Thiết kế hệ truyền động tự động

Nội dung text: Thiết kế hệ truyền động tự động

1. Thiết kế hệ truyền động tự động
2. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II 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 sẵn 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 hệ 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 điều 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 được 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 khiển 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; chỉnh 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. 22
3. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II - 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. 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 số 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 hơn. - 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 I1 Ig1 I3 Ig3 UT1 T1 T 3 Tải UL U1 U U N U2 Tải điện Ig4 Ig32 cảm T4 T2 I4 I 2 Hình II – 1: Chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ 23
4. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II U1 U2 Umax Điện áp trên của tải so với điểm UL t trung bình 0 Điện áp dưới của tải so với α α điểm trung bình Các xung môi trên cực điều 0 t khiển 0 Ux Uy Điện áp tải V tb t θ = ωt 0 t Dòng điện tải 0 Dòng điện qua các 0 t tirista 0 t Dòng điện nguồn 0 Vmax = Đỉnh điện áp thuận t Ux Vmax = Đỉnh điện áp ngược 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: 24
5. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II 1 π +α 2U U = U sinθdθ = max cosα tb ∫ max trừ đi hai điện áp rơi trên tiristor. π α π Phương trình trên không dùng được nếu dòng điện tải là không liên tục Cực điều khiển đèn tiristor 1 Mạch Catốt mới Cực điều khiển đèn tiristor Catốt Hình 11-2: Sơ đồ nối đầu ra của mạch điều khiển 2- Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha. V T G a 1 1 Vb T2 G2 Vc T3 G3 Id R E L 25
6. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II α Ud θ 0 Id I d θ 0 IT 1 θ 0 IT2 θ 0 IT3 θ 0 Đối với sơ đồ tia 3 pha: Giá trị trung bình điện áp tải: 3 6 U 2 Ud = Cosα 2π dòng trung bình qua van: Iv = Id/3, số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu : P = 3; công suất máy biến áp: Sba = 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 T2, T4, T6. + Nhóm catôt chung gồm T1, T3, T5. T1 T3 T5 ea L eb ec R T4 T6 T2 26
7. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II α α α α U0 ea eb ec ea π/6 5π/6 9π/6 13π/6 0 ωt α α α (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 ea > eb > ec điện thế tại các điểm UA > UC > UB. + Với nhóm Ktôt chung thì có điện thế dương cao nhất nên khi có xung điều khiển với sóc mở α thì T1 sẽ mở ( thông ).Khi T1 mở thì T3 và T5 bị khoá do bị phân cực ngược. + Về nhóm anôt chung T6 có điện thế âm nhất nên khi có xung điều khiển với góc mở α => T6 sẽ mở => T6 dẫn làm cho T2 và T4 khoá vì phân cực ngược. => ở khoảng π/6 ÷ π/3 thì T1 và T6 dẫn dòng Nguồn Æ T1 Æ phụ tải Æ T6 Æ Nguồn Ở khoảng 3π/6 ÷ 5π/6 thì các sức điện động Ca > Cb >Cc. -Với nhóm Ktốt chung T1 vẫn có thể dương cao nhất nên vẫn dẫn còn T3 và T5 bị phân cực ngược nên vẫn bị khoá. -Với nhóm Anôt chung T2 có thể Ktôt âm thấp nhất nên khi có xung điều khiển T2 sẽ dẫn, T4 và T6 do phân cực ngược nên bị khoá lại => dòng điện sẽ dẫn từ nguồn đến tải qua T1 và T2. Khoảng 5π/6 ÷ 7π/6 lúc này eb > ea > ec -Với nhóm Ktôt chung T3 có thể Anôt dương cao nhất nên khi có xung điều khiển thì T3 sẽ bị dẫn. Khi T3 dẫn làm cho T1 đang dẫn bị khoá lại . -Với nhóm anốt chung Æ T2 vẫn có thể Ktôt âm nhất nên vẫn dẫn dòng, còn T4 và T6 bị khoá lại do phân cực ngược. Dòng điện phụ tải được dẫn từ nguồn đến tải qua T3 và T2 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 Các thy dẫn Chiều dòng Điện áp phụ được mở điện tải 27
8. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II π/6 ÷3π/6 T1 T1 và T6 A Æ tải Æ B ea - eb 3π/6 ÷ 5π/6 T2 T1 và T6 A Æ tải Æ C ea - ec 5π/6 ÷ 7π/6 T3 T3 và T2 B Æ tải Æ C eb - ec 7π/6 ÷ 9π/6 T4 T3 và T4 B Æt ải Æ A eb - ea 9π/6 ÷ 11π/6 T5 T5 và T4 C Æ tải Æ A ec - ea 11π/6 ÷13π/6 T6 T6 và T6 C Æ tải Æ B ec - eb Giá trị các biểu thức : Giá trị tức thời điện áp trên phụ tải : U0=VP -VN Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu 6 3 6 n0 = 2E2 sinθ.dθ = E2 cosα = 2,34E2 cosα 2π π Hoặc U0 = Ud1-Ud2 trong đó Ud1 = giá trị trung bình của Ud1 do nhóm Ktốt chung tạo nên Ud2 = giá trị trung bình của Ud2 do nhóm Anốt chung tạo nên 3 3 6 U = 2E sinθ.dθ = − E cosα dl 2π 2 2π 2 6 3 6 U = 2E sin()θ + 2π .dθ = − E cosα dl 2π 2 2π 2 Điện áp ngược đặt nên mỗi thyristor có giá trị cực đại là : Ungượcmax = √6E2 = 2,45E2 + Xét trường hợp trùng dẫn ta có sơ đồ và dạng điện áp ra trên tải như hình vẽ III T1 T3 T5 ea L eb e c R α µ e + e ec e b c ea T4eb T6 T2 a Uo 2 eb + ec 1 3 5 1 2 ωt ec + ea 2π 2 28 6 2 4 6 Th4 Th1 Th4
9. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II HìnhII-4 + Chỉnh lưu cầu 3 pha khi có hiện tượng dây dẫn. + Dây điện áp ngược đặt lên T1. 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. Lng = 0 3ωLng I 0 ΔUγ = π 3 6 Điện áp trung bình U’ = E cos α − ΔU γ 0 π Điện áp ngắn mạch Uc = Ub-Ua = 6E 2 sin (θ + α ) 6E 2 Dong điện ngắn mạch IC = ()cos α − cos()θ + α 2 X C 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 d1 +U d2 3 6 U 2 Ud = = Cosα 2 2π - Dòng điện trung bình qua van Iv = Id/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. 29
10. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II - Dòng điện trung bình qua van đối với sơ đồ cầu: Id/3 còn đối với sơ đồ 6 pha là Id/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. Kết luận: Dùng sơ đồ cầu 3 pha để điều khiển thay đổi giá trị điện áp ra Ud bằng cách thay đổi điện áp điều khiển Udk 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 nhất 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 bảo 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 tuyến 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 Ur vượt trước điện áp A-K của thyristor một góc bằng π/2 (nếu UAK = A sin ωt thì Ur = B cos ωt ). - Điện áp điều khiển UC là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ theo hai hướng ( dương và âm ). 30
11. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II Ur UC Ur ωt uc α (Ur+uc) Hình IV – 4 : Đồ thị điện áp theo phương pháp điều khiển ARCCOS Trên hình IV- 4 ta thấy đường nét đứt là điện áp A-K của thyristor. Từ điện áp này người ta tạo ra Ur. Tổng đại số Ur + UC = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh UC + B cos α = 0 U Do đó : α = arc ( − c ) B Khi ta lấy B = UCmax Khi UC = 0 thì α = π/2 UC = UCmax thì α = π UC = - UCmax thì α = 0 Như vậy cho đến khi UC biến thiên từ - UCmax Æ + UCmax thì α - biến thiên từ 0 đến π. + Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ARCCOS được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính theo nguyên tắc này người ta dùng 2 điện áp. + Điện áp đồng bộ (Ur có dạng răng cưa ) đồng bộ với điện áp trên A-K của thyristor + Điện áp điều khiển (UC là điện áp một chiều ) có thể điều chỉnh biên độ. Uc Ur U r Ur+U c ωt Uc α 31α
12. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II Hình IV – 5 : Đồ thị điện áp theo phương thẳng đứng tuyến tính Dạng đồ thị điện áp đồng bộ Ur điện áp điều khiển UC được trình bày trên hình IV – 5 như vậy bằng cách thay đổi giá trị của UC ta có thể điều chỉnh được góc α Khi UC = 0 ta có α = 0 Khi Uc 0 U C Vậy ta có mối quan hệ giữa α và Uc như sau : α = π U r max Nếu ta lấy UCmax = Urmax 2 – Các yêu cầu cơ bản của hệ thống điều khiển Các yêu cầu cơ bản của hệ thống điều khiển các bộ biến đổi phụ thuộc vào dạng các phần tử, các chế độ hoạt động của chúng và đặc tính của tải. Vì vậy các yêu cầu chính của một hệ thống điều khiển sẽ là : A-Yêu cầu về độ lớn xung điều khiển Mỗi thyristor đều có một đặc tính đầu vào là điện áp cực điều khiển và dòng điện chạy qua các cực điều khiển. Uđk = f(iđk) dạng đặc tính được biểu diễn trên hình IV – 7. Uđk Giới hạn trên các đặc tính Giá tri cực đại Uđk cho phép a Giá tri cực đại I cho phép đk I II b Iđk Hình IV – 7 : Đặc tính Uđk = f(iđk) của thyristor Do các sai lệch về các thông số chế tạo và điều kiện làm việc ngay cả các thyristor cùng loại cũng có đặc tính đầu vào khác nhau. Với mỗi loại thyristor các đặc tính này dao động giữa hai đặc tính quan hệ a và b ( Hình IV – 7 ) yêu cầu về độ lớn điện áp và dòng điện điều khiển sẽ là : 32
13. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II +Giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép của nhà sản xuất. +Giá trị nhỏ nhất phải đảm bảo mở được thyristor trong mọi điều kiện làm việc +Tổn hao phảo nhỏ hơm giá trị cho phép Thường độ lớn của U = 10 ÷ 20 V và I = 20 ÷ 200 mA B-Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển. Thời gian mở của thyristor chia thành hai giai đoạn : +Giai đoạn dòng tăng trưởng chậm ( ký hiệu t1 ) là thời gian cần thiết để làm cho J2 chuyển dịch thuận. (J2 là tiếp giáp giữa hai lớp bán dẫn P2 và n2 của thyristor ) +Giai đoạn dòng tăng trưởng nhanh( ký hiệu là t2 ) hình IV-8 iđ Iđ t t x 0,9 ith 0,1 i th t t1 t2 tm Hình IV – 8 : Đồ thị dòng Iđk (a) và dòng qua thyristor (b) Trên đồ thị trên ta nhận thấy độ rộng xung điều khiển phải lớn hơn hoặc bằng thời gian mở của thyristor tx ≥ tm 33
14. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II C-Yêu cầu về độ dốc của xung điều khiển Độ dốc của xung điều khiển càng cao thì việc mở thyristor càng tốt, đặc biệt mà trong khi mạch có nhiều thyristor nối song song và nối tiếp. Thông thường độ dốc xung điều khiển là : d idk ≥ 1A / μs d t D-Yêu cầu bảo đảm đối xứng trong các kênh điều khiển Nếu không đảm bảo sự đối xứng của các xung điều khiển các thyristor của bộ biến đổi nhiều pha sẽ gây ra sự không cân bằng gái trị trung bình dùng qua thyristor đó. E-Yêu cầu về độ tin cậy. Mạch điều khiển phải đảm bảo độ tin cậy trong mọi hoàn cảnh như khi nhiệt độ thay đổi, tín hiệu nhiễu tăng Do vậy : + Điện trở ra của kênh điều khiển phải nhỏ để thyristor không tự mở khi có dòng dò tăng. + Xung điều khiển ít phụ thuộc vào dao động nhiệt độ, dao động điều kiện nguồn. + Cần khử được nhiễu cảm ứng ( ở các khâu so sánh, biến áp xung ) để tránh mở nhầm. Hệ thống điều khiển phải tác động nhanh và trong nhiều trường hợp phải đạt tới tốc độ một phầm trăm giây ( 10-6 s ). F-Yêu cầu về lắp ráp và vận hành + Thiết bị dễ dàng thay thế, dễ lắp ráp và điều chỉnh. + Dễ lắp lẫn và mọi khối có khả năng làm việc độc lập Nguyên tắc này được sử dụng rộng rãi trong thực tế. 3- Sơ đồ khối của mạch điều khiển thyristor. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển được trình bày trên hình sau Ung Utự ĐF SS TX KĐ BA Uđk Tạo dao RI &Rω động Hình IV- 9: Sơ đồ khối mạch điều khiển. + ĐF : Khối đồng pha là khối tạo ra điện áp đồng bộ với điện áp trên A-K của thyristor + RI & Rω : Khối điều chỉnh Regurlator, việc thay đổi giá trị Uđk sẽ điều chỉnh được góc α. + SS : Khối so sánh có nhiệm vụ so sánh tín hiệu Uđk và Utựa 34
15. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II + TX : 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. a. Khâu đồng pha. Tín hiệu tự biến áp đồng pha qua khâu chỉnh lưu nửa chu kỳ (các điốt D32, D33) qua phân áp R43 - R93 được đưa vào cổng (+) của Q6. Cổng (-) của Q6 nhận tín hiệu một chiều qua phân áp R41 và R11. Kết quả là từ rạng hình Sin ở đầu vào thì ở đầu ra của Q6 nhận được các xung vuông đồng bộ có chu kỳ là 10ms. Điều chỉnh chiết áp P11 sao cho phần xung -15V dương càng hẹp càng tốt. R44 D32 R 42 + Q 0V 6 - R43 U đf P11 t 0 Uss U ra t 0 Hình: Khâu đồng pha. b. Khâu tạo xung răng cưa. Q7 là mạch tính phân. Các đầu vào của nó nhận điện áp + E(+15V) và các xung đồng bộ xuất phát từ đầu ra của Q6. Khi đầu ra của Q6 còn ở mức cao thì điốt D37 ngăn không cho tín hiệu từ Q6 tác động lên mạch tích phân. Tụ C19 được nạp điện từ nguồn +E thông qua điện trở R45 và chiết áp P12. Khi xung âm đồng bộ từ Q6 tới thì điốt D37 cho phép đi qua và tụ C19 phóng điện qua điện trở R46 có trị số nhỏ. Do vậy đầu ra của Q7 xuất hiện các xung răng cưa có chu kỳ 10ms. 35
16. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II +15V D35 D36 P12 R46 C19 UQ6 D37 R45 Q7 t 0 Ura Q7 t 0 Điốt D35 là đi ốt ổn áp (9V), D36 có nhiệm vụ ngăn không cho bão hoà, chiết áp P12 cho phép điều chỉnh độ rộng xung răng cưa. Điều chỉnh P12 sao cho T1 = 6,6ms; T2 = 3,4ms. c. Khâu so sánh. Các răng cưa ở đầu ra của Q7 được đưa tới đầu vào (-) của Q8 còn đầu vào (+) của Q8 nhận điện áp một chiều Uđk lấy từ bộ điều chỉnh. Đầu ra của Q8 là các xung chữ nhật có đặc tính sườn xuống là cố định còn sườn lên là di động. Nghĩa là khi thay đổi Uđk sẽ thay đỏi được độ rộng của xung chữ nhật tức là thay đổi được góc mở α. R47 - U UQ6 ra R48 Q8 + Uđk t 0 Ura Q7 t 0 U ra Q8 t 0 T T 1 2 T 36
17. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II Hình : Khâu so sánh d. Khâu tạo xung. Q9 là mạch dao động tạo xung cao tần có tần số lớn cỡ 5KHZ dùng transistor T8. Khi có xung đồng hồ âm đến thì mở cho xung âm qua và khuyếch đại nó. Các xung chữ nhật từ Q8 trộn với xung đồng hồ từ T8 (xung âm) và kết hợp với điện áp đồng pha qua điốt D34 và D38 để tạo thành các xung mở luân phiên cặp Transistor T4 - T5 và T6 -T7. Các cặp T4 - T5, T6 - T7 là các cặp Transistor ghép Darlington mà tải của nó là (BAX) để khuyếch đại các xung điều khiển đủ để mở các Tiristor cùng 1 pha. Quá trình điều khiển mở cho 2 cặp Tiristor còn lại cũng tương tự. Như vậy các xung dương với tần số lớn được đưa vào để mở T1 hay T2 tăng theo cực tính của điện áp nguồn. Khi đó có dòng từ Ucơ sở 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. UQ6 t 0 Ura Q7 t 0 U ra Q8 t 0 Ura t8 Ura 37 t
18. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II CHƯƠNG III 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 mô tả chính xác đến tối đa đối tượng điều chỉnh. Mô hình toán học thu được cần phải thể hiện được rõ ràng các đặc tính thời gian của đối tượng điều chỉnh. Nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng các thuật toán điều chỉnh hệ thống. 1.2. Mô tả toán học chỉnh lưu điều khiển: Trong truyền động điện đa số các trường hợp chỉnh lưu được điều khiển bằng tín hiệu biến thiên chậm. Trong trường hợp này ảnh hưởng của tính chất xung và tính chất bán điều khiển đến quá trình quá độ là nhỏ và do đó có thể coi chỉnh lưu là mạch điều chỉnh liên tục với sơ đồ thay thế (H3-1) R b R T Ed Id Với Eđ = Edo cosα Edo = KSd. U~. với U~: Giá trị hiệu dụng điện áp xoay chiều Ksd: phụ thuộc sơ đồ mạch chỉnh lưu Góc α phụ thuộc Uđk: α = f(Uđk) UTm Uđk 0 38 t α
19. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II ác định góc α theo giá trị Uđk. K Ta có: i 1+ PTfi Thông thường T = 10-2S, đối với lưới điện f = 50HZ. ⎧ ⎛ U dk ⎞⎫ Vậy Eđ = EdoCos ⎨T⎜1− ⎟⎬ ⎩ ⎝ U Tm ⎠⎭ Nhưng do tính chất xung và tính chất bán điều khiển của chỉnh lưu nên thời điểm thay đổi tín hiệu điều khiển không trùng với thời điểm thay đổi góc α. Độ dài khoảng thời gian trễ này có đặc tính ngẫu nhiên. Theo kinh nghiệm chọn khoảng thời gian trễ τ = 1/2mf = Tvo được tính từ góc (α ⇒ T) - Hệ số chỉnh lưu: ΔE d E d KCL = = ΔU dk U dk Nhưng do có khoảng thời gian trễ τ nên: -Pτ KCL x e Uđk = Eđ. Vậy hàm truyền của khâu chỉnh lưu. E d (p) −P9 WCL(P) = =K CL .e với τ = Tvo U dk (p) Khi tần số điện áp xoay chiều đủ lớn có thể dùng biểu gần đúng bởi khai triển Mc.Laurin. 1 ePTvo = 1 1+ PTvo+ P 2T 2 + 2! vo Và khi này có thể thay thế hàm trễ bằng một khâu quán tính. K CL Nên: WCL(P) = 1+ PTvo Mặt khác khi điều khiển thì tín hiệu điều khiển cũng có thời gian trễ nênkhâu quán tính của quá trình điều khiển: (1 + PTđk). K CL Từ đó: WCL(P) = (1+ PTdk )(1+ PTvo ) Đây là biểu thức mô tả khâu chỉnh lưu có điều khiển. U đk KCL Eđ (1 + PTđk)(1 + PTvo) 39
20. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II Sơ đồ cấu trúc khâu chỉnh lưu điều khiển. 1.3. Mô tả toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì ta có thể viết được các phương trình mô tả sơ đồ thay thế độ cơ điện 1 chiều như (H 3-4) Iư Ik R ,L U Uư k k k E CKD Mạch kích từ có hai biến dòng điện tích từ ik và từ thông máy Φ là phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt. dI k Uk = Ik . Rk + Lk dT ⎛ L k ⎞ Hay Uk(P) = Ik(P) . Rk ⎜1 + P⎟ ⎝ R k ⎠ Đây là phương tình mô tả toán học của dây quấn kích từ. Mạch phần ứng: dI k U - E = IRư + Lư dT ⎛ L − ⎞ Hay U(P) - E(P) = I(P) Rư ⎜1 + P⎟ ⎝ R − ⎠ Với Tư = Lư/Rư là hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng. 1/ R I (P) = − {U(p) - E(p)} (1 + PT− Đây là phương trình mô tả toán học dây quấn phần ứng. Phương trình chuyển động của hệ thống. dω M - Mc = J dT Với J = Jđ + JM là mômen quán tính của các chuyển động quy về trục động cơ. Jđ: Mômen quán tính động cơ. JM: Mô men quán tính máy sản xuất.
21. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II Hay: M(p) - Mc(p) = PJ . ω(p) M(p)−Mc(p) ω(p) = JP Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều kích từ độc lập (H 3-5). X E (-) 1 I M 1 U R u 1 + PT X JP ω ()u (-) K 1 Mc U I φ k R k u ()1+ PTK Sơ đồ cấu trúc động cơ điện Khi Φ = Φđm thì 1/ R khối k không thay đổi nên sơ đồ cấu trúc có dạng H3-6. 1 + PTk Kφđm E (-) 1 U I M 1 R u Kφđm JP ω ()1 + PT u M (-) Hình III-6: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một cchiều 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 cầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc vào 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 R B M M 41 ĐL
22. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II 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 cần phải đảm bảo là hệ đó thực hiện được các yêu cầu đặt ra. Đó là các yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêu về kinh tế. Chất lượng của hệ thống được đánh giá cả trong trạng thái động và tĩnh. - Trong trạng thái tĩnh thì yêu cầu quan trọng nhất đối với hệ thống là phải đảm bảo được độ chính xác điều chỉnh. - Trong trạng thái động thì phải đảm bảo được các yêu cầu về độ ổn định và các chỉ tiêu về chất lượng động là: Độ quá điều chỉnh δmax%; tốc độ điều chỉnh, thời gian điều chỉnh Tqđ; số lần 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 được chọn là động cơ điện 1 chiều thì đại lượng ra chính là mômen (dòng điện) và tốc độ. Đây là hai đại lượng độc lập tuyến tính với nhau nên khi điều chỉnh ta phân thành hai mạch vòng điều chỉnh nối cấp với nhau: - Mạch vòng điều chỉnh dòng điện có bộ điều chỉnh dòng điện RI. - Mạch vòng điều chỉnh tốc độ có bộ điều chỉnh tốc độ Rω. Bộ điều chỉnh này có đặc tính khuếch đại có vùng bão hoà. Điện áp đầu ra của bộ Rω chính là điện áp đặt dòng điện phần ứng động cơ (Uid). Giá trị bão hoà Uidmax chính là giá trị cực đại của dòng điện phần ứng. Bộ điều chỉnh RI trong mạch dòng điện có nhiệm vụ duy trì dòng điện phần ứng luôn bằng giá trị (Uid) bất kể hệ thống đang làm việc ổn định hay trong quá trình quá độ. Như vậy mạch vòng dòng điện đã tiến bộ biến đổi thành một nguồn dòng điện được điều khiển bởi tín hiệu đặt (Uiđ). Vì dòng điện là đại lượng biến thiên nhanh 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: 42
23. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II 2.2.1. Đặt vấn đề: Trong các hệ điều chỉnh tự động nói chung luôn tồn tại các phần tử có chứa các hằng số thời gian lớn như hằng số thời gian điện cơ, hằng số thời gian điện từ, hằng số thời gian của dây quấn kích từ v.v và một phần chứa các hằng số thời gian nhỏ như hằng số thời gian của các xen xơ, hằng số thời gian của mạch điều khiển Tiristor v.v Nên việc tổng hợp các bộ điều chỉnh được thực hiện theo từng mạch vòng để sao cho bù được các khâu có hằng số thời gian lớn để qua đó giảm được cấp cho mạch hở nhằm giảm sai lệch điều chỉnh và cải thiện chất lượng điều chỉnh của hệ thống là một việc rất quan trọng. Trong hệ thống truyền động điện điều chỉnh thường sử dụng các phương pháp hàm chuẩn tối ưu để tổng hợp thông số các bộ điều chỉnh cho các mạch vòng. 2.2.2. Các phương pháp tổng hợp dùng hàm chuẩn tối ưu: a. Phương pháp tổng hợp dùng hàm tối ưu môđul. Hàm chuẩn tối ưu môđun có dạng: 1 PMC(P) = (3-1) 1+2τ6P +2τ62 P 2 Xét hệ hữu sai có hàm truyền K1 So(p) = Với T2 > T1 (3-2) (1 + T1P)(1 + T2 P) Xđ R(p) SO(p) X (-) CẤU TRÚC HỆ THỐNG Hàm truyền của khâu điều chỉnh R(p) được xác định theo biểu thức sau: F (p) R (p) = MC (3-3) S o (p)[1−FMC (p)] Với FMC(p) là hàm chuẩn tối ưu môđul có dạng trên (3-1) 1 1+2τ6P +1+2τ62 P 2 1 R(p) = = 1 S (p).2τ6P(1+2τ6p) S (p)[1− ] o o 1+2τ6P +1+2τ62 P 2 Chọn τ6 = min {T1; T2} = T1 và thay So(p) (3-2) vào ta có: 1+T P R(p) = 2 (3-4) 2K1T1P Với hàm truyền R(p) thì sẽ bù được khoảng thời gian lớn T2. 43
24. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II Nhân cả từ và mẫu số của biểu thức (2-4) với T2 ta có: T T P +1 ⎛ 1 ⎞ R = 2 2 ⎜ ⎟ . =K R ⎜1+ ⎟ 2T1K1 T2 P ⎝ TR P ⎠ T2 Với KR = ; TR = T2 2T1K1 Dùng mạch sau để thực hiện hàm truyền khâu R(p) (3-5) Với KR = R2/R1 là hệ số khuếch đại TR = R2C2: hằng số thời gian R C2 2 R1 Uw1 _ U2 R1 + U1 Tuy nhiên bộ điều chỉnh PI có cấu trúc như trên vẫn có nhược điểm trong việc điều chỉnh độc lập 2 tham số KR và TR. Để khắc phục nhược điểm trên ta dùng bộ PI có cấu trúc như sau: R2 C2 R C R1 U1ω R _ U R ( 1 U2 U1 R + U U ( R α R3 Với U1w: Tín hiệu đặt U1: Tín hiệu phản hồi. U2: Tín hiệu điều khiển Kết quả ta được: TR = R2 C2 KR = R2/R1 α Như vậy ta có thể chỉnh định được hằng số thời gian TR bằng cách thay đổi R2. Sau đó chỉnh định hệ số khuếch đại bằng việc chỉnh định giá trị α trên chiết áp R3. Việc chỉnh định KR không ảnh hưởng đến TR, đồng thời với việc chỉnh α ta có thể thay đổi KR rất rộng. 44
25. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II R2/R1 ≤ KR < ∝ 1: Phần tỷ lệ (p) 1 : Phần tích phân (I) T2 P Như vậy khâu điều chỉnh R(p) là một khâu tỷ lệ tích phân (PI) khi đó hàm truyền hệ hở: 1+T2 P K1 Fo(p) = R(p) . So(p) = x (3-6) 2K1T1P (1+T1P)(1+T2 P) 1 = 2T1P(1+ T1P) Hàm truyền hệ kín là: Fo ( p) 1 F(p) = x 2 2 (3-7) 1+ Fo ( p) (1+ 2T1P + 2T1 P ) X(t) o 4,3 /o ± 2 o X=1(t) o 1 0,63 (t) 0 2T 1 4,7T1 8,4T1 Hình III-10: Đặc tính quá độ của hệ thống Độ quá điều chỉnh 4,3% Quá trình quá độ điều chỉnh Tqđ = 8,4 T1 1 - Do hằng số T1 nhỏ nên có thể coi F(p) ≈ và khi đó quá trình quá 1+2T1P độ ứng với hàm quán tính F9p) gần đúng là đường nét đứt trên đặc tính H3-10. K Nếu hệ có So(p) = n (3-8) P∏(1 + Ts P) s=1 45
26. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II Thì theo tiêu chuẩn tối ưu môđul sẽ tổng hợp được bộ điều chỉnh R(p) có dạng là khâu tỷ lệ: 1 R(p) = (3-9) 2KT's n Trong đó: T’s = ∑Ts s=1 Hàm chuẩn tối ưu đối xứng có dạng: 1+ 4 6P FĐX(p) = (3-10) 1 + 4τ6P + 8τ2 6P 2 + 8τ3 6P 3 Xét hệ thống So(p) có dạng vô sai cấp 1. K1 So(p) = (3-11) PT1 (1+ Ts P) Trong đó: Ts là tổng của các thời gian nhỏ T1 là hằng số thời gian lớn Dùng hàm chuẩn tối ưu đối xứng để tổng hợp hệ thống nhằm bù được khoảng thời gian lớn T1 để đáp ứng được yêu cầu về điều khiển của hệ thống. Hàm truyền của khâu điều chỉnh T(p) được xác định theo biểu thức: F (p) R(p) = §X (3-12) S o (p)[1−F§X (p)] Thay FĐX(p) từ biểu thứcd (3-10) vào ta có: 1 1+4τ6P +8τ2 6P 2 +8τ3 6P 3 1+4τ6P R(p) = = 1 S (p).8τ2 6P 2 (1+τ6P) S (p)[1− ] o o 1+4τ6P +8τ2 6P 2 +8τ3 6P 3 Chọn τ6 = min {T1; Ts} = Ts và thay So(p) từ biểu thức (3-11) vào ta có: T1 (1 + 4Ts P) T1 1+4Ts P R(p) = 2 = x K1 8Ts P 2K1Ts 3Ts P T 1 = 1 x(1+ ) (3-13) 2K1Ts 4Ts P Từ biểu thức (3-13) ta có T(p) ta có T(p) là khâu tỉ lệ tích phân PI T1 với K2 = 2K1Ts 4Ts = TR . ⎛ 1 ⎞ R(p) = KR ⎜1+ ⎟ (3-14) ⎝ TR P ⎠ 46
27. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II 1+4Ts P Hàm truyền hệ hở là: Fo(p) = So(p) . R(p) = 2 2 (3-15) 8Ts P (1 + PTs ) Hàm truyền hệ kín là: Fo (p) 1+4Ts P F(p) = = 2 2 3 3 (3-16) 1+Fo (p) 1+ 4Ts P +8Ts P +8Ts P X(t) O 8,1 /O O 43,4 /O O ± 2 /O 1 X = 1(t) (1) (2) 0 3,1TS 7,8TS 13,3TS 16,5TS Hình III-11: Đặc tính quá độ của hàm tối ưu đối xứng Ta nhận thấy tỷ số của hàm tối ưu đối xứng có thành phần đạo hàm nên độ quá điều chỉnh của đặc tính điều chỉnh là lớn. (43,4%). Vì vậy thường thêm một khâu quán tính với hằng số thời gian 4Ts thì đặc tính quá độ là đường 2 trên đặc tính điều chỉnh (H3 - 11) với độ quá điều chỉnh là (8,1%). Xd 1 R(p) X So(p) 1 + 4ΤsP (-) Hàm truyền của mạch điều chỉnh là: X(p) 1 E(p) = = 2 2 3 3 Xd(p) 1+4Ts P +8Ts P +8Ts P 47
28. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II 2.2.3. Tổng hợp mạch vòng dòng điện: a. Giới thiệu về mạch vòng dòng điện: 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 mô men quán tính J là xác định. Khi đó nếu KΦ = Const thì giá trị của dòng điện I xác định giá trị của mô men (M=KΦ1). Cho nên nếu điều chỉnh được dòng điện thì điều chỉnh được mômen và điều chỉnh được gia tốc của hệ thống. dω KΦ .I −Mc = dm dm dT J b. Tổng hợp mạch vòng dòng điện dùng hàm tối ưu môđul: Trong mạch vòng dòng điện có dùng mạch phản hồi âm dòng được để làm giảm sai số về tốc độ khi điều chỉnh. Tín hiệu phản hồi dòng được lấy từ sơ đồ đo dòng xoay chiều 3 pha dùng biến dòng. Sơ đồ gồm 3 biến dòng lấy ở 3 pha với điện trở tải Ro. Điện áp sơ cấp biến dòng qua mạch chỉnh lưu cầu đi ốt 3 pha được đưa qua mạch lọc RC để lọc thành phần xoay chiều sau chỉnh lưu và đưa ra điện áp tỷ lệ với dòng điện (Ui) đưa về làm tín hiệu phản hồi âm dòng điện. Ta ký hiệu Pi là tỷ số của biến dòng thì ta có hàm truyền của cơ cấu đo dòng điện là: K i Fi(p) = 1+ PTfi Trong đó: Ki = Pi . Ri : hệ số tỷ lệ Tfi = RC: hằng số thời gian bộ lọc Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện -E 1 K I C R R1 1+ PT 1+ T u Uiđ ()()dk VO Uiđ ()1+ PTu (-) K i ()1+ PTfi Hình III-12: Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện Trong đó: Ri: Bộ điều chỉnh dòng điện KCL: Hệ số khuếch đại mạch chỉnh lưu 48
29. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II Ki: Hệ số khuếch đại dòng điện Tđk, Tvo, Tfi, Tư là các hằng số thời gian của mạch điều khiển chỉnh lưu, sự chuyển mạch chỉnh lưu, xen xơ đo dòng, phần ứng. Khi tổng hợp nếu hệ truyền động điện có hằng số thời gian cơ học rất lớn, lớn hơn hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng thì có thể soi suất điện động của động cơ không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện (tức là coi E = 0 hoặc E = 0). Do đó ta bỏ qua sự tác động của suất điện động E trong khi tổng hợp. Hàm truyền của mạch vòng dòng điện (Hàm truyền của đối tượng điều chỉnh). K iK CL / R − So(p) = (3-17) (1 + PTdk )(1 + PTvo )(1 + PT− )(1 + PTfi ) Trong đó các hằng số thời gian Tw, Ti, Tđk là rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ Tư. Đặt Tsi = Tvo + Tđk + Tfi ta có: K iK CL / R − Soi(p) = với Tsi < Tư (3-18) (1 + PTsi )(1 + PT− ) Dùng tiêu chuẩn tối ưu môđul để tổng hợp bộ điều chỉnh R(p) nhằm khử được hằng số thời gian Tư của khâu quán tính có hằng số thời gian lớn ta có hàm truyền bộ điều chỉnh dòng điện là: 1+ PT− Ri(p) = (3-19) 2K CL K i .Tsi P R − T 1+ PT = − x − (3-20) 2K CL K i T− P .Tsi R − 1+ TRi P = K Ri x (3-21) TRi P Như vậy bộ điều chỉnh dòng điện Ri(p) có cấu trúc là khâu tỷ lệ tích phân PI. Dùng sơ đồ H 3-13 để thực hiện hàm truyền trên (3-21). T− R2 Với KRi = x 2K i K CL R1 .Tsi R − TRi = R2 x C2 R2 C2 R C R1 Uiđ R _ 49 U R ( 1 Uđk U R + U i U ( R
30. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II Hình III-13: Cấu trúc bộ điều chỉnh PI Hàm truyền của mạch vòng dòng điện với bộ điều chỉnh Ri(p) là: I(p) 1 1 = x (3-22) 2 2 U id (p) K1 1+2Tsi P +2Tsi p 2 2 do Ti nhỏ nên bỏ qua thành phần (Tsi) P . I(p) 1 1 = x (3-23) U id (p) K i 1+ 2Tsi P Với bộ điều chỉnh Ri(p) đã tổng hợp theo tiêu chuẩn tối mưu môđul thì quá trình điều chỉnh quá độ sẽ kết thúc sau thời gian Tqđ = 8,4Tsi và quá độ điều chỉnh là 4,3%. Từ các thông số: E d 220V KCL = = =22 U dk 10V 10V 10V Ki = = =0,5Ω 2,5x I dm 2,5x8 Ta có: β = 0,6 (máy công suất nhỏ) η = 0,85 (hiệu suất của động cơ) LU TU = RU U 220 L = β dm = 0,6 = 0,035H U p.ω .I 2.3,14.3000 dm dm 2. .6 60 U dm 220 RU = 0.5()1−η = 0,5()1− 0,85 = 2,75Ω I dm 6 0,026 ⇒ T = = 0.013s U 2,06 50
31. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II 1 1 −3 Tvo = = =1,66.10 S 2mf 2.6.50 -3 Chọn Tfi = 1 x 10 S -3 Tsi + Tfi + Tvo = 2,66 x 10 S −3 1+TRi P 1+13×10 P Ri(p) = KPi x =1,36× −3 TRi P 13×10 P Chọn thông số cho mạch của bộ điều chỉnh Ri(p): -3 TRi = 12 x 10 = R2 x C2 Chọn C2 = 1μF. Ta có R2 = 40KΩ KRi = 1,36 = R2 / R1α → Riα = 29,5 KΩ Chọn R1 = 10 KΩ R3 = 5 KΩ Hàm truyền mạch vòng kín của mạch vòng dòng điện: I(p) 1/ K i 2 Fi(p) = = = −3 U id (p) 2Tsi P +1 5,32x10 P +1 Sau khi tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu môđul thì cấu trúc toán học của mạch vòng dòng điện như hình (H3-14). I U −3 iđ 1+13.10 .P 22 0,36 1,36. −3 13.10 −3.P 1+ 2.66.10 .P 1 + 13.10 −3 P _ Uiđ (-) 0,7 Hệ thống kín với tín hiệu đầu vào Uiđ và tín hiệu ra là I có cấu tạo toán học là: 1+10 −3.P Uid 0,7 I 5,32.10 −3.P +1 2.2.4. Tổng hợp mạch vòng tốc độ: a. Giới thiệu về mạch vòng tốc độ: Hệ thống điều chỉnh tốc độ là hệ thống mà đại lượng được điều chỉnh là tốc Uk MC Uid Uđk Uđ Uđω Rω Ri Fx BĐ Đ (-) (-) ω Uω Ui Si 51 Sω
32. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II 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 tải Mc. Tuỳ theo yêu cầu của công nghệ mà các bộ điều chỉnh R có thể được tổng hợp theo hai tín hiệu điều khiển hoặc theo nhiễu tải M. Trong trường hợp chung hệ thống phải có đặc tính điều chỉnh tốt từ hai phía tín hiệu điều khiển lẫn từ phía tín hiệu nhiễu loạn. Cấu trúc hệ điều chỉnh tốc độ b. Tổng hợp mạch vòng tốc độ dùng điều chuẩn tối ưu môđul: Trong mạch vòng tốc độ dùng mạch phản hồi âm tốc độ để ổn định tốc độ điều chỉnh. Tín hiệu đo tốc độ được lấy từ máy phát tốc 1 chiều. Khi từ thông máy phát tốc là không đổi điện áp đầu ra của máy phát tốc là: Uω = Kω . ω - RưI - ΔUCT Nếu chọn điện trở đủ lớn, gần đúng ta có. Uω ≈ Kω . ω Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền máy phát tốc là: Uω(p) Kω FiF(p) = = (3-24) ω(p) 1+ TfωP Trong đó: Kω: Hệ số tỷ lệ I: Dòng tải của máy phát RƯ: Điện trở phần cứng của máy phát Tfω: Hằng số thời gian bị lọc ΔUCT: Tổn thất điện áp trên chổi than R ω RT C U ω Tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tín hiệu điều khiển (coi Mc = 0) Với mạch vòng dòng điện đã được tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu môđul. Từ biểu thức (3-23). 52
33. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II I(p) 1/ K = i U id (p) 1+2Tsi P Ta xây dựng cấu trúc mạch vòng tốc độ với bộ điều chỉnh tốc độ R (p). Hình vẽ sau -MC Uđ Uđi 1/ K ω ω i M 1 R Kφ (-) 1+ 2.TSi JP Uω K ω 1+ Tïω .P Từ sơ đồ cấu trúc của mạch vòng tốc độ có hàm truyền của đối tượng điều chỉnh Hình : Cấu trúc Mạch vòng tốc độ với hệ điều chỉnh R ( p ) là: R¦ K ω 1 Soω(p) = . (3-25) K i KΦTC P(2Tsω +1) Trong đó: 2TS ω = 2Tsi + Tfω R J Tc = ¦ (KΦ)2 Dùng tiêu chuẩn tối ưu môđul để tổng hợp nhằm bù được khoảng thời gian lớn TC ta có hàm truyền cuả bộ điều chỉnh tốc độ Rω (p) là khâu tỷ lệ (p). K i KΦTC 1 Sω(p) = . (3-26) R¦ K ω 4Tsω Như vậy với bộ điều chỉnh tốc độ R (p) đã tổng hợp được theo tiêu chuẩn tối ưu môđul thì hàm truyền của mạch vòng kín là: U ω (p) 1 Fω(p) = = 2 2 (3-27) U dω (p) 4Tsω + PTsωP + 1 Hàm truyền của mạch vòng tốc độ tín hiệu đặt tốc độ Uđcv(p) và tín hiệu Ra là ω(p) là: U ω (p) 1 1 = x 2 2 (3-28) U dω (p) K ω 1 + 4Tsω +8TsωP Kiểm tra ảnh hưởng của nhiễu phụ tải đến độ quá điều chỉnh và độ chính xác tĩnh. Ta coi Uđω = Const hay ΔUωđ = 0 còn M/c = 0. Bây giờ mạch vòng với tín hiệu vào là Mc = 0 và tín hiệu ra là: 53
34. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II Δ (p) 1/ JP ω =− Mc(p) 1 K K KΦT 1 1/ K 1 + .KΦ. ω . i C . . i JP 1 + PTfω R¦ K ω 4Tsω 1 + 2Tsi P R¦ .4Tsω (1 + 2TsωP) = - 2 x (3-29) (KΦ) TC 4Ts P(1 + 2TsωP) + 1 Với Mc = 1 [t] thì ta có: R¦ Mc4Tsω (1 + 2TsωP) Δω(p) = - 2 x (KΦ) TC 4Tsω P(1 + 2TsωP) + 1 Giá trị sai lệch tĩnh eω (∝) = Δω (∝) = lim Δω (p) P → 0 R¦ 4TsωMc Δω(∝) = - 2 (KΦ) TC Vậy với Rω(p) là khâu tỷ lệ thì hệ thống đạt vô sai cấp một với tín hiệu điều khiển (Uωđ) nhưng lại là hữu sai với tín hiệu nhiễu (Mc) và có sai lệch tốc độ ∝ là: Δω(∝) c. Tổng hợp mạch vòng theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng. - Tổng hợp theo tín hiệu điều khiển (Coi Mc = 0) Từ hàm truyền của đối tượng điều chỉnh là: R¦ 1 Soω(p) = x K i KΦTC P (1 + 2Tsi P)(1+TfωP) Đặt 2Tsω = 2Tsi + Tfω có: R¦ K ω Soω(p) = K iKΦTC P(1 + 2TsωP) Dùng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng với hàm truyền dạng (3-10) để tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ R∝(p). F§X (p) Sω(p) = S o (p)[1 −F§X (p)] K i KΦTC P 1+8TsωP Sω(p) = x R¦ K.4Tsω 8TsωP 1 + TR P = KRω x ω (3-31) TRωP K i KΦTC P Với KRω = ; TRω = 8Tsω R¦ K ω .4Tsω Như vậy bị điều chỉnh Rω(p) tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng là khâu tỷ lệ tích phân PI. 54
35. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II Hàm truyền hệ hở: 1+8T P F (p) = S (p) x R (p) = sω (3-32) o oω ω 2 2 32Tsω P (1 + 2TsωP) Hàm truyền hệ kín: U (p) 1+8T P F(p) = ω = sω (3-33) 3 3 2 2 U dω (p) 64Tsω P 32Tsω P +8PTsω + 1 Kiểm tra ảnh hưởng của nhiễu phụ tải đến độ quá điều chỉnh và độ chính xác tĩnh. Ta coi Uđω = 0 hay Δuđ = 0 còn Mc ≠ 0 còn tín hiệu ra là Δ∝: Δ (p) 1/ JP 1 ω =− x Mc(p) 1 K K KΦT 1 + 8 P K (1 + 2T P) 1 + .KΦ. ω . i C . sω i si JP 1 + PTfω R¦ K ω 4Tsω 8TsωP Δω (p) 4TsωT¦ (1 + 2TsωP)8TsωP = 2 x (3-34) Mc(p) (KΦ) TC 8Tsω[4Tsω P(1 + 2TsωP) + 1] + 1 Khi nhiễu tải MC = 1[1] ta có: 4TsωR¦ MC (1 + 2TsωP)8TsωP Δ ω (p) = 2 x (KΦ) TC 8Tsω[4Tsω P(1 + 2TsωP) + 1] + 1 Giá trị sai lệch tĩnh eω (∝) = Δω(∝) = lim Δω(p) Δω(∝) = 0 P → 0 Kết quả mạch vòng điều chỉnh là vô sai cấp 2 với tín hiệu điều khiển và là vô sai cấp 1 đối với tín hiệu nhiễu. Do đó khi đã ổn định thì sai lệch tốc độ bằng không. Tuy nhiên khi tổng hợp hệ thống theo phương pháp đối ưu đối xứng phải thêm khâu tạo tín hiệu đặt để tránh quá điều chỉnh. Khâu đại tín hiệu này có hàm truyền là một khâu quán tính được đặt ngoài mạch vòng tốc độ. Hàm truyền của khâu tạo tín hiệu đặt là: 1 F(p) = (3-35) 8TsωP + 1 Dùng mạch điện sau thực hiện hàm truyền có biểu thức (3-35) R03 C 2 U R02 R01 đω _ Uđv Đ02 Đ01 + 55
36. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II Hình III-17: Cấu trúc khâu tạo tín hiệu đặt Từ các thông số: U 10V ⎡ V.S ⎤ K = ω =0,03 ω 3000V / P ⎣⎢Rad⎦⎥ 9,55 -3 -3 Chọn Tfω = 5 x 10 S ta có: 2T sω = 2Tsi + T= = 10,32 x 10 S JΣR¦ 0,38x2 −3 TC = = =180x10 S (KΦ)2 (0,65)2 −3 1 + TRωP 1 + 41,2870 P Rω(p) = KRω . =47,23. −3 TRωP 41,28x10 P Chọn thông số cho mạch của bộ điều chỉnh Rω(p) -3 TRω = 41,28 x 10 = R2C2 Chọn C2 = 0,47 μF → R2 = 88KΩ KRω = 47,23 = R2/R1α → R2/R1α → R1α = 1,86 Chọn R1 = 10 K Ω R3 = 5 KΩ Chọn thông số cho mạch của khâu tạo tín hiệu đặt. -3 R1 . C2 = 8T = 41,28 . 10 Chọn C2 = 1 μF → R1 = 41,28 KΩ Cấu trúc toán học của mạch vòng tốc độ: -Mc Uđv M Uđω 1 1+ 41,2.10−3.P 2 1 ω −3 47,23. −3 0,65 1+ 41,28.10 P −3 1+ 5,32.10 P 41,28.10 P Uđi I 0,038.P (-) Uω 0,03 1+ 5.10−3 P Với cấu trúc toán học của mạch vòng tốc độ như trên thì quá trình quá độ điều chỉnh sẽ kết thúc sau thời gian. Tqđ = 13,3 (2T) và độ quá điều chỉnh: δmax% = 8,1% 56
37. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II CHƯƠNG IV: TÍNH CHỌN MẠCH LỰC, MẠCH ĐIỀU KHIỂN I. MẠCH LỰC Thông số động cơ. - Công suất : 1 KW. - Dòng điện phần ứng : 6A - Điện áp phần ứng : 220V-1 chiều - Điện áp kích từ : 220V-1 chiều - Tốc độ định mức : 3000 vòng/phút C A B BA T1 T4 R C C R T T 3 6 R C C R T5 T2 R C C R ĐC MF 57
38. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II Sơ đồ mạch lực và bộ biến đổi - Phương pháp điều chỉnh tốc độ: Thay đổi điện áp phần ứng động cơ. - Cấu trúc bộ điều chỉnh: Sử dụng 2 mạch vòng tốc độ và dòng điện. - Cấu trúc bộ biến đổi: Sử dụng 6 Tiristor mắc theo sơ đồ cầu chỉnh lưu 3 pha. - Mạch bảo vệ có chức năng bảo vệ hoàn chỉnh gồm: + Bảo vệ quá dòng + Bảo vệ mất từ thông + Bảo vệ mất pha. - Nguồn điện sử dụng: Nguồn 3 pha x 380v tần số 50 HZ. I.1.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC 1. 1Tính toán chọn van tirstor a./ Điện áp - Máy biến áp đầu vào có công suất kiểu biến khoảng: P = 1,045pđ = 8 x 220 x 1,045VA - Vậy dự kiến tổn thất điện áp trên thành phần điện trở biến áp là 10%, trên thành phần điện kháng 2%, sụt áp trên 2 van là 3V. - Từ biểu thức: γ1Ud0cosαmin= γ2Eưđm + ΣΔUV + Iưmax Rư + Δ"γmax + ΔUr Trong đó: Ud0 : Là điện áp không tải của chỉnh lưu γ1: hệ số tính đến sự suy giảm của điện áp lưới : 0,95. γ2: Hệ số dự trữ máy biến áp γ2 = 1,04 ÷1,06 αmin: Góc điều khiển cực tiểu đối với sơ đồ không đảo chiều αmin= 0. Iưmax : Dòng điện phần ứng cực đại (2 ÷2,5)Iưđm Δ"γmax : Sụt áp cực đại do trùng dẫn gây ra. I −max Δuγ max = ΔU γdm Idd max Trong đó: Iđ dm: Dòng định mức bộ biến đổi coi bằng Iưđm. Rư : Điện trở phần ứng động cơ. U dm Rư = 0,5(1 - ηđm) Idm Eư dm : Suất điện động định mức động cơ. Eư dm= Uưdm- Idm.Rư 58
39. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II Tính toán: Δur = 0,1 x 220 = 22v. Δuγđm = 0,02 x 221 = 4,4v. I −max Δuγmax = x Δu γđm = 2,0 x 4,4 = 8,8v. I − d max 220 Rư = 0,5(1 - 0,85) = 2,75Ω 6 Iưmaxx Rư= 2,75 x 6 x 2 = 32v. Eư đm = 220 -(6 x 2) = 208V Thay vào ta có : 0,95Ud0= 1,06 x 204 + 32 + 3 + 8,8 + 22 281,8 Uđ0= = 296,57v 0,95 3 6 U d0 Mà Ud0= xU vậy U2 = = 220v Π 2 2,34 - Tỷ số máy biến áp: + Sơ cấp máy biến áp đấu Y : Điện áp Ufa : 220v. + Thứ cấp máy biến áp đấu Y : Điện áp Ufa: 117v - Điện áp ngược trên mỗi van phải chịu là: Ungmax = 6U 2 = 2,45 x 127 = 311v. - Để an toàn cho van ta chọn hệ số dự trữ k = 1,6. Ungmax = k . 2,45 . U2 = 489v. b./ Tính dòng điện: - Dòng trung bình qua mỗi van : Id 8 IVTB = = = 2,7A. 3 3 - Để an toàn cho van ta chọn hệ số dự trữ k = 1,2. IV = 1,2 x 2,7 = 3,25A - Giá trị hiệu dụng dòng chẩy trong mỗi pha thứ cấp máy biến áp. I2= 0,816 x 8 = 0,5A - Giá trị hiệu dụng dòng chảy trong mỗi pha sơ cấp máy biến áp. I1 = 0,58 x 6,5 = 3,8A. Vậy ta chọn 6 van TIRISTOR loại T C-10 các thông số ghi ở bảng 4-1: Mã Ungmax di/dt Du/dt ITH Δu (V) tff (μs) Ig (A) Ug(V) hiệu (KV) (A/μs) (v/μs) T-25 25 0,05 – 1 1 25 – 200 0,3 5 10 20 59
40. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II 2. Chọn máy biến áp: - Công suất thứ cấp: S2 = 3U2I2 = 3 x 127 x 6,5 = 2476W - Công suất sơ cấp S1 = 3U1I1 = 3 x 220 x 3,8 = 2508W - Công suất máy biến áp: S + S S = 1 2 = 2492 W 2 - Chọn mạch từ 3 trụ, tiết diện mỗi trụ được tính theo công thức kinh nghiệm: P Q = k .f (cm2) c Trong đó : k = 5 ÷6 nếu là biến áp khô. 2476 Q = 6 = 24,37 (cm2) 3x50 - Mạch từ có dạng như hình vẽ, bằng từ silic tổn thất 1,3W/kg, trọng lượng 7,5kg/dm3. a. Trụ: Tiết diện thô : 6 x 3 + 3 x 3 = 27cm2. Tiết diện hiệu quả : 0,95 x 27 = 25,65 cm2. Trọng lượng : 7,5 x 0,2565 x 1,7 x 3 = 9,8kg. b. Quy lát. Tiết diện thô : 6 x 6 = 36cm2. Tiết diện hiệu quả : 0,95 x 36 = 25,65 cm2. Trọng lượng : 7,5 x 0,342 c. Từ cảm: - Trong các trụ chọn Bm = 1,1Tesla - Trong các loại chọn 25,65 B’m = 1,1 x = 0,825T 34,2 d. Dây quấn. - Số vòng dây sơ cấp: U1 220 n1 = = −4 4,44xfxQxBm 4,44x50x25,6x1,1x10 - Số vòng dây thứ cấp: 127 n2 = 3,51x = 204 vòng. 220 60
41. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II 2 - Chọn mật độ dòng điện J1 = J2 = 2,75A/mm . - Đường kính dây phía sơ cấp: 4I1 4.3,8 d1 = = = 1,32mm πJ 3,14x2,75 - Đường kính dây phía thứ cấp: 4I2 4.6,5 d2 = = = 1,7mm πJ 3,14x2,75 Tra bảng chọn dây ; - Dây sơ cấp : d1 = 1,35; 12,7g/m; 0,0123Ω/m - Dây thứ cấp : d2 = 1,74; 21,1g/m; 0,0373Ω/m * ống quấn dây: - Bán kính trong của vòng tròn ngoại tiếp mỗi trụ: 302 +152 = 33,5mm - Lồng vào mỗi trụ một ống dây quấn làm bằng vật liệu cách điện dùng 1,0m có bán kính trong 34mm. Vậy bán kính trong ống dây quấn sơ cấp: 35mm. * Dây quấn sơ cấp: 351 vòng chia làm 4 lớp: (3 x 98 + 87 vòng). Giữa hai lớp giấy cách điện dày 0,1mm. - Bề dày dây quấn sơ cấp: e2 = d2 x 3 + 0,1 x 2 = 5,42 mm - Chiều dài dây thứ cấp : -3 l2 = 2π. 48,4 . 10 . 204 = 62m - Điện trở dây quấn thứ cấp ở 750C. r2 = 0,0373 x 62 (1 + 0,04 . 75) = 3Ω. * Điện áp rơi trên điện kháng: 3.I ΔUγ = d π 2 2 r ⎛ e1 + e2 ⎞ −7 Trong đó: X = 8π n2 ⎜a + ⎟ω.10 h ⎝ 3 ⎠ 2 2 0,0432 ⎛ 0,0057 + 0,00542 ⎞ -7 X = 8.3,14 . 2,04 x ⎜0,005 + ⎟ .3,14.10 =0,32Ω 0,12 ⎝ 3 ⎠ Điện áp rơi trên điện trở ⎡ 2 ⎤ ⎡ 2 ⎤ ⎛ n2 ⎞ ⎛ 204 ⎞ ΔUr = ⎢r2 + r1 ⎜ ⎟ ⎥I d = ⎢3 +1,33⎜ ⎟ ⎥.8 = 27,59v. ⎜ n ⎟ 351 ⎣⎢ ⎝ 1 ⎠ ⎦⎥ ⎣ ⎝ ⎠ ⎦ 61
42. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II - Tổng trở ngắn mạch: 2 2 2 2 Z2= X + R d = 0,32 + 3,45 = 3,46Ω - Dòng điện ngắn mạch: U 2 127 Ingm = = = 36,7A Z2 3,46 3./ Chọn thiết bị đóng cắt: - Chọn áp tô mát nguồn (AT) 3 pha . 500v - 10A - Chọn khỏi động từ (KĐT) : 10A 4./ Bộ biến đổi Sử dụng sơ đồ cấu trúc 3 pha có mạch R-C nhằm bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện áp trong quá trình chuyển mạch gây ra. - Chọn R = 150Ω/51W - Chọn C = 0,1 μF/600v II. MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ. II.1. khối nguồn cung cấp đồng pha. 1.1. Chọn phương án cung cấp : Xuất phát từ các nguồn điện áp cần cung cấp là; + Nguốn điện áp cung cấp cho mạch điều khiển ± 15V và + 10V. + Nguồn điện áp đồng pha để cung cấp cho mạch tạo xung và các rơle bảo vệ +24V. + Nguồn điện áp đồng pha để cung cấp cho mạch điện áp tựa đồng pha : 6V. Chọn phương án về khối nguồn cung cấp và đồng pha là sử dụng 3 biến áp 1 pha công suất 30W có các đầu ra thứ cấp cách ly điện áp ra của các cuộn thứ cấp là. + Cuộn W11, W12, W13 là các cuộn dây thứ cấp có điểm giữa cho ra điện áp : 6V/100mA để cung cấp cho mạch tạo điện áp tựa đồng pha. + Cuộn W21, W22, W23 là các cuộn cho ra điện áp 15V/1000mA để cung cấp cho nguồn công suất. + Cuộn W31, W32, W33 là các cuộn cho ra điện áp 16V/0,5A để cung cấp cho nguồn điều khiển. 1.2. Máy biến áp đồng pha 1.2.2. Tính toán máy biến áp đồng pha Do 3 biến áp 1 pha giồng nhau đều có 3 cuộn thứ cấp có công suất S21, S22, S23 nên. S2 = S21 + S22 + S23 Với S21 = 2 U21I21= 2 x 6 x 0,1 = 1,2W S22 = U22I22= 15 x 1 = 15W 62
43. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II S23 = U23I23= 16 x 0,5 = 8W Công suất cuộn sơ cấp của một biến áp: 6 S11 = 220 x m1 x I21 = 220 x x 0,01 = 0,6W 220 15 S12 = 220 x m2 x I22 = 220 x x 1 = 15 W 220 S1 = S11+ S12 + S13 = 23,6W Chọn mạch từ 2 trụ tiết diện được tính theo công thức kinh nghiệm P 24,2 Q = k = 6 = 2,4cm2 c.f 3.50 Chọn mạch từ cảm trong mỗi trụ : B = 4,4Tesla Sò vòng dây quấn sơ cấp: U1 220 n1 = = = 1463 vòng 4,44.f.Q.B m 4,44.50.0,95.3,4.2,2 Số vòng dây các cuộn thứ cấp 6 + Cuộn thứ cấp W11: 2 cuộn có số vòng là : n21 = 1463 = 40vòng 220 16 + Cuộn thứ cấp W21; W31; n22 = 100 vòng; n23 = 1463 = 106 vòng 220 2 Chọn mật độ dòng điện : J1 = J2 = 2,75 A/mm . Đường kính dây quấn sơ cấp 4I21 4x0,1 d21 = = = 0,21mm πJ 3,14x2,75 4I22 4x0,5 d22 = = = 0,68mm πJ 3,14x2,75 4I23 4x0,5 d23 = = = 0,48mm πJ 3,14x2,75 Tra bảng ta được - Đường kính dây quấn sơ cấp: d1 = 0,23mm 0,369g/m 0,433Ω/m - Đường kính dây quấn thứ cấp: d21 = 0,21mm 0,308g/m 0,52Ω/m d22 = 0,69mm 3,32g/m 0,0461Ω/m d23 = 0,49mm 1,68g/m 0,0914Ω/m 1.3. Khối nguồn 63
44. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II 1.3.1. Khối nguồn điều khiển. P1 D9 5K R4 C8 0.22K 1uF D8 R5 1K LM317 10V A D7 B 24V 7815 D1 D2 D3 R2 + 2,7K + + C4 C6 R1 C2 100uF 0,1uF L1 C1 1000uF 4,7K 1uF 0v + + R3 C3 + C5 2,7K 1000uF C7 100uF 0,1uF D4 D5 D6 L2 7915 Hình IV-2: . Mạch điện nguồn điều khiển. Khối nguồn điều khiển lấy điện áp thì các cuộn thứ cấp biến áp đồng pha W31, W32, W33 đấu Y để chia thành điện áp 1 chiều nhờ cầu chỉnh lưu điốt (D1 - D6). điện áp đã chỉnh lưu được lọc bởi tụ C2, C3 qua hai IC ổn áp. 7815 cho ra điện áp + 15 vôn 7915 cho ra điện áp - 15 vôn Các điện áp này lại được lọc bởi các tụ C, C6 và C5, C7 tạo ra các nguồn ổn áp ±15V cấp cho nguồn nuôi các KĐTT. LED L1 chỉ thị báo có nguồn 15V, R3 là điện trở hạn chế điện áp cho L2. - nguồn +15V tại điểm B tiếp tục được đưa vào IC LM 317 để tạo ra điện áp chuẩn 10V cung cấp cho chiết áp tốc độ LED L3 báo chỉ thị là nguồn 10V. - Điốt D7 mắc nối tiếp với đầu ra dương của cầu điốt cho phép lấy ra từ anốt của nó (điểm A) đưa đến mạch bảo vệ mất pha. 1.3.2. Khối nguồn công suất lấy điện áp từ 3 cuộn thứ cấp biến áp đồng pha là W21, W22, W23 được đấu Y để đưa thành điện áp 1 chiều nhờ cầu chỉnh lưu điốt (D9 - D14). Bộ lọc tụ C9 và điện trở hạn chế R6 để tạo ra điện áp +24V cung cấp cho các rơ le bảo vệ (nguồn Un). Điện áp Un gửi qua tiếp điểm RL1-3 (là tiếp điểm của rơ le mất pha) để tạo ra UCS cung cấp cho mạch tạo xung điều khiển. LED L4 báo có nguồn UCS, điện trở hạn chế R7 để hạn chế điện áp cho L4. 1.3.3. Khối nguồn đồng pha. Lấy điện áp từ các cuộn thứ cấp có điểm của biến áp đồng pha W11, W12, W13 đưa vào bộ chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kỳ để toạ ra điện áp đồng bộ với nguồn cấp cho mạch tạo điện áp để điều khiển mở các TIRISTOR của cầu chỉnh lưu điều khiển mạch lực. 64
45. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II D9 D10 D11 R7 + C9 1000uF L4 D12 D13 D14 Hình IV-3: . Mạch điện nguốn công suất. 1.4. Khối bảo vệ. 1.4.1. Bảo vệ quá dòng. Yêu cầu: Mạch phải đảm bảo khi khởi động động cơ thì không tác động. Nhưng khi có hiện tượng quá dòng sự cố thì phải có tác động cắt điện KĐTK bằng việc nhả tiếp điểm thường kín RL2-2 là tiếp điểm bảo vệ quá dòng. RESET D21 Tớ i K3 TT chỉ thị momen RL2 R19 . 1K R20 . 1K R21 . 10K Q2 R25 4,7K RL2 - 4 21K 17 . 17 6562 R .10K 2 C12 C13 22 T R23.100K 100μF SE F . 1K μ 1 R24 . 2,2K T3 . 10K R A 18 100 R P P 10 Ui 2 . Tới bộ điều chỉnh Hình IV-4: Mạch bảo vệ quá dòng Rơ le bảo vệ quá dòng dùng 3 tiếp điểm. RL2-1: Tiếp điện cho đèn LED báo quá dòng từ nguồn 24V. 65
46. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II RL2-2: Là tiếp điểm thường kín cấp điện cho KĐT khi quá dòng. RL2-3: Tiếp điện cho đèn báo sự cố từ nguồn 220V. Nguyên lý hoạt động: Tín hiệu dòng điện (thể hiện dưới dạng điện áp một chiều), được lấy qua bộ SET SA (OMRON). Thực chất đấy là dòng biến động 3 pha. Điện áp ra một chiều tỷ lệ với dòng điện mạch lực. Khi đủ tải diện áp này cỡ 24V. Lấy trên phân áp R17 – R18 và tụ lọc C12 để lấy tín hiệu dòng điện Ui làm tín hiệu hồi tiếp về dòng điện cấp tới bộ điều chỉnh. Tín hiệu điện áp được đưa đến Trigơ Smit (tạo bởi KĐTT Q2) để so sánh với điện áp ngưỡng lấy trên chiết áp P2. Khi ở trạng thái bình thường thì điện áp dương từ biến áp dòng lớn hơn điện áp ngưỡng âm lấy trên chiết áp P2 thì đầu ra Q2 bão hoà âm. Do đó T2 mở, Rơ le RL2 được tiếp điện từ nguồn(- Un)và tác động đến các tiếp điểm RL2-1, RL2- 2,RL2-3. Sau khi xử lý xong sự cố ta ấn nút RESET để lập lại trạng thái bình thường cho các tiếp điểm RL2 III. Bộ điều chỉnh Từ những phân tích ở phần nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện áp phần ứng cấp cho động cơ nhờ thay đổi điện áp Uđk sẽ tăng được độ cứng đặc tính β. Từ đó sẽ mở rộng được dải điều chỉnh tốc độ và giảm được sai số tốc độ tương đối ở những giải đặc tính cơ thấp trong dải điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn sai số cho phép thì ta sẽ có một hệ truyền động làm việc với sai số tốc cho phép trong toàn giải điều chỉnh tốc độ. Chính vì vậy ta xây dựng một bộ điều chỉnh để thay đổi điện áp Uđk bằng hai mạch vòng hồi tiếp. 3.1. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển. Đồng fa Răng cưa So sánh Tạo xung A B C Đồng fa Răng cưa So sánh Tạo xung BA Đồng fa Răng cưa So sánh Tạo xung T T4 1 T3 T6 T5 T Rω RI 2 U Uω i F 66
47. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II Hình IV-3: Cấu trúc mạch vòng điều khiển. 3.2. Sơ đồ mạch điện trở của mạch vòng điều chỉnh. Tư số đồ cấu trúc của mạch vòng điều chỉnh tốc độ ra và dòng điện RI đã xây dựng ta có sơ đồ mạch điện của mạch vòng điều chỉnh như sau: Mạch điện bộ điều chỉnh hình IV-4 3.3. Nguyên lý hoạt động 3.3.1. Bộ điều chỉnh dòng điện. Chức năng của RI là bộ điều chỉnh P1 được thiết lập bởi KĐTT Q5, điện trở R37, R38, tụ C16, R39, P8. Hằng số thời gian tích phân T = R39 x C16 Hệ số khuyếch đại : Điều chỉnh chiết áp P8. Đầu vào khâu RI gồm các tín hiệu sau: + Tín hiệu đặt dòng điện (mômen lấy từ đầu ra của bộ điều chỉnh tốc độ Rω (cấu tạo từ KĐTT Q4) qua khâu hạn chế dòng (mômen) D28, D29, chiết áp P6, P7. + Tín hiệu đo dòng điện tải từ bộ (biến dòng + chỉnh lưu) SET 3A. Đầu ra của Q5 qua bộ hạn chế D30, D31 chiết áp P9, P10 để hạn chế giá trị cực đại của Uđk không vượt quá biên độ đỉnh của điện áp răng cưa là 9V để đưa đến khâu so sánh tạo góc mở α Bộ điều chỉnh dòng điện đảm bảo điều chỉnh dòng điện (mômen) đáp ứng mômen trong quá trình tĩnh. Còn trong hạn chế độ động bộ điều chỉnh đảm bảo tối ưu hoạt động của hệ trong quá trình tăng tốc với giảm tốc. 3.3.2. Bộ điều chỉnh tốc độ. Chức năng của bộ điều chỉnh tốc độ Rω là bộ điều chỉnh PI được thiết lập bởi KĐTTQ4, điện trở R33, R34, tụ điện C15, điện trở R35, chiết áp P5. Với hằng số thời gian tích phân τ = R35 x C15, hệ số khuyếch đại thay đổi bởi chiết áp P5. Đầu vào bộ Rω gồm các tín hiệu sau: + Tín hiệu đặt tốc độ: Lấy trên chiết áp P4 là chiết áp tốc độ đặt trên mặt máy. + Tín hiệu đo tốc độ lấy từ cuộn dây phát tốc của máy phát. + ở tốc độ định mức 3000 vòng/phút điện áp 1 chiều của cuộn phát tốc là 70v. + Dùng phân áp R44, R45 để lấy điện áp nhỏ hơn 10v qua khâu lọc R42, R43, C17, P7 để so sánh với tín hiệu tốc độ lấy trên chiết áp P4 mắc nối tiếp điện trở 67
48. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II R46để đảm bảo động cơ vẫn chạy ở chế độ thấp nhất khoảng 100 vòng/ phút khi chiết áp tốc độ ở vị trí cực tiểu. _ Đầu ra của KĐTT Q4 qua bộ hạn chế D28, D29 chiết ápP6, P7 để ngăn không cho điện áp vượt quá giới hạn xác đinh bởi chiết tốc độ P4. Bởi vậy nó đảm bảo giới hạn được dòng điện ở phụ tảii trong quá trình tăng và giảm tốc. 3.4. Chọn thiết bị cho mạch điều khiển mở TIRISTOR. Các van Tristor : T1 ÷T6chọn giống nhau có Ug = 7v, Ig = 0,3A. Chọn biến áp xung (BAX) có hệ số m = 3. Điện áp thứ cấp BAX : U2 = Ug + ΔU = 7 + 1 = 8v. Điện áp sơ cấp BAX : U2 = m x U2 = 3 x 8 = 24v. Dòng điện thứ cấp BAX : I2 = 0,3A. I2 0,3 Dòng điện sơ cấp BAX : I1 = = = 0,1A m 3 Chọn transitor T5 làm việc ở chế độ xung loại. 2Sc - 517 có UCE= 60v. ICMAX = 2A; β = 10/40. Chọn dòng Ic5 làm việc : 0,1A IC5 0,1A Ta có IBT5 = = = 0,01A β 10 Chọn Transitor T4 làm việc ở chế độ xung loại. 2SC - 755 có UCE= 75v. ICMAX = 1A; β = 5. Chọn dòng IC4 làm việc : 0,01A IC4 0,01A Ta có IB4= = = 0,02A β 5 Tính chọn điện trở U CS − U CESat T4 24v − 0,6v R62= = = 2,4KΩ IC 4 0v002 Với các IC thuật toán chọn dùng loại IC 741, dùng nguồn nuôi ±15v. Chọn UR4 của Q8 là 15v ta tính chọn điện trở R50 U R4Q8 15 R50 = = = 7,5KΩ I B 4 0,002 Chọn 2 điện trở vào của KĐTT Q8 là R47, R48= 10kΩ, do điện trở vào KĐTT là rất lớn nên R47, R48 tự chọn được giá trị mà không bị ảnh hưởng đến mạch điện. Khối tạo xung răng cưa: - Điốt D35 là điốt ổn áp đặt ngưỡng cho biên độ đỉnh của xung răng cưa : Chọn D35 loại điốt ổn áp 9v. 68
49. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II - quá trình nạp điện cho tụ C19 từ nguồn +15v. 1 UC= i dt do iC = cnt nên C ∫ C 1 UC= t C nap Chọn tụ C19 = 1μF -3 -3 Chọn thời gian nạp Tnạp = 2ms = 2.10 s ta có : SAu 2.10 s thì tụ C19 sẽ được nạp đến điện áp 9v nên −6 U C .C 9v.10 -3 IC = = −3 = 4,5 . 10 A Tnap 2.10 Tính chọn điện trở hạn chế dòng nạp P12 và R45 E -3 IC nạp = = 4,5.10 A P12 + R 45 15 => P12 + R45= = 3,3kΩ 4,5.10 −3 chọn P12 = 5kΩ, R45 = 470kΩ - Quá trình phóng của tụ C19 -s Với thời gian phóng Tphóng = 8.10 tụ C19 sẽ phóng hết điện. iC UC = UC0 t Với UC0 bắt đầu quá trình phóng điện áp 9v. C phong −6 9.10 -3 IC phóng = = 1,125 x 10 A 8.10−3 s Tính chọn điện trở hạn chế dòng phóng là R46 U raQ6 − ΔU D37 15v −1v R46= = = 12,4kΩ I phong 1,125A - Chọn điện trở phân áp tại tín hiệu đặt cho Q6: R44 và P11. Do giá trị đặt điện áp để so sánh có giá trị rất bé nên chọn dòng qua R44và P11 là ta có: E 15 R44 + P11= = = 5kΩ I 3.103 E Uđặt Q6 = x P11 là giá trị nhỏ nên R 44 + P11 Chọn R44 = 3,9kΩ P11= 1kΩ - Chọn điện trở phân áp tạo tín hiệu so sánh cho Q0: R42, R43. Qua phân áp R42, R43 lấy ra tín hiệu điện áp có biên độ 5 v để đưa vào Q6. Giá trị điện áp lớn nhất qua chỉnh lưu : 69
50. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II Umax = 2. 2U = 2. 2.6 = 16,9V Chọn dòng tải qua phân áp 10-3A 16,9 R42 + R43= = 16,9kΩ 10−3 U MAX U55Q6 = x R43= 5V. R42 + R43 Nên chọn R42 = 12kΩ; R43= 4,9 kΩ - Chọn điện trở R49, R54 có nhiệm vụ tạo ra điện thế âm trên cực Bazơ của T4 hoặc T6 khi cực tính của nguồn thay đổi , để đảo tín hiệu mở đến các cực điều khiển G1 hay G4 đúng thứ tự +15V R 50 T 4 R49 D38 UBT4 = VBT4(-6V) 21V Mà UBT4= x R49 với R50= 7,5 kΩ R50 + R49 - 6V Chọn R49 = 2,5 kΩ =>VBT4= 5,25v - 6V = - 0,75v Vậy chọn R49= R54 2,5kΩ Bộ phát xung cao tần theo yêu cầu f = 5kz Ta có: 1 1 T = = = 2.10-4s f 5000 2.R58 + R57 T = 2T1 =(R56 + P13)C20 ln R58 R57, R58 có tác dụng tạo ra điện áp Ur để so sánh với tín hiệu điện áp trên UC để định ra thời gian phóng nạp tụ C20. Chọn R57 = 10kΩ R58= 5kΩ 70
51. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ CHƯƠNG II VSat Ur = xR58 = 5v R57 + R58 -4 Ta có T = 2T1 = (R56+ P13). 1,38 . C20= 2.10 s 2.10−4 => R56 + P13= = 14,5kΩ 1,38.10−8 Chọn R56= 10k P13 = 10K Chọn Transitor T8 loại MΠ - 25 có : UCE = 40v; ICMAX = 300mA ICT8 0,04 -3 Chọn dòng IC8= = = 2.10 β 20 Tính chọn điện trở R59: U Ra Q6 15 R59 = = −3 = 7,5KΩ I BT8 2.10 Để tránh tình trạng transitorr T4bị mở tuyến tính trong suốt quá trình có xung điện áp dương đặt vào cực bazơ. Ta chọn điện trở R55 sao cho điện thế tại cực bazơ của T4 có giá trị âm mỗi khi không có xung điện áp âm từ bộ phát xung đồng hồ tới. +15V 30v − ΔU 2,1.10-3 Van R50 + R51 + R56 R50 => R51+ R55= 6470Ω Chọn R51= 470Ω T4 R55 = 6kΩ -3 -3 R51 Vậy VBT4 = 15 - 2,1.10 .R50 = 15 - 2,1.10 . 7,5kΩ = - 0,78v. D39 R55 -15V 71