quả của quá trình làm nhuyễn nhựa.
Máy đùn chính được trang bị thiết bị điều khiển C4, một hệ thống điều khiển tự động hiện đại, giúp kiểm soát toàn bộ thông số sản xuất không chỉ của máy đùn chính mà còn của các thiết bị khác, từ đó nâng cao mức độ tự động hóa của dây chuyền sản xuất.
Máy đùn phụ dùng để tạo sọc màu cho ống nhựa tùy theo yêu cầu
Với thiết kế bộ tiền phân phối dạng spiral trong máy đùn, nguyên liệu được phân phối đều vào đầu hình, đảm bảo dòng chảy hướng chu vi mà không bị lệch hướng hay biến dạng, đồng thời ngăn ngừa rò rỉ ở áp suất cao Đầu đùn được chế tạo với các ưu điểm như giảm áp lực, dễ vệ sinh, và khả năng thay đổi kích thước cũng như ứng dụng nhanh chóng.
Thiết kế ngắn gọn, dễ dàng thay đổi kích thước khi cần sản xuất kích thước ống mới
1.2.8 Thùng định hình chân không
Hệ thống định hình ống đảm bảo đạt tiêu chuẩn kích thước theo DIN8077 và EN12201-2, sử dụng áp suất chân không cùng với đầu chuốt hoặc đĩa định hình để tạo ra sản phẩm chính xác.
1.2.9 Thiết bị đo độ dầy thành ống
Sản phẩm ống thường gặp vấn đề méo do độ dày thành ống không đồng đều, ảnh hưởng đến khả năng chịu áp lực Thiết bị đo chiều dày thành ống bằng siêu âm giúp khắc phục tình trạng này bằng cách đo chính xác độ dày khi ống đi qua thùng định hình chân không, và hiển thị kết quả trên màn hình C4 của máy đùn chính Nhờ đó, người vận hành có thể theo dõi và điều chỉnh độ dày ống để đảm bảo tính ổn định và đồng đều.
Sản phẩm ống nước PPR/HDPE sau khi ra khỏi thùng định hình chân không cần được làm mát để ổn định kích thước Hệ thống tuần hoàn và phao kiểm soát giúp duy trì mực nước và nhiệt độ nước làm nguội ổn định, có thể điều chỉnh để đảm bảo quá trình làm mát hiệu quả Nhiệt độ của ống sau khi làm mát đạt 37 độ C, giúp ổn định cấu trúc kích thước và thuận lợi cho quá trình in ống và kéo ống.
Máy in ống đời S8 của hãng Imaje-Pháp được sử dụng để in logo Vinaconex và thông tin tiêu chuẩn sản xuất trên sản phẩm ống nước VIWAPICO, đảm bảo thông tin in ấn rõ nét và chất lượng cao.
Máy kéo ống liên tục đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất ống, không chỉ kéo ống mà còn điều chỉnh và ổn định trọng lượng mét ống Nhờ vào việc đồng bộ hóa với tốc độ của máy đùn chính, máy kéo đảm bảo kích thước chính xác cho sản phẩm, đặc biệt là độ dày ổn định.
Máy kéo ống có thể kéo ống có thể kéo ống có đường kính lên đến 125mm và tốc độ kéo đạt được 40m/phút
1.2.13 Máy cưa ống Được thiết kế đặc biệt chuyên dụng cho việc cắt ống nhựa Với lưỡi cưa hành trình dịch chuyển đồng bộ với tốc độ đùn và hệ thống lực kẹp bằng xylanh khí nén, việc cắt ống sẽ cho vết cắt phẳng, vuông góc, mạt cưa được hút sạch sẽ Chiều dài của ống thành phẩm sẽ được cài đặt tại máy đùn chính trong quá trình sản xuất
Máy cuộn ống HDPE có khả năng cuộn ống với đường kính lên đến 110mm, đảm bảo cuộn ống chắc chắn và đẹp mắt mà không làm méo hình dạng ống.
Nguyên vật liệu
Nguyên vật liệu PPR (PolyProylene Random) và HDPE (High Density Polyethylene) là nguyên liệu 100% nhập khẩu, được chiết xuất từ dầu mỏ với các thành phần Propylen và Etylen Sản phẩm PPR có tính đàn hồi tốt, khả năng chịu mài mòn, áp lực, va đập và chống ăn mòn, trong khi HDPE là loại PE có tỷ trọng cao với cấu trúc phân tử chặt chẽ, cho khả năng chịu cường lực vượt trội HDPE còn được bổ sung than hoạt tính để tăng cường độ cứng và giảm tác động của tia UV Với những đặc tính ưu việt này, ống nước từ PPR và HDPE rất phù hợp cho các hệ thống dẫn nước nóng và lạnh.
Năng lực sản xuất
Đội ngũ sản xuất của VIWAPICO bao gồm các kỹ sư chuyên ngành Polyme và công nhân được đào tạo bởi các chuyên gia Đức, đảm bảo công nghệ sản xuất ống và phụ kiện PPR/HDPE hiện đại Sản phẩm của chúng tôi được sản xuất theo tiêu chuẩn chất lượng DIN8077 cho ống và tiêu chuẩn TC01-02/2004 về vệ sinh an toàn thực phẩm, đảm bảo chất lượng tốt nhất cho người tiêu dùng.
Hệ thống cung cấp điện toàn nhà máy
Đường dây 22kV cung cấp điện cho công ty VIWAPICO có chiều dài 8m với mạch đơn Điểm đấu điện được thực hiện tại cột trạm biến áp của nhà máy kình Vinaconex, nằm trong lộ 473.E25-1 khu công nghiệp Quang Minh.
Tuyến đường dây sẽ được kéo từ cột điểm đầu đến trạm biến áp 1x1000KVA-22±2x2.5%/0.4KV của công ty VIWAPICO Tại trạm biến áp, đường dây sẽ được kết nối xuống tủ điện hạ thế 500V-1600A, bao gồm 1 lộ dùng máy cắt không khí hạ thế và 4 lộ cấp điện để bảo vệ các thiết bị Tủ điện được thiết kế với lỗ thông gió và lớp sơn tĩnh điện để đảm bảo độ bền và hiệu suất hoạt động.
1.5.1 Các giải pháp kỹ thuật a Máy biến áp
Công suất tính toán của máy biến áp tính theo công thức sau:
Theo kết quả điều tra khảo sát với số liệu cung cấp phụ tải của nhà máy có đặc tính sau:
Công suất phụ tải yêu cầu: P = 876kW
Hệ số sử dụng: Ksd = 0,8
Hệ số đồng thời: Kdt = 0,8
Hệ số công suất: CosΦ = 0,75
Thay vào ta có Stt = 971kVA
Máy biến áp 1000kVA-22 ±2x2.5%/0.4kV là loại máy 3 pha 2 cuộn dây, được làm mát bằng tuần hoàn tự nhiên và có tổ đấu dây Y/Y0-12 Để đóng cắt điện vào trạm biến áp, sử dụng bộ cầu dao cách ly 3 pha 22kV/630A sản xuất tại Việt Nam, với thao tác điều khiển bằng bộ truyền động cơ khí Ngoài ra, cầu chì cao thế được sử dụng để bảo vệ máy biến áp.
Bảo vệ chông ngắn mạch phía 22kV và máy biến áp sử dụng bộ cầu chì một pha ngoài trời loại ΠK-22K của Việt nam
Bảo vệ chống quá áp khí quyển dùng chống sét van HE-24(Alstom) d Thanh dẫn đồng phía 22kV
Thanh dẫn đồng kết nối từ má dưới cầu dao cách ly 22kV đến ty sứ cao thế MBA được sử dụng với loại thanh dẫn đồng có đường kính Φ8 Cáp điện được lắp đặt từ đầu cực hạ thế của máy biến áp tới tủ hạ thế.
Cáp tổng được lựa chọn dựa trên mật độ dòng điện cho phép là 2A/mm² Sau khi tính toán, loại cáp đồng 1 lõi cách điện XLPE/PVC-0.6/1KV-3xM(1x300)mm² được chọn cho dây trung tính.
Cáp từ tủ điện hạ thế sang tủ tụ bù dùng cáp đồng 1 lõi cách điện XLPE/PVC-0.6/KV-1xM(1x400)mm 2 cho mỗi pha
Tủ điện hạ thế 500V-1600A bao gồm một lộ tổng sử dụng máy cắt không khí hạ thế của LG và bốn lộ ra để cấp điện và bảo vệ cho các thiết bị và phụ tải Tủ được thiết kế với lỗ thông gió và vỏ sơn tĩnh điện, phù hợp cho việc lắp đặt các thiết bị riêng lẻ.
Bốn tủ động lực nhận điện từ tủ điện hạ thế, cung cấp nguồn điện cho các bộ phận trong dây chuyền sản xuất cũng như khu vực hành chính của công ty, đồng thời bảo vệ các thiết bị Các thiết bị và bộ phận được phân bố hợp lý nhằm đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
TĐL 1 bao gồm: tổ máy lạnh, tổ máy đùn (máy đùn chính, máy đùn phụ), máy ép phun KM250, máy sấy
TĐL 2 bao gồm: máy kéo ống, thùng làm mát, thùng định hình chân không, máy cưa ống, máy cuộn ống, máy bó ống
TĐL 3 bao gồm: máy nén khí, hút liệu máy đùn, máy in, phòng thí nghiệm
1.5.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp điện của nhà máy
Hình 1.11 Sơ đồ hệ thống cung cấp điện của nhà máy
1.5.3 Bù công suất phần kháng
Thiết bị tiêu thụ điện hạ thế thường có động cơ công suất lớn và hệ số cosφ thấp Để nâng cao chất lượng điện năng, đảm bảo ổn định điện áp và giảm thiểu tổn thất điện năng, công ty đã áp dụng giải pháp bù cosφ.
Dung lượng bù được xác định theo công thức:
Trong đó: tgφ1 ứng với hệ số cosφ1 =0,75 của nhà máy trước khi bù tgφ2 ứng với hệ số cosφ2 = 0,9 của nhà máy sau khi bù
Thay vào ta có Qbù = 351 (kVAr)
Dựa trên kết quả tính toán của nhà máy, dung lượng bù được chọn là 360 kVAr, với việc lắp đặt 1 tủ tụ bù tự động 6 cấp/360 kVAr tại thanh cái hạ thế 0.4KV, phục vụ cho các thiết bị lẻ.
Bảng 1.1 Danh mục các thiết bị lẻ trong nhà máy
STT Danh mục Đơn vị Số lượng Ghi chú
1 Đồng hồ đo hệ số công suất cosφ Cái 1
2 Aptomat 500V/600A-LG Cái 1 Hàn quốc
3 Aptomat 500V/100A-LG Cái 6 Hàn quốc
4 Bộ tự động điều chỉnh tụ bù Bộ 1 Nhật
6 Vôn kế 0-450V Cái 1 Việt nam
8 Contactor GMC - 100A-LG Bộ 6 Hàn quốc
10 Ampe kế 0-450V Cái 3 Việt nam
12 Role trung gian +đế Bộ 1
1.6 Giới thiệu máy đùn chính KRAUSS MEFFEI
1.6.1 Vai trò của máy đùn Krauss Meffei trong dây chuyền sản xuất của công ty
Máy đùn trục chính Krauss Meffei đóng vai trò quan trọng trong dây chuyền sản xuất của công ty VIWAPICO, điều khiển toàn bộ quá trình hoạt động và truyền tín hiệu điều khiển đến các bộ phận khác Nó cũng nhận tín hiệu phản hồi từ các thiết bị về bảng mạch trung tâm để xử lý, giúp toàn bộ quá trình sản xuất diễn ra tự động Hệ thống tự động hóa này không chỉ giảm thiểu nhân lực mà còn đảm bảo an toàn lao động và nâng cao chất lượng sản phẩm.
1.6.2 Một số đặc tính kỹ thuật của máy đùn Krauss Meffei
Máy đùn Krauss Meffei được sản xuất ở CHLB Đức, bao gồm một động cơ chính,
Máy đùn bao gồm một động cơ phụ, một trục vít chính chia đôi dòng nguyên liệu và một bộ phận đúc hình theo đầu đùn Bên trong, máy có bộ phận chứa nhiên liệu nhận hạt nhựa từ bộ phận cân định lượng và cảm biến quang học để tính toán khối lượng nhựa cần thiết cho quá trình sản xuất Hạt nhựa được gia nhiệt trong khoang chứa nhiên liệu để sấy khô trước khi đưa vào bộ phận đúc hình Máy còn được trang bị bộ điều khiển với bảng mạch chính và vi xử lý để quản lý toàn bộ dây chuyền sản xuất Nguồn điện được cung cấp từ tủ phân phối của công ty đến tủ điện 1, qua các hộp có aptomat và cầu chì bảo vệ dẫn đến tủ điện thiết bị.
Hình 1.13 Bảng điều khiển máy đùn chính Thông số kỹ thuật
- Tổng công suất: Pmax = 316 kW, U = 380V, Imax = 505A, cosφ = 0,95
- Động cơ chính 1 chiều: Pmax = 40kW, Uđm = 220 (V), n = 1000 (vòng/phút), η = 0,85
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Khái niệm về động cơ điện một chiều
2.2.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều (hình 2.1.) gồm hai phần chính: phần tĩnh (Stator) và phần động (Rotor) a b
Hình 2.1 Sơ đồ (a) và mô hình (b) động cơ điện một chiều a Phần tĩnh (Stator)
Phần tĩnh (Stator) hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường, gồm có:
Cực từ chính là bộ phận tạo ra từ trường, bao gồm lõi sắt và dây quấn kích từ bên ngoài Lõi sắt được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật hoặc thép cacbon dày từ 0.5 đến 1mm, được ép và tán chặt lại Trong các máy điện nhỏ, cực từ thường được làm từ thép khối và được gắn chắc chắn vào vỏ máy bằng bulong.
Dây quấn kích từ được làm từ dây đồng bọc cách điện, với mỗi cuộn dây được bọc cách điện cẩn thận thành một khối và được sơn cách điện trước khi lắp đặt trên các cực từ Các cuộn dây kích từ này được kết nối nối tiếp với nhau trên các cực từ.
Hình 2.2 Cực từ chính Trong các máy công suất nhỏ, cực từ chính là một nam châm vĩnh cửu
Trong các máy công suất trung bình và lớn, cực từ chính là nam châm điện
Cực từ phụ được lắp đặt giữa cực từ chính nhằm cải thiện hiệu suất làm việc của máy điện và thay đổi chiều Được chế tạo từ thép khối, cực từ phụ mang các cuộn dây tương tự như dây quấn của cực từ chính Cực từ phụ được gắn chắc chắn vào vỏ máy bằng bulong.
Gông từ là phần nối tiếp các cực từ, đồng thời cũng là vỏ máy, giúp từ thông lưu thông qua các cuộn dây và khép kín trong mạch từ Đối với máy điện lớn, gông từ thường được chế tạo từ thép đúc, trong khi đó, máy điện nhỏ thường sử dụng gông từ làm từ thép lá, được uốn thành hình trụ và hàn lại với nhau.
Nắp máy có chức năng bảo vệ thiết bị khỏi các vật rơi vào, ngăn hư hỏng dây quấn và mạch từ, đồng thời đảm bảo an toàn cho người sử dụng khi động cơ đang hoạt động Đối với máy điện nhỏ và vừa, nắp máy còn đóng vai trò làm giá đỡ ổ bi và thường được chế tạo từ gang.
Cơ cấu chổi than là bộ phận quan trọng giúp dẫn dòng điện từ phần quay ra ngoài Nó bao gồm chổi than được đặt trong hộp chổi than, có lò xo tì chặt lên cổ góp để đảm bảo tiếp xúc tốt Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá, cho phép giá chổi than quay để điều chỉnh vị trí chổi than Sau khi điều chỉnh xong, cần sử dụng vít để cố định lại vị trí Phần động của hệ thống này được gọi là Rotor.
Phận động (Rotor) bao gồm các bộ phận chính sau:
Lõi sắt phần ứng được chế tạo từ tấm thép kỹ thuật điện dày 0.5mm, được phủ cách điện mỏng và ép chặt để giảm thiểu tổn hao do dòng điện xoáy Trên bề mặt lá thép có hình dạng rãnh để lắp dây quấn, trong khi các động cơ trung bình và lớn thường được thiết kế với lỗ thông gió dọc trục nhằm tăng hiệu quả làm mát Đối với động cơ điện lớn hơn, lõi sắt được chia thành các đoạn nhỏ với khe hở thông gió giữa chúng, cho phép gió lưu thông và làm nguội dây quấn cũng như lõi sắt trong quá trình hoạt động.
Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được gắn trực tiếp vào trục Đối với động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt sẽ có giá roto, giúp tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm trọng lượng của roto.
Dây quấn phần ứng trong máy điện tạo ra suất điện động và cho phép dòng điện chạy qua Thông thường, dây quấn này được làm từ dây đồng có lớp cách điện Đối với máy điện nhỏ có công suất dưới vài kW, dây quấn phần ứng có tiết diện tròn, trong khi đó, máy điện vừa và lớn thường sử dụng dây có tiết diện hình chữ nhật, được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
Khi lắp đặt dây quấn phần ứng vào rãnh Rotor, cần sử dụng các nêm để chèn lên bề mặt cuộn dây Những nêm này sẽ giữ cho các cạnh dây quấn nằm trong rãnh, nhằm ngăn chặn việc dây bị văng ra ngoài khi chịu tác động của lực điện từ.
Cổ góp, hay còn gọi là vành đổi chiều, là thiết bị chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Cấu tạo của cổ góp bao gồm nhiều phiến góp bằng đồng, được cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0.4 đến 1.2mm, tạo thành hình trụ tròn Hai đầu của trụ tròn được giữ chặt bằng hai ốp hình chữ V, trong khi phần giữa vành ốp và trụ tròn cũng được cách điện bằng mica Đuôi vành góp được nâng cao một chút để thuận tiện cho việc hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và phiến góp.
Cánh quạt có vai trò quan trọng trong việc làm mát động cơ bằng cách được lắp trên trục động cơ để hút gió từ bên ngoài Khi động cơ hoạt động, gió sẽ được hút vào qua các khe hở trên nắp máy, giúp làm nguội dây quấn và mạch từ, đảm bảo hiệu suất hoạt động của động cơ.
Trục máy được chế tạo từ thép cứng có hàm lượng carbon cao, đảm bảo độ bền và khả năng chịu lực Lõi thép phần ứng và cổ góp được lắp đặt trên trục máy, trong khi hai đầu trục được hỗ trợ bởi hai vòng bi nằm trong nắp máy, giúp tăng cường hiệu suất hoạt động.
2.2.2 Phân loại động cơ điện một chiều
Khi phân loại động cơ điện một chiều và máy phát điện một chiều, người ta dựa vào phương pháp kích từ Có bốn loại động cơ điện một chiều phổ biến, trong đó có động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Với động cơ điện một chiều kích từ độc lập, phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ
Hình 2.4 Sơ đồ động cơ điện một chiề kích từ độc lập b Động cơ điện một chiều kích từ song song
Cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng
Hình 2.5 Sơ đồ động cơ điện kích từ song song c Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng
Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp bao gồm hai cuộn dây kích từ, trong đó một cuộn được mắc song song với phần ứng và cuộn còn lại được mắc nối tiếp với phần ứng.
2.2.3 Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều a Ưu điểm của động cơ điện một chiều
Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Từ trường của động cơ được tạo ra bởi các cuộn dây có dòng điện một chiều chạy qua, gọi là cuộn cảm hay cuộn kích từ, cuốn quanh các cực từ Stator của động cơ, nơi đặt các cuộn cảm, còn được gọi là phần cảm Từ trường này tác dụng lực lên các dây dẫn trong roto khi có dòng điện chạy qua, và cuộn dây trong roto được gọi là cuộn ứng Dòng điện vào cuộn ứng qua các chổi than và cổ góp, khiến roto mang cuộn ứng trở thành phần ứng của động cơ.
Trong hình 2.7, cấu tạo của động cơ điện một chiều được mô tả rõ ràng với các dây cuộn ứng ở nửa trên roto có dòng điện hướng vào, trong khi các dây dẫn ở nửa dưới của roto có dòng điện hướng ra ngoài Lực F tác động vào roto tạo ra chuyển động.
22 dây dẫn roto được sắp xếp theo quy tắc bàn tay trái sẽ tạo ra momen quay roto theo chiều ngược kim đồng hồ Động cơ này có hai cực từ hoặc một đôi cực.
Trong quá trình hoạt động của động cơ, cuộn cảm tạo ra từ trường dọc trục cực từ và phân bố đối xứng với cực từ Mặt phẳng OO, nơi đặt chổi than, không chỉ là mặt phẳng vật lý chung mà còn là nơi dòng điện trong cuộn ứng sinh ra từ trường ngang trục cực từ Kết quả là từ trường tổng hợp trong động cơ mất đi tính đối xứng dọc trục, và mặt phẳng trung tính vật lý quay một góc Φ ngược chiều với quay của roto so với mặt phẳng trung tính hình học.
Khi mà dòng điện trung tính càng mạnh thì Φn càng mạnh và góc quay β càng lớn Khi đó ta có thể nói phản ứng phần ứng càng mạnh
Phản ứng phần ứng gây ra tia lửa điện giữa chổi than và cổ góp, cũng như giữa các lá góp trong cổ góp Để hạn chế ảnh hưởng này, chúng ta nên xoay chổi than theo vị trí mặt phẳng trung tính vật lý (góc β) Hiện nay, trong các động cơ điện một chiều, việc thay thế cực từ phụ là điều thường gặp.
Cực từ phụ được lắp đặt giữa các cực từ chính, tạo ra từ trường ngang trục để khử từ trường Φn của cuộn ứng Điều này giúp hạn chế phản ứng phần ứng và cải thiện quá trình chuyển mạch trong động cơ.
Từ trường Φn tạo ra phản ứng phần ứng tỷ lệ với dòng điện phần ứng Iư, dẫn đến việc cuộn dây cực từ phụ được mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng Khi dòng điện phần ứng tăng, cuộn dây cực từ phụ sẽ sinh ra từ trường ngược mạnh hơn để khử từ trường Φn.
Biện pháp tăng khe hở không khí giữa Stator và Rotor được áp dụng để cải thiện hiệu suất động cơ Tuy nhiên, việc này dẫn đến sự gia tăng kích thước động cơ và yêu cầu phải tăng cường thêm cuộn kích từ, vì khe hở lớn sẽ làm yếu đi từ trường chính.
Đối với động cơ điện một chiều có công suất trung bình và lớn, biện pháp hiệu quả là thêm cuộn dây bù vào rãnh ở các cực từ chính để tạo ra từ trường.
23 thông Φb ngược chiều với Φn làm từ thông ở khe hở không khí không bị méo nữa và cuộn bù cũng được mắc nối tiếp với cuộn ứng
Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
2.3.1 Chỉ tiêu điều chỉnh tốc độ Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản xuất Để đánh giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện, thường căn cứ vào một số chỉ tiêu sau: a Sai số tốc độ
Sai số tĩnh tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt và được đánh giá thông qua: s% = 𝜔 đ − 𝜔
𝜔 đ 100 Mong muốn: sai số 𝜔 đ = ω, s% càng nhỏ càng tốt
Tính liên tục (độ trơn của dải điều chỉnh) γ = 𝜔 𝜔 𝑖+1
𝜔 𝑖+1 ≈ 𝜔 𝑖 : hệ thống điều khiển liên tục
𝜔 𝑖+1 ≠ 𝜔 𝑖 : hệ thống điều khiển nhảy cấp
Mong muốn γ→1: hệ truyền động có thể làm việc ổn định ở mọi giá trị trong suốt dải điều chỉnh b Dải điều chỉnh tốc độ
Dải điều chỉnh tốc độ (D) là tỷ số giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với momen tải đã cho
Mong muốn D càng lớn càng tốt
Ngoài ra còn các chỉ tiêu khác như: chỉ tiêu kinh tế, chỉ tiêu kích thước,
Ta thấy rằng việc điều chỉnh động cơ điện một chiều có thể thực hiện được bằng cách thay đổi các đại lượng: Rư, Φ, Uư
Thực tế có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều
2.3.2 Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng Đây là phương pháp kinh điển dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ trong nhiều năm a Nguyên lý điều khiển
Trong phương pháp này, người ta duy trì U = Uđm và Φ = Φđm, đồng thời thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng nhằm tăng điện trở phần ứng Điều này ảnh hưởng đến độ cứng của đường đặc tính cơ.
Ta thấy khi điện trở càng lớn thì 𝛽 càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do đó càng mềm
Khi điện trở phụ Rf = 0, động cơ đạt độ cứng tự nhiên βTN lớn nhất, dẫn đến đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng vượt trội so với các đường đặc tính cơ khác có điện trở phụ.
Như vậy, khi ta thay đổi Rf ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên
Khi điện trở mạch phần ứng tăng, tốc độ đặc tính sẽ lớn hơn, dẫn đến đặc tính cơ mềm hơn Tuy nhiên, điều này cũng làm giảm độ ổn định tốc độ và gia tăng sai số tốc độ.
Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm)
Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ Thực tế, loại động cơ này thường được sử dụng trong các cần trục.
Tính liên tục: phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà phải điều khiển nhảy cấp
Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số momen tải Tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh D
= ωmax/ωmin càng nhỏ Phương pháp này có thể điều chỉnh trong dải D = 3:1
Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ lớn Chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản
2.3.3 Phương pháp thay đổi từ thông Φ a Nguyên lý điều khiển
Giả thiết U = Uđm; Rư = const Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi dòng điện kích từ
Thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối tiếp biến trở vào mạch kích từ thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ
Động cơ thường hoạt động ở chế độ định mức với kích thích tối đa (Φ = Φđm) Phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở trong mạch kích từ, do đó chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông Φ, tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức.
→ Khi giảm Φ thì tốc độ không tải lý tưởng ωo = 𝑈 đ𝑚
𝑘𝛷 tăng, còn tốc độ cứng đặc tính cơ
26 β = − (𝑘𝛷) 𝑅 2 ư giảm, ta thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên
Khi giảm từ thông để tăng tốc độ động cơ, dòng điện sẽ tăng lên và có thể vượt quá mức cho phép nếu momen giữ nguyên Để duy trì dòng điện trong giới hạn an toàn trong khi giảm từ thông, cần phải giảm momen theo tỷ lệ tương ứng.
Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng
Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức
Việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch
Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển với công suất không đổi c Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển
Sai số tốc độ lớn: đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên
Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy Có thể điều khiển trơn trong dải điều chỉnh D = 3:1
Tính liên tục: vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ nên ta có thể điều khiển liên tục với Φ ≈ 1
Phương pháp này được áp dụng rộng rãi nhờ vào khả năng thay đổi linh hoạt và tính kinh tế, vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích từ chỉ từ 1% đến 10% dòng định mức của phần ứng giúp giảm thiểu tổn hao điều chỉnh.
→ Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một chiều khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển
2.3.4 Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng a Nguyên lý làm việc Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều cần có thiết bị nguồn (máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển )
Hình 2.10 Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp Ở phương pháp này: U = var; Φđm = const, Rf = 0
Khi thay đổi phần ứng bằng cách giảm điện áp, từ thông của động cơ vẫn được giữ không đổi, dẫn đến độ cứng của đặc tính cơ không thay đổi Do đó, tốc độ không tải lý tưởng ωo sẽ bằng 𝑈.
𝑘.𝛷 thay đổi tùy thuộc vào giá trị điện áp phần ứng
Do đó, chúng ta có được đặc tính mới với vùng điều khiển tốc độ thấp hơn tốc độ định mức b Phương pháp này cho thấy rằng khi điện áp phần ứng giảm, tốc độ động cơ cũng giảm theo Việc điều chỉnh diễn ra một cách trơn tru trong toàn bộ dải điều chỉnh, với độ cứng của đặc tính cơ cao và được duy trì ổn định trong suốt dải điều chỉnh.
Chỉ thay đổi tốc độ về phía giảm
Rất dễ tự động hóa khi dùng chỉnh lưu có điều khiển
Phương pháp này điều khiển với momen không đổi vì Φ và Iư đều không đổi c Đánh giá chỉ tiêu điều khiển
Sai số tốc độ lớn: sai số tốc độ bằng sai số tốc độ của đặc tính cơ tự nhiên
Điện áp của động cơ được điều chỉnh liên tục thông qua bộ biến đổi, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Hiện nay, các bộ biến đổi có công suất nhỏ, cho phép việc điều chỉnh điện áp một cách linh hoạt và hiệu quả.
Dải điều chỉnh có thể đạt được D = 10:1
Phương pháp này là giải pháp duy nhất cho phép điều chỉnh liên tục tốc độ của động cơ một chiều trong vùng tốc độ thấp hơn tốc độ định mức.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều thông qua việc điều chỉnh điện áp phần ứng được đánh giá là triệt để và có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với hai phương pháp còn lại Do đó, chúng ta lựa chọn phương pháp này để tối ưu hóa việc kiểm soát tốc độ động cơ.
THIẾT KẾ MẠCH LỰC
Lựa chọn phương án chỉnh lưu
3.1.1 Chỉnh lưu điều khiển cầu một pha a Sơ đồ mạch chỉnh lưu
Hình 3.1 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha đối xứng b Giản đồ điện áp và dòng điện
Hình 3.2 Giản đồ điện áp và dòng điện sơ đồ cầu một pha
- Giá trị điện áp trung bình của tải sẽ được tính theo công thức:
- Giá trị điện áp ngược đặt lên van:
Nhược điểm của chỉnh lưu cầu một pha
Khi dòng tải lớn xuất hiện, lưới điện sẽ mất tính đối xứng Trong ngành công nghiệp, lưới điện ba pha thường được sử dụng, do đó việc chỉ sử dụng chỉnh lưu một pha sẽ gặp nhiều hạn chế.
Các sơ đồ chỉnh lưu một pha thường tạo ra điện áp có chất lượng kém, với biên độ đập mạch điện áp lớn và thành phần sóng hài bậc cao đáng kể, điều này không phù hợp với nhiều loại tải Để cải thiện chất lượng điện áp, cần áp dụng các sơ đồ chỉnh lưu với nhiều pha hơn.
3.1.2 Chỉnh lưu hình tia ba pha a Sơ đồ chỉnh lưu
Hình 3.3 Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha
31 b Giản đồ điện áp và dòng điện
Hình 3.4 Giàn đồ điện áp và dòng điện sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha
- Điện áp trung bình trên tải:
- Điện áp cực đại đặt lên van:
- Dòng điện trung bình từ mạch chỉnh lưu ra tải:
Chỉnh lưu tia ba pha mang lại chất lượng điện áp một chiều tốt hơn so với chỉnh lưu một pha, với biên độ điện áp đập mạch thấp hơn và thành phần sóng hài bậc cao giảm thiểu Sự hiện diện của chỉ một van dẫn giúp giảm sụt áp trên van, dẫn đến công suất tiêu thụ thấp hơn Điều này làm cho việc điều khiển các van bán dẫn trở nên đơn giản hơn.
Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha hiện tại chưa cung cấp chất lượng điện áp ra tải tối ưu, do điện áp ra có độ đập mạch cao, dẫn đến sự xuất hiện của nhiều thành phần sóng hài bậc cao.
3.1.3 Chỉnh lưu điều khiển cầu ba pha đối xứng a Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng
Hình 3.5 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng
Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng hình 3.5 gồm 6 tiristor chia thành hai nhóm:
- Nhóm catot chung gồm ba Tiristor T1, T3, T5
- Nhóm anot chung gồm ba van Tiristor T2, T4, T6 b Giản đồ điện áp và dòng điện
- Điện áp trung bình trên tải:
- Điện áp cực đại đặt lên van:
- Dòng điện chảy qua van:
Hình 3.6 Giản đồ điện áp và dòng điện
- Điện áp ra đập mạch nhỏ do vậy mà chất lượng điện áp tốt
- Điện áp ngược trên van là lớn do đó nó có thể được sử dụng với điện áp khá cao
- Cho phép đấu thẳng và điện lưới ba pha
- Cần phải mở đồng thời hai van theo đúng thứ tự pha nên phức tạp
- Sụt áp trên mạch van gấp đôi so với sơ đồ hình tia nên cũng không phù hợp với những cấp điện áp ra tải dưới 10V
- Điều khiển đóng mở van khá phức tạp
Trong ba phương án điều khiển, chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng là lựa chọn tối ưu khi cần chất lượng điện áp một chiều cao Sơ đồ này mang lại điện áp ra tốt nhất so với các phương án chỉnh lưu khác Với nhiều ưu điểm vượt trội, chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện với dải công suất từ nhỏ đến hàng ngàn KW.
Trong 34 trường hợp tải yêu cầu hoàn trả năng lượng về lưới, đặc biệt là trong điều khiển động cơ điện một chiều, tôi đã chọn sử dụng mạch chỉnh lưu sơ đồ cầu ba pha đối xứng để điều khiển máy đùn nhựa.
Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển
Hình 3.7 Sơ đồ mạch lực
Hình 3.8 Giản đồ điện áp sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha
Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không đảo chiều quay sử dụng các van dẫn thyristor, trong đó T1, T3, T5 là thyristor nhóm katot chung, còn T2, T4, T6 là thyristor nhóm anot chung Động cơ điện một chiều kích từ độc lập được điều khiển thông qua việc thay đổi góc mở α của hệ thống, giúp điều chỉnh điện áp ra cho phần ứng của động cơ.
Với các thyristor thuộc nhóm đấu katot chung, góc điều khiển được xác định tại điểm giao nhau của điện áp pha nguồn trong nửa chu kỳ điện áp dương.
Trong các thyristor thuộc nhóm đấu chung anot, góc điều khiển được xác định tại điểm giao nhau của điện áp pha nguồn trong nửa chu kỳ điện áp âm.
Xung điều khiển được phát lần lượt theo đúng thứ tự đánh số từ T1 đến T6 cách nhau 60̊ điện, còn mỗi nhóm thì xung cách nhau 120̊.
Tính toán chọn mạch lực
Các thông số chính của động cơ một chiều truyền động máy đùn như sau:
Công suất định mức: Pđm = 40 (kW) Tốc độ quay: n = 1000 (vg/ph) Điện áp định mức: Uđm = 220 (V) Hiệu suất ɳ = 85%
3.3.1 Tính toán các thông số của chỉnh lưu Điện áp chỉnh lưu được tương ứng với tải định mức được xác định:
UĐđm: điện áp động cơ định mức, UĐđm = 220V
∑∆UV: tổng sụt áp trên van, trong sơ đồ cầu 2 pha mỗi thời điểm có 2 van dẫn nên
∑∆UV = 2∆UV (sụt áp trên các van thông thường nằm trong khoảng (1÷2,6)V, chọn ∆UV = 2V
∑∆ ULđ: là sụt áp trên bộ lọc một chiều, nằm trong khoảng (5÷10%) UĐđm, chọn
Ta có điện áp chỉnh lưu định mức là:
3.3.2 Tính chọn van mạch lực
Các van trong mạch chỉnh lưu công suất phải hoạt động với dòng điện lớn và điện áp cao, dẫn đến công suất phát nhiệt lớn Do đó, việc tính toán và chọn lựa van hợp lý là rất quan trọng để đảm bảo mạch hoạt động một cách tin cậy.
Khi chọn van ta dựa vào 2 chỉ tiêu chính:
- Chỉ tiêu về dòng điện
- Chỉ tiêu về điện áp a Chỉ tiêu dòng điện
Khi đã xác định được các tham số về dòng điện tải định mức hoặc lớn nhất và chọn phương án sơ đồ chỉnh lưu, việc xác định giá trị trung bình dòng điện Itbv thực tế qua từng van là rất quan trọng Để thực hiện điều này, ta cần chọn van theo nguyên tắc phù hợp.
Iv: dòng trung bình của van được chọn klv: hệ số dự trữ về dòng điện cho van Với dòng qua van lớn, chọn klv= 3,2
Vậy trị số dòng trung bình qua van:
Trị số dòng điện cho phép đi qua van được ghi trong sổ tay tra cứu chỉ chính xác khi van hoạt động trong điều kiện tiêu chuẩn Do đó, cần phải hiệu chỉnh trị số này để đảm bảo tính chính xác khi sử dụng.
Trong các mạch chỉnh lưu, van dẫn dòng theo chu kỳ của lưới điện xoay chiều, với dòng qua van có dạng hình sin và kéo dài đúng nửa chu kỳ nguồn điện Đối với chỉnh lưu cầu 3 pha, khoảng dẫn của van là λ0 0.
Nên giá trị dòng cho phép qua van cũng giảm đi và bằng 0,8Icp
Vậy phải chọn van có dòng trung bình thỏa mãn: Iv = 0,8.228,3= 182,6 (A) b Chỉ tiêu điện áp
Chọn van theo chỉ tiêu điện áp cần biết điện áp ngược làm việc lớn nhất của van
Ungmax rồi sau đó cũng theo nguyên tắc điện áp của van được chọn phải thỏa mãn điều kiện:
38 kUv: hệ số dự trữ về điện áp cho van, thường lấy trong khoảng 1,7 ÷ 2,2 do thực tế điện áp lưới không ổn định Chọn kUv = 1,8
Ungmax:điện áp ngược lớn nhất trên van, được tính bởi công thức:
Ungmax = 2,45.U2 = 2,45.220= 539 (V) Thay kUv và Ungmax vào biểu thức ta có:
Từ hai thông số trên chọn thyristor theo [Phụ lục 2 – Bảng 2.1.1 – Sách hướng dẫn thiết kế điện tử công suất], ta chọn được Thyristor loại T14 – 250 do Nga chế tạo
Các thông số của thyristor:
- Dòng trung bình cho phép qua van: Itb = 250 (A)
- Cấp độ điện áp-phân cấp theo điện áp tối đa mà van chịu được: Umax = 1000V
- Sụt áp thuận trên van ở dòng định mức: ∆Uv = 1,75V
- Điện áp điều khiển mở van: Uđk = 3,5 (V)
- Dòng điều khiển mở van: Iđk = 200 (mA)
- Dòng điện rò khi van ở trạng thái khóa: Irb = 25(mA)
3.3.3 Tính chọn máy biến áp Điện áp chỉnh lưu với tải định mức: Ud = Uđm + ∆Uck + ∆Uba+ ∆Uvan
Uđm = 220 (V) – điện áp định mức động cơ
∆Uck = 5%.220 (V) – độ sụt áp trên cuộn kháng (thường khoảng 5 ÷10% điện áp tải định mức)
∆Uba = 11 (V) – độ sụt áp trên máy biến áp(thường khoảng 5 ÷10% điện áp tải định mức)
∆Uvan = 4 (V) – sụt áp trung bình trên van
Thay vào ta có điện áp chỉnh lưu:
Ud = Uđm + ∆Uck + ∆Uba+ ∆Uvan = 220 + 11 + 11 + 4 = 246 (V)
39 Ở chế độ định mức, tương ứng với góc αmin, điện áp chỉnh lưu định mức là:
Ud = Udo.cosαmin Với αmin = 15ᵒ
- Do biến áp đấu Δ/Y nên điện áp trên cuộn sơ cấp U1 = 380 (V)
- Công suất một chiều trên tải: Pd = Udo.Id = 254,67.154,5 = 39,3 (kW)
- Công suất tính toán máy biến áp dựa theo bảng 1.1 [TL – 1]:
- Hệ số máy biến áp:
- Trị số hiệu dụng dòng cuộn thứ cấp: I2 = 0,816.Id = 0,816.154,5 = 126,07 (A)
- Trị số dòng điện cuộn sơ cấp: 𝐼 1 = 0,816 𝐼 𝑑
3,5 = 36,02 (A) Vậy tham số máy biến áp cần có là:
- Công suất máy biến áp: Sba = 41,3 (kVA)
- Điện áp sơ cấp máy biến áp: U1 = 380 (V)
- Điện áp thứ cấp máy biến áp: U2 = 108,83 (V)
3.3.4 Tính chọn cuộn kháng lọc
Mục đích của việc tính toán bộ lọc là xác định các trị số điện cảm cần thiết để đạt được hệ số đập mạch yêu cầu và điều chỉnh kích thước cho phù hợp Việc tính giá trị điện cảm là bước quan trọng trong quá trình này.
Giá trị điện cảm cuộn kháng lọc được xác định theo công thức:
- mđm: hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ điện áp xoay chiều Với mạch chỉnh lưu cầu ba pha, mđm = 6
- ω1: tần số góc của điện áp xoay chiều ω1 = 2.π.f = 2.π.50 = 314 (rad/s)
- ksb: hệ số san bằng với 𝑘 𝑠𝑏 = 𝑘 𝑘 đ𝑚𝑣 đ𝑚𝑟
kđmv: hệ số đập mạch đầu vào, thường là của sơ đồ chỉnh lưu đứng trước bộ lọc
Hệ số đập mạch đầu ra (kđmr) là chỉ số thể hiện khả năng giảm độ đập mạch của bộ lọc Để bộ lọc hoạt động hiệu quả trong việc giảm độ đập mạch, kđmr cần phải nhỏ hơn kđmv Điều này có nghĩa là bộ lọc sẽ càng hiệu quả hơn khi có ksb lớn.
Cả hai hệ số đập mạch này đều tính theo biểu thức định nghĩa: 𝑘 𝑑𝑚 = 𝑈 1𝑚
Đầu tiên, cần xác định hệ số đập mạch vào lớn nhất tương ứng với góc điều khiển αmax, tại điểm này điện áp trên động cơ đạt giá trị nhỏ nhất, tương ứng với tốc độ góc tối thiểu.
Ta có điện áp định mức của động cơ xác định bởi: UĐđm= kΦđmωĐđm + IĐRưĐ Với RưĐ là điện trở phần ứng:
𝐼 đ𝑚 = 0,5(1 - 0.85) 220 214 = 0,08 Ω Mặt khác từ phương trình đặc tính cơ tự nhiên ta có: kΦđm = 𝑈 Đđ𝑚 𝜔 − 𝐼 Đ 𝑅 ưĐ Đđ𝑚 = 220− 214.0,08
105 = 1,93(Wb) Điện áp nhỏ nhất trên động cơ là:
Hệ số đập mạch k*đm khi dòng tải liên tục là:
Với chỉnh lưu cầu 3 pha thì số lần đập mạch là: mđm = 6
Hệ số đập mạch tương ứng với góc điều khiển αmax là:
Với dòng tải 214 A và chế độ điều chỉnh sâu nhất là 21,4 A, độ đập mạch đạt 5% (Id = 0,05.214 = 10,7 A) Do đó, hệ số đập mạch ra cần thiết khi lọc là rất quan trọng.
Khi đó hệ số san bằng của bộ lọc là: 𝑘 𝑠𝑏 = 𝑘 𝑑𝑚𝑣
0.5 = 2,9 Với ksb = 2,9 bộ lọc điện cảm được tính bởi:
𝐿 𝑑 = 𝑚 𝑅 𝑑 đ𝑚 𝜔 1 √𝑘 𝑠𝑏 2 − 1 = 6.314 1,1 √2,9 2 − 1 = 1,6 (mH) Chọn L = 2 mH b Thiết kế cuộn kháng lọc
Trước tiên ta cần xác định số liệu cần thiết cho việc thiết kế như sau:
- Giá trị điện cảm lọc L= 2(mH)
- Dòng điện một chiều trung bình qua cuộn cảm Id !4A
- Sụt áp một chiều tối đa cho phép trên cuộn kháng ∆Um thường nằm trong khoảng
(5 ÷ 10%) điện áp ra tải chọn ∆Um = 8%.220 = 17,6 V
- Sụt áp xoay chiều tối đa cho phép trên cuộn kháng ∆U~ =6V
- Tần số đập mạch của sóng hài bậc 1 của điện áp chỉnh lưu fđm = m.f =6.50 300 (Hz)
- Nhiệt độ môi trường nơi đặt cuộn kháng Tmt = 40 o C
- Chênh lệch nhiệt độ tối đa cho phép giữa nhiệt độ cuộn dây điện cảm và nhiệt độ mội trường ∆T= 50 o C
Hình 3.9 Kết cấu cuộn kháng lọc
- Các thông số: b = (1 ÷ 1,5).a => chọn b = 1,5.a = 1,5.8 = 12(cm) c = (0,6 ÷ 0,8).a => chọn c = 0,8.a = 0,8.8 = 6,4 (cm) h = (2 ÷ 3).a => chọn h = 3.a = 3.8 = 24 (cm)
- Tiết diện lõi thép: Sth = a.b = 8.12 = 96 (cm 2 )
- Diện tích cửa sổ: Scc = h.c $.6,4 = 153,6 (cm 2 )
- Độ dài trung bình đường sức: lth = 2.(a+h+c) = 2.(8+24+6,4) = 76,8 (cm)
- Độ dài trung bình dây quấn: ldq= 2.(a+b)+π.c = 2.(8+12)+π.6,4 = 60,1 (cm)
- Thể tích lõi thép: Vth= 2a.b.(a+h+c) = 2.8.12.(8+24+6,4) = 7372,8 (cm 3 )
Điện trở dây quấn ở nhiệt độ 20 o C đảm bảo độ sụt áp cho phép:
Số vòng dây cuộn cảm:
Tính hệ số μ theo H và B Vì B > 0,005T μ = 542 ( 𝐻
Trị số điện cảm nhận được: 𝐿 𝑡𝑡 = μ.𝑤 2 𝑆 𝑡ℎ
100.76,8 = 7,8(mH) Trị số này lớn hơn 5% giá trị yêu cầu nên chấp nhận được
Khe hở tối ưu: lkh = 1,6.10 -3 w.Id = 1,6.10 -3 167.214 = 57,2 (mm)
Vì trên đường đi mạch từ có hai đoạn có khe hở nên miếng đệm sẽ có độ dày bằng một nửa trị số trên: lđệm = 0,5.lkh = 0,5.57,2 = 28,6 (mm)
Chọn lõi cuộn dây có độ dầy 5mm, nên độ cao sử dụng để quấn dây sẽ là: hsd = h -2𝛥𝑐 = 24 – 2.0,5 = 23 (cm)
Số vòng dây trong một lớp: W’= ℎ 𝑠𝑑
1,25 = 18,4 Như vậy một lớp quấn được 18 vòng
Lấy khoảng cách giữa 2 lớp dây quấn ∆ld =1mm thì độ dầy của cuộn dây là:
∆cd = n(d + ∆ld ) = 10(0,6 +0,1) = 7 cm d: là độ dầy dây quấn (loại dẹt)
Kiểm tra chênh lệch nhiệt độ
Tổn thất trong dây quấn đồng:
1+4,26.10 −3 (40−20) = 3540,1W Tổng diện tích bề mặt của cuộn dây:
Scu = 2hsd(a+b+π ∆cd ) + 1,4∆cd (π ∆cd +2a) = 2.23(8+12+7 π) + 1,4.7(7 π +2.8) = 2303,28 (cm 2 )
Tính toán bảo vệ mạch lực
Trong bộ chỉnh lưu, các van bán dẫn là phần tử nhạy cảm nhất với biến đổi điện áp và dòng điện Do đó, việc bảo vệ mạch lực chủ yếu tập trung vào việc ngăn chặn các tình trạng quá dòng và quá áp để bảo vệ các van bán dẫn.
Quá trình gây hỏng van có thể xảy ra do hai nguyên nhân chính: quá áp về biên độ vượt quá trị số cho phép của van và tốc độ tăng điện áp thuận đặt lên van Các nguyên nhân dẫn đến tình trạng quá áp này cần được xác định rõ để có biện pháp khắc phục hiệu quả.
- Quá áp từ lưới điện đưa tới Đây là quá áp như sét đánh vào đường dây điện, do ngắt các phụ tải chung nguồn với bộ chỉnh lưu
- Quá áp do đòng cắt các khối chức năng của bản thân bộ chỉnh lưu
Hiện tượng quá áp do chuyển mạch giữa các van trong quá trình làm việc là một hiện tượng chu kỳ, thường xuyên, liên quan mật thiết đến hoạt động của mạch chỉnh lưu Trong khi đó, hai loại hiện tượng khác thường mang tính ngẫu nhiên.
Bảo vệ quá điện áp trong quá trình đóng cắt Thyristor được thực hiện bằng cách kết nối R-C song song với thyristor Khi chuyển mạch, các điện tích trong lớp bán dẫn sẽ phóng ra, tạo ra dòng điện ngược trong thời gian ngắn.
Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược tạo ra sức điện động cảm ứng lớn trong các điện cảm, dẫn đến quá điện áp giữa anod và canod của thyristor Tuy nhiên, khi mạch R-C được mắc song song với thyristor, nó tạo ra mạch vòng phòng điện tích trong quá trình chuyển mạch, giúp bảo vệ thyristor khỏi tình trạng quá điện áp.
Biện pháp bảo vệ hiệu quả nhất hiện nay là sử dụng mạch RC mắc song song với van, cần đặt gần van và giữ dây nối ngắn nhất có thể Mặc dù chỉ cần tụ C, nhưng khi van dẫn, dòng phóng từ tụ C sẽ làm nóng van, do đó cần thêm điện trở R để giới hạn dòng điện trong khoảng 10 ÷ 15 (A).
Do việc xác định trị số RC ở đây cũng phức tạp nên ta chọn theo kinh nghiệm thực tế: điện trở nằm trong khoảng 10 ÷ 100 (Ω), còn tụ điện từ 0,1 ÷ 2 (μF)
Hình 3.10 Mạch bảo vệ Tiristor
TÍNH TOÁN MẠCH TẠO XUNG ĐIỀU KHIỂN
Tổng quan mạch tạo xung điều khiển
Hình 4.1 Sơ đồ khối mạch tạo xung điều khiển dọc Trong đó:
Khâu đồng pha đảm bảo mối quan hệ về góc pha cố định với điện áp của van lực, giúp xác định điểm gốc cho việc tính toán góc điều khiển α Nó tạo ra điện áp phù hợp với xung nhịp, phục vụ cho hoạt động của khâu tạo điện áp tựa phía sau.
Khâu Utua tạo ra điện áp cố định, thường là điện áp dạng răng cưa, theo chu kỳ nhờ nhịp đồng bộ của Udb Thiết bị này giúp khắc phục nhược điểm của điện áp hình sin, giảm thiểu ảnh hưởng từ điện áp và tần số của nguồn điện xoay chiều.
Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa (dạng răng cưa hoặc hình sin) để xác định thời điểm phát xung điều khiển, thường là khi hai điện áp này bằng nhau Điều này liên quan đến việc xác định góc điều khiển α Tùy thuộc vào điện áp tựa và điện áp điều khiển được đưa vào, điện áp ra sẽ xuất hiện xung âm hoặc xung dương tại thời điểm cân bằng giữa chúng.
Khâu tạo xung sử dụng dạng xung chùm, cho phép mở van lực hiệu quả trong mọi tình huống và với nhiều loại tải khác nhau Xung chùm là tập hợp các xung có tần số cao, gấp nhiều lần tần số lưới điện (fxc = 6 - 12 kHz) Độ rộng của chùm xung được giới hạn trong khoảng 100 đến 130 độ điện, và nguyên tắc là nó phải kết thúc khi điện áp trên van lực chuyển sang âm.
Khâu khuếch đại xung có vai trò quan trọng trong việc tăng cường công suất của xung điều khiển, đảm bảo đủ mạnh để kích hoạt van lực Thysistor thường mở khi xung điều khiển đạt điện áp UGK từ 5 đến 10 V và dòng điện IG từ 0,3 đến 1 A trong khoảng thời gian khoảng 100μs.
47 Đầu ra của khâu khuếch đại xung sẽ nối với các cực G – K của thysistor, còn đầu vào nối với các khâu tạo dạng xung
4.1.1 Khâu đồng bộ a Sơ đồ nguyên lý
Hình 4.2 Mạch tạo xung nhịp đồng bộ kết hợp chỉnh lưu và OA
Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung nhịp đồng bộ bao gồm máy biến áp đồng pha, mạch chỉnh lưu hình tia với hai nửa chu kỳ diode D1 và D2, trong đó tải cho mạch chỉnh lưu là một điện trở.
Điện áp thứ cấp của biến áp đồng pha được chỉnh lưu thành điện áp nửa hình sin dương tại điểm Ucl Điện áp này được đưa vào cổng không đảo (+) của khuếch đại thuật toán OA1 thông qua điện trở R1 Trong khi đó, điện áp ngưỡng Ung được đưa vào cổng đảo (-) của OA1, với nguồn từ điện trở R4 và biến trở P1, để so sánh với điện áp Ucl Mối quan hệ giữa điện áp đồng bộ sẽ được thiết lập dựa trên các yếu tố này.
Trong khoảng thời gian từ (0 – θ1) và (θ2 – θ3), giá trị Ung vượt quá Ucl, dẫn đến tín hiệu ra tại Uđb tương ứng với Ung Do tín hiệu Ung được đưa vào cổng (-) của khuếch đại thuật toán, tín hiệu ra Uđb sẽ mang giá trị âm và bằng điện áp bão hòa của OA, cụ thể là Uđb = - Ubh.
Trong khoảng thời gian từ θ1 đến θ2, điện áp Ucl có giá trị dương, dẫn đến tín hiệu đầu ra Uđb cũng sẽ dương Điều này xảy ra vì Ucl được đưa vào cổng dương của khuếch đại thuật toán, do đó tín hiệu đầu ra Uđb sẽ bằng điện áp bão hòa của OA, cụ thể là Uđb = + Ubh.
Tín hiệu ra Uđb được biểu diễn dưới dạng một dãy xung hình chữ nhật Để tính toán các thông số phần tử trong khâu đồng bộ, điện áp đồng pha thường có giá trị hiệu dụng từ 10 đến 12V, do đó ta chọn Udp là 11V.
Chọn diode D1, D2 loại 1N4002 với tham số là:
- Ungmax= 100(V) Điện chở tải cho chỉnh lưu chọn R0 = 1(kΩ)
Mạch so sánh đồng bộ: chọn R1 = 15 kΩ để có phạm vi điều chỉnh là (0÷170 0 )
- Unguong = √2.Udp.sin αmin = √2.11.sin5 0 = 1,36V
Tuy nhiên nếu tính sụt áp trên diode chỉnh lưu thì nguõng phải giảm đi cỡ 0,5V do đó Unguong ≈ 0,8V
Chọn dòng điện qua phân áp P1 và điện trở R4là 1mA
Vậy tổng trở của bộ phân áp là:
10 −3 = 12(kΩ) Chọn điện trở R4 = 10 kΩ và biến trở P1 = 2 kΩ (cho phép điều chỉnh từ 0 đến 2V)
4.1.2 Khâu tạo điện áp răng cưa a Sơ đồ nguyên lý
Điện áp ra Uđb được đưa vào cổng (-) của khuếch đại thuật toán OA2 thông qua diode D9 và điện trở R5 Khi Uđb âm, diode D9 dẫn điện, cho phép tụ C1 được nạp bởi hai dòng IC1 và IC2.
Dòng IC1 chảy từ đất qua tụ C1, đi qua điện trở R5 và diode D9 để đến Uđb Trong khi đó, dòng IC2 từ nguồn +E đi qua biến trở P2 và điện trở R6 vào tụ C1 Thông thường, R5 được chọn nhỏ hơn nhiều so với R6, do đó, tụ C1 chủ yếu được nạp bởi dòng IC1.
Khi Uđb dương, diode D9 sẽ khóa, dẫn đến tụ C1 không được nạp và phóng điện, làm giảm điện áp về 0 Do đó, điện áp ra tại khâu răng cưa Urc sẽ tạo thành một dãy xung hình răng cưa Cần tính toán các thông số của phần tử trong khâu tạo điện áp tựa để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Chọn E = +12V, f = 50Hz, Udp V, Urcmax = 10V, góc điều khiển 170 0 , T = 20ms Chọn khuếch đại thuật toán OA loại TL082 chứa trong 1 vỏ IC Điện áp đồng pha
Udpmax được tính bằng công thức √2.Udp, trong đó Udp là 11V, dẫn đến Udpmax = √2.11 = 15,55V Đây là mức điện áp lớn, và khi điện áp lưới biến động, giá trị này có thể còn cao hơn Do đó, cần sử dụng một bộ bảo vệ đầu vào OA bằng hai diode đấu song song ngược nhau để đảm bảo an toàn.
Thời gian tụ C1 phòng: tp =
- Chọn diode ổn áp loại BZX79 có UDZ = 10V
𝑅6 Điện áp bão hòa của OA2 là: Ubh = E – 1,5 = 12 – 1,5 = 10,5(V)
Ta có thời gian C nạp điện là tn = 𝑇
4.1.3 Khâu so sánh a Sơ đồ nguyên lý
Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý (a) và đồ thị làm việc (b) khâu so sánh b Nguyên lý làm việc
Tín hiệu từ quá trình tạo điện áp răng cưa được so sánh với tín hiệu điều khiển Uđk thông qua khuếch đại thuật toán OA3, sử dụng hai điện trở R9 và R10 Điện áp này sẽ tuân theo quy luật nhất định.
Với Ko là hệ số khuếch đại thuật toán OA3
Lựa chọn thiết bị đo
4.2.1 Lựa chọn thiết bị đo tốc độ Để lấy tín hiệu phản hồi tốc độ, ta cần sử dụng máy phát tốc Máy phát tốc là máy điện nhỏ, làm việc ở chế độ máy phát và thực hiện chức năng biến đổi chuyển động quay của trục động cơ thành tín hiệu điện áp
Phương trình đặc tính ra của máy phát tốc như sau:
Trong đó: UF: điện áp ra của máy phát tốc
K, K1: các hệ số khuếch đại n: vận tốc quay của roto α: góc quay
Theo cấu tạo và nguyên lý làm việc, máy phát tốc có thể chia thành:
- Máy phát tốc dồng bộ
- Máy phát tốc không đồng bộ
- Máy phát tốc một chiều
Sơ đồ máy phát tốc được thể hiện trên hình 4.9 trong hệ thống, máy phát tốc thực hiện các chức năng như sau:
- Thực hiện mối quan hệ ngược về tốc quay trong các hệ thống theo dõi
- Thực hiện vi phân theo góc quay
Biến trở trong sơ đồ máy phát tốc hoạt động như một cầu phân áp, cho phép điều chỉnh điện áp ra phù hợp với điện áp đặt cho tốc độ động cơ.
Chọn máy phát tốc với các thông số kỹ thuật:
Ta có thông số phản hồi âm tốc độ γ là: γ = 𝑈 𝐹
4.2.2 Lựa chọn thiết bị đo dòng điện
Chọn máy biến dòng loại hạ áp emic 50/5 (A), hệ số biến dòng P1 = 1/10
Hình 4.11 Sơ đồ máy biến dòng ba pha Chọn diode chỉnh lưu theo dòng điện: Idiode > Ilv.Idb
60 Hình 4.12 Sơ đồ mạch điều khiển
61 Hình 4.13 Giản đồ điện áp các khâu
