Thiết kế hệ truyền động tự động THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ 22 CHƯƠNG II. BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU TIRISTOR Các bộ biến đổi điện áp và dòng điện Trong các ngành công nghiệp thiết bị máy móc sử dụng năng lượng điện dưới những dạng khác nhau. Trong khuôn khổ bản đồ án này chỉ chình bày các kỹ thuật biến đổi các dạng điện năng. Biến năng lượng điện xoay chiều công nghiệp hay của máy phát điện xoay chiều sẵ n có thành những năng lượng điện một chiều muốn có bằng phương pháp chỉnh lưu. Dạng biến đổi này được dùng rộng rãi nhất trong các dạng biến đổi năng lượng điện Ngoài ra trong thực tế người ta còn sử dụng các quá trình biến đổi năng lượng điện khác như. - Kỹ thuật nghịch lưu. - Kỹ thuật biến tần. Trong các h ệ truyển động 1 chiều. Nguồn cung cấp thường là các bộ biến đồi (BBĐ) chỉnh lưu điều khiển. Việc chọn được BBĐ phù hợp với yêu cầu của công nghệ và tối ưu về kinh tế là một việc quan trọng. Vì vậy trong chương này ta sẽ phân tích về chỉnh lưu Tiristor để chọn lựa được sơ đồ phù hợp và thiết kế mạch đi ều khiển nó. I./ KHÁI NIỆM CHUNG . Bộ chỉnh lưu liên hệ nguồn xoay chiều với tải một chiều, nghĩa là đổi điện áp xoay chiều của nguồn thành điện áp một chiều trên phụ tải. Điện áp một chiều trên tải không được lý tưởng như điện áp của ắc quy mà có chứa các thành phần xoay chiều cùng với một chiều. Đầu ra của các sơ đồ chỉnh lưu đượ c cọi là một chiều nhưng thực sự là điện áp đập mạch. Trị số điện áp một chiều, hiệu áp suất ảnh hưởng của chúng do nguồn xoay chiều rất khác nhau. Bộ biến đổi Tiristor với chuyển mạch tự nhiên và có điện áp (dòng điện) ra là 1 chiều là các thiết bị biến nguồn điện xoay chiều 3 pha thành điện áp 1 chiều điều khiể n được. Hoạt động của mạch do nguồn điện xoay chiều quyết định vì nhờ đó mà có thể thực hiện được chuyển mạch dòng điện giữa các phần tử lực. Việc phân loại chỉnh lưu phụ thuộc nhiều yếu tố: Các bộ chỉnh lưu được chia làm hai loại: chỉnh lưu nửa chu kỳ còn gọi là chỉnh lưu nửa sóng; chỉ nh lưu hai nửa chu kỳ còn gọi là chỉnh lưu toàn sóng - Theo kiểu van sử dụng có: Chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu có điều khiển, chỉnh lưu bán điều khiển. - Theo sơ đồ đấu có: Sơ đồ hình tia là khi chỉ có một nhóm van đấu chung (Anốt) Katốt; Sơ đồ hình cầu là khi dùng kết hợp cả hai nhóm trên. - Theo số pha nguồn có: Sơ đồ 1 pha, sơ đồ 3 pha, sơ đồ 6 pha, . m pha. - Như vậy sơ đồ cầu sẽ có số van bằng 2 lần số van của sơ đồ hình tia khi có cùng số pha nguồn. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ 23 Dạng được áp dụng ra tải sẽ được xác định nhờ luật mở van đối với các nhóm anốt (Katốt) chung. Đối với chỉnh lưu điều khiển vì dùng van Tiristor cho nên phải căn cứ vào góc mở X và tính chất của tải. Nhìn chung dạng điện áp ra tải là nhấp nhô không bằng phẳng. Độ đập mạch sẽ nhỏ đi khi số lần đập mạch tăng. Nếu gọi s ố lần đập mạch trong một chu kỳ điện áp nguồn là P và số pha của nguồn cấp là m ta có nhận xét: - Sơ đồ tia có: P = m. - Sơ đồ cầu có: P = 2m. - Dùng sơ đồ cầu 2 pha có P = m vì điện áp tổng cộng 2 pha là hình sin cùng tần số. Như vậy để nhận được dạng điện áp ra tải có tốc độ đập mạch thấp thì sơ đồ chỉnh lưu 3 pha là tốt hơ n. - Sử dụng điện áp 3fa rất thuận tiện vì có công suất ra tải lớn. - Dạng điện áp và dùng điện ra tải ít đập mạch, do đó vấn đề lọc sẽ đơn giản, rẻ tiền Tuy nhiên mỗi sơ đồ đều có các ưu nhược điểm riêng. Để chọn được sơ đồ chỉnh lưu thích hợp ta xem xét từng loại sơ đồ chỉnh lưu. II./ CÁC BỘ CHỈNH LƯU DÙNG TRONG HỆ T - Đ. 1. Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ Hình II – 1: Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ Tải T 1 T 4 T 2 T 3 I g1 I g3 I g32 I g4 I 1 I 3 I 2 I 4 U T1 UU U 1 U 2 N Tải điện cảm U L THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ 24 Hình 1I-1: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển và các dạng sóng Bộ chỉnh lưu điều khiển biểu diễn trên hình II-4 dùng toàn tiristor. Trước lúc mồi các tiristor chưa dẫn điện và để có được dòng điện trên tải cần mở đồng thời tiristor I1 và T2, tương tự sẽ mở đồng thời tiristor T3 và T4 ở nửa chu kỳ sau. Phải dùng một mạch mồi đồng thời cho tiristor T1 và T2. Máy biến áp xung có hai đầu ra cách ly, vì catốt của các tiristor có điện thế khác nhau trong mạch công suất. Điện áp tải cũng giống như điện áp mô tả ở bộ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ, trị số trung bình là: U 1 U 2 U y U x U L α α U max Điện áp trên của tải so với điểm trung bình Điện áp dưới của tải so với điểm trung bình Các xung môi trên cực điều khiển Điện áp tải V tb θ = ωt Dòng điện tải Dòng điện qua các tirista Dòng điện nguồn V max = Đỉnh điện áp thuận U x 0 V max = Đỉnh điện áp ngược 0 0 0 0 0 0 0 t t t t t t t THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ 25 α π θθ π απ α cos 2 sin 1 max max U dUU tb == ∫ + trừ đi hai điện áp rơi trên tiristor. Phương trình trên không dùng được nếu dòng điện tải là không liên tục Hình 11-2: Sơ đồ nối đầu ra của mạch điều khiển 2- Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha. Mạch mới Cực điều khiển đèn tiristor 1 Catốt Cực điều khiển đèn tiristor Catốt R E L V a T 1 G 1 V b T 2 G 2 V c T 3 G 3 I d THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ 26 Đối với sơ đồ tia 3 pha: Giá trị trung bình điện áp tải: U d = α π Cos 2 U63 2 dòng trung bình qua van: I v = I d /3, số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu : P = 3; công suất máy biến áp: S ba = 1,34Pd. 2-Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha : Ở mạch này người thiết kế sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển được mắc theo sơ đồ cầu 3 pha đối xứng được biểu diễn ở (hình III-3) bao gồm 6 thyristor được chia thành 2 nhóm. + Nhóm anôt chung gồm T 2 , T 4, T 6 . + Nhóm catôt chung gồm T 1 , T 3 , T 5 . T1 T3 T5 T4 T6 T2 e a e b e c L R I d I d I T3 I T2 I T 1 U d θ α θ θ θ θ 0 0 0 0 0 THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ 27 (Hình II-3) : Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha và dạng điện áp ra trên tải Nguyên lý làm việc của sơ đồ cầu như sau : Ở khoảng π/6 ; π/3 các sức điện động e a > e b > e c điện thế tại các điểm U A > U C > U B . + Với nhóm Ktôt chung thì có điện thế dương cao nhất nên khi có xung điều khiển với sóc mở α thì T 1 sẽ mở ( thông ).Khi T 1 mở thì T 3 và T 5 bị khoá do bị phân cực ngược. + Về nhóm anôt chung T 6 có điện thế âm nhất nên khi có xung điều khiển với góc mở α => T 6 sẽ mở => T 6 dẫn làm cho T 2 và T 4 khoá vì phân cực ngược. => ở khoảng π/6 ÷ π/3 thì T 1 và T 6 dẫn dòng Nguồn Æ T 1 Æ phụ tải Æ T 6 Æ Nguồn Ở khoảng 3π/6 ÷ 5π/6 thì các sức điện động Ca > Cb >Cc. -Với nhóm Ktốt chung T 1 vẫn có thể dương cao nhất nên vẫn dẫn còn T 3 và T 5 bị phân cực ngược nên vẫn bị khoá. -Với nhóm Anôt chung T 2 có thể Ktôt âm thấp nhất nên khi có xung điều khiển T 2 sẽ dẫn, T 4 và T 6 do phân cực ngược nên bị khoá lại => dòng điện sẽ dẫn từ nguồn đến tải qua T 1 và T 2 . Khoảng 5π/6 ÷ 7π/6 lúc này e b > e a > e c -Với nhóm Ktôt chung T 3 có thể Anôt dương cao nhất nên khi có xung điều khiển thì T 3 sẽ bị dẫn. Khi T 3 dẫn làm cho T 1 đang dẫn bị khoá lại . -Với nhóm anốt chung Æ T 2 vẫn có thể Ktôt âm nhất nên vẫn dẫn dòng, còn T 4 và T 6 bị khoá lại do phân cực ngược. Dòng điện phụ tải được dẫn từ nguồn đến tải qua T 3 và T 2 xét tương tự như trên trong các khoảng (7π/6 ÷ 9π/6)( 9π/6 ÷ 11π/6)…ta có được bản kết quả toàn bộ quá trình làm việc của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng như sau : Khoảng Thyristor được mở Các thy dẫn Chiều dòng điện Điện áp phụ tải π/6 ÷3π/6 T 1 T 1 và T 6 A Æ tải Æ B e a - e b e a α π/6 α α α α α e b e c e a α 5π/6 9π/6 13π/6 0 U 0 ωt THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ 28 3π/6 ÷ 5π/6 T 2 T 1 và T 6 A Æ tải Æ C e a - e c 5π/6 ÷ 7π/6 T 3 T 3 và T 2 B Æ tải Æ C e b - e c 7π/6 ÷ 9π/6 T 4 T 3 và T 4 B Æt ải Æ A e b - e a 9π/6 ÷ 11π/6 T 5 T 5 và T 4 C Æ tải Æ A e c - e a 11π/6 ÷13π/6 T 6 T 6 và T 6 C Æ tải Æ B e c - e b Giá trị các biểu thức : Giá trị tức thời điện áp trên phụ tải : U 0 =V P -V N Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu Hoặc U 0 = U d1 -U d2 trong đó U d1 = giá trị trung bình của U d1 do nhóm Ktốt chung tạo nên U d2 = giá trị trung bình của U d2 do nhóm Anốt chung tạo nên α π θθ π cos 2 63 .sin2 2 3 22 EdEU dl −== () α π θπθ π cos 2 63 .2sin2 2 6 22 EdEU dl −=+= Điện áp ngược đặt nên mỗi thyristor có giá trị cực đại là : U ngượcmax = √6E 2 = 2,45E 2 + Xét trường hợp trùng dẫn ta có sơ đồ và dạng điện áp ra trên tải như hình vẽ III T1 T3 T5 T4 T6 T2 e a e b e c L R 1 U o 3 5 1 6 2 4 6 2 ac ee + 2 cb ee + µ α ω t 2π 2 cb ee + e a e b e c e a Th4 Th1 Th4 Th1 Th6 Th3 Th6 αα π θθ π cos34,2cos 63 .sin2 2 6 2220 EEdEn === THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ 29 HìnhII-4 + Chỉnh lưu cầu 3 pha khi có hiện tượng dây dẫn. + Dây điện áp ngược đặt lên T 1 . Trong thời gian xẩy ra hiện tượng trùng dẫn điện áp trên phụ tải bị giảm nên điện áp chỉnh lưu trung bình nhỏ hơn so với trường hợp cảm kháng nguồn bằng không. L ng = 0 π ω γ 0 3 IL U ng =Δ Điện áp trung bình U’ 0 = γ α π UE Δ−cos 63 Điện áp ngắn mạch U c = U b -U a = ( ) αθ +sin6 2 E Dong điện ngắn mạch I C = ()() αθα +− coscos 2 6 2 C X E 4. Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha dùng cuộn kháng cân bằng. Đối với sơ đồ 6 pha dùng cuộn kháng cân bằng: - Điện áp chỉnh lưu trên tải: U d = = + 2 UU 2d1d α π Cos 2 U63 2 - Dòng điện trung bình qua van I v = I d /6. - Số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu P = 6. - Công suất máy biến áp: P = 1,26Pd. Nhận xét: Đối với cả 2 sơ đồ đều có số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu như nhau. Song công suất máy biến áp dùng với sơ đồ chỉnh lưu cần có công suất nhỏ hơn máy biến áp dùng với sơ đồ 6 pha. - Dòng điện trung bình qua van đối với s ơ đồ cầu: I d /3 còn đối với sơ đồ 6 pha là I d /6. Do đó khi làm việc khả năng quá tải dùng đối với van của sơ đồ 6 pha là cao hơn. Nên không đảm bảo khi làm việc. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ 30 Kết luận: Dùng sơ đồ cầu 3 pha để điều khiển thay đổi giá trị điện áp ra U d bằng cách thay đổi điện áp điều khiển U dk dùng trong hệ thống truyền động T - Đ là kinh tế và đảm bảo được độ chính xác, an toàn khi làm việc. III. MẠCH ĐIỀU KHIỂN MỞ TIRISTOR. Mạch diều khiển là phần mạch quan trọng nhất của chỉnh lưu điều khiển tại đó các xung mở van được phát ra theo một trật tự đã định. Quy lưuật hoạt động của mạch điều khiển được xác định bởi loại chỉnh lưu (đảo chiều, không dảo chiều, .) và bởi các đặc tính phụ tải. Thường có 02 phương pháp xung mở Tiristor: - Phương pháp đồng bộ với lưới. - Phương pháp không đồng bộ với lưới. Trong đó phương pháp không đồng bộ thường chỉ được dùng trong mạch phản hồi kín. Các xung điều khiển có thể được phát tiếng cho từng pha ta được hệ thống nhiều kênh. Hoặc các xung phát ra bằng cách làm trễ một xung cơ bản duy nhất ta có hệ thống một kênh. Trong thực tế truyền động điện hay dùng nh ất là các hệ thống nhiều kênh đồng bộ. Trong đó việc đồng bộ được thực hiện nhờ việc đồng bộ hoá điện áp tựa với điện áp lưới. Điện áp tựa thường có dạng răng cưa quét ngược hoặc hình sin. 1 - Chức năng hệ thống điều khiển. Chức năng của hệ thống điều khiển là tạo ra các xung đủ để mở các Tiristor. Muốn vậy các xung phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Các xung phát ra phải có công suất đủ lớn. - Các xung phát ra phải có đủ độ rộng và hình dáng phù hợp. - Các xung phải được đưa đến cực điều khiển của các van theo một trình tự nhất định và các xung phải có độ dốc sờn trước để đảm b ảo mở thanh chính xác. Và một đặc điểm hết sức quan trọng là có thể thay đổi được thời điểm đưa xung đến để mở các Tiristor hay còn gọi là thay đổi góc α. Trong việc điều khiển thiết bị chỉnh lưu thì việc tạo thời điểm cho xung mở thyristor là một khâu quan trọng. Thyristor thường được mở theo hai nguyên tắc. +Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyế n tính +Nguyên tắc thẳnh đứng ARCCOS A-Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng (ARCCOS) Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp - Điện áp đồng bộ U r vượt trước điện áp A-K của thyristor một góc bằng π/2 (nếu U AK = A sin ωt thì U r = B cos ωt ). - Điện áp điều khiển U C là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ theo hai hướng ( dương và âm ). U r u c ω t Ur U C [...]... tác động của các đại lượng nhiễu lên hệ điều chỉnh Hệ thống điều chỉnh tự động truyền động T - Đ được xây dựng dựa trên cấu trúc sau: (H3-7) TĐH B R 41 ĐL M M THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ Hình III-7: Cấu trúc chung của hệ T-Đ Trong đó: M: Động cơ truyền động quay máy sản xuất ĐL: Thiết bị đo lường Mx: Máy sản xuất R: Thiết bị điều chỉnh BĐ: Bộ biến đổi Tiristor Khi thiết kế một hệ truyền động tự động. .. đó có dòng từ Ucơ 36 THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ qua sơ cấp biến áp xung và cảm ứng sang thứ cấp tạo ra tín hiệu xung với tần số cao đưa vào mở Tiristor sở UQ6 t 0 Ura Q7 t 0 Ura Q8 t 0 Ura t8 Ura t CHƯƠNG III 37 THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ HỆ TRUYỀN ĐỘNG TỰ ĐỘNG T - Đ I MÔ TẢ TOÁN HỌC CÁC PHẦN TỬ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T - Đ: 1.1 Đặt vấn đề: Để xây dựng và thiết kế hệ thống điều chỉnh tự động cần có mộ mô hình... dao động Ở các hệ điều chỉnh tự động truyền động điện thì cấu trúc của mạch điều khiển, luật điều khiển và tham số của các bộ điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ thống Do đó khi thiết kế hệ thống ta phải thực hiện các bài toán tổng hợp để tìm ra cấu trúc hệ điều khiển hợp lý nhất nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống đáp ứng được yêu cầu của hệ thống Với đối tượng điều chỉnh của hệ. .. (1 + PTK ) Uk Mc φ Ik Sơ đồ cấu trúc động cơ điện Khi Φ = Φđm thì khối 1/ Rk không thay đổi nên sơ đồ cấu trúc có dạng H3-6 1 + PTk Kφđm U 1 R u (1 + PT E (-) I u Kφđm ) 1 JP M ω Mc (-) Hình III-6: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều II XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG T - Đ: 2.1 Cấu trúc chung của hệ truyền động T - Đ: Mục tiêu cơ bản của hệ điều chỉnh tự động truyền động điện là phải đảm bảo giá trị yêu... (8,1%) Xd 1 1 + 4Τs P R(p) So(p) (-) Hàm truyền của mạch điều chỉnh là: E(p) = X( p ) 1 = Xd(p) 1 + 4 Ts P + 8Ts2 P 2 + 8Ts3 P 3 2.2.3 Tổng hợp mạch vòng dòng điện: a Giới thiệu về mạch vòng dòng điện: 47 X THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ Trong các hệ truyền động tự động cũng như trong các hệ thống chấp hành thì mạch vòng dòng điện là mạch vòng cơ bản Bởi vì với một hệ thống xác định thì mô men cản Mc và... là phương tr Phươ trình chu ơng uyển động của hệ thốn ng M - Mc = J dω dT Với J = Jđ + JM là mô ômen quán tính của cá chuyển độ quy về trục động c ác ộng cơ Mômen quán tính động cơ n Jđ: M JM: M men quá tính máy sản xuất Mô án y THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ Hay: M(p) - Mc(p) = PJ ω(p) ω(p) = M(p) − Mc(p) JP Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều kích từ độc lập... về mạch vòng tốc độ: Hệ thống điều chỉnh tốc độ là hệ thống mà đại lượng được điều chỉnh là tốc độ góc của động cơ điện, các hệ này rất thường gặp trong thực tế kỹ thuật Hệ thống điều chỉnh tốc độ được hình thành từ hệ thống điều chỉnh dòng điện Các hệ thống này có thể là đảo chiều hoặc không đảo chiều Do các yêu cầu công nghệ mà hệ cần đạt vô sai cấp 1 và vô sai cấp 2 Nhiễu của hệ thống chính là mômen... thức (3-13) ta có T(p) ta có T(p) là khâu tỉ lệ tích phân PI với K2 = T1 2 K 1 Ts 4Ts = TR ⎛ R(p) = KR ⎜ 1 + ⎜ ⎝ 1 ⎞ ⎟ TR P ⎟ ⎠ (3-14) Hàm truyền hệ hở là: Fo(p) = So(p) R(p) = 46 1 + 4Ts P (3-15) 8T P 2 (1 + PTs ) 2 s THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ Hàm truyền hệ kín là: F(p) = Fo (p ) 1 + 4 Ts P = 1 + Fo (p ) 1 + 4 Ts P + 8Ts2 P 2 + 8Ts3 P 3 (3-16) X(t) 8,1O/O 43,4O/O ± 2 O/ O 1 X = 1(t) (2) (1) 0... Tạo xung điều khiển + Dao động : Tạo xung cao tần đưa vào khối TX ( đa hài ) + KĐ : Khối khuyếch đại xung tạo ra xung có chất lượng theo yêu cầu + BAX : Khối biến áp xung Xuất phát từ các yêu cầu đối với hệ thống điều khiển ta chọn nguyên tắc(phương pháp) điều khiển thẳng đứng Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các khâu 34 THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ a Khâu đồng pha Tín hiệu tự biến áp đồng pha qua khâu... nên hệ điều chỉnh RI luôn làm việc ở vùng tuyến tính của đặc tính điều chỉnh Như vậy ưu điểm của mạch vòng theo kiểu nối cấp các bộ điều chỉnh là mỗi giá trị của lượng đặt (Uiđ) được hạn chế bởi đoạn bão hoà của đặc tính của bộ điều chỉnh Rω Và các giá trị hạn chế này có thể được thay đổi hoặc giữ nguyên 2.2 Tổng hợp hệ thống: 2.2.1 Đặt vấn đề: 42 THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ Trong các hệ điều chỉnh tự . U ra U ra t8 t THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ 38 U đk U Tm T t α 0 HỆ TRUYỀN ĐỘNG TỰ ĐỘNG T - Đ I. MÔ TẢ TOÁN HỌC CÁC PHẦN TỬ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T - Đ: 1.1 Thiết kế hệ truyền động tự động THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ 22 CHƯƠNG II. BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU TIRISTOR