Mục Lục LỜI NÓI ĐẦU .............................................................................................................................................. 4 Chương 1. Tổng quan về cầu trục ................................................................................................................. 5 1.1. Khái quát chung ................................................................................................................................. 5 1.1.1. Cấu tạo ........................................................................................................................................ 5 1.1.2. Phân loại ..................................................................................................................................... 6 1.1.3. Đặc điểm công nghệ.................................................................................................................... 6 1.2. Đặc tính phụ tải .................................................................................................................................. 7 1.2.1. Momen động cơ nâng hạ ............................................................................................................. 7 1.2.2. Trạng thái làm việc của động cơ................................................................................................. 8 1.3. Yêu cầu của hệ truyền động sử dụng trong cầu trục .......................................................................... 9 Chương 2. Tính chọn động cơ .................................................................................................................... 11 2.1. Thông số cơ cấu nâng hạ.................................................................................................................. 11 2.2. Phụ tải tĩnh cơ cấu nâng hạ .............................................................................................................. 13 2.2.1. Phụ tải tĩnh khi nâng ................................................................................................................. 13 2.2.2. Phụ tải tĩnh khi hạ ..................................................................................................................... 13 2.3. Tính chọn động cơ ........................................................................................................................... 14 Chương 3. Lựa chọn phương pháp truyền động ......................................................................................... 17 3.1. Lựa chọn phương pháp chỉnh lưu .................................................................................................... 17 3.1.1. Chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha .......................................................................................... 17 3.1.2. Chỉnh lưu cầu 3 pha .................................................................................................................. 19 3.2. Lựa chọn phương án đảo chiều ........................................................................................................ 22 3.2.1. Đảo chiều dòng điện phần ứng bằng cách dùng công tắc tơ .................................................... 22 3.2.2. Đảo chiều dòng điện phần ứng bởi hai bộ chỉnh lưu cầu triristor mắc song song ngược........ 23 3.3. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực của hệ truyền động ....................................................................... 24 3.3.1. Sơ đồ mạch lực .......................................................................................................................... 24 3.3.2. Nguyên lí làm việc của mạch động lực ..................................................................................... 24 Chương 4. Thiết kế mạch động lực ............................................................................................................. 26 4.1. Tính chọn thyristor ........................................................................................................................... 26 4.2. Thiết kế cuộn kháng lọc ................................................................................................................... 27 4.2.1. Xác định điện cảm cuộn kháng lọc ........................................................................................... 27 1 4.2.2. Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc ................................................................................................ 28 4.3. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực................................................................................... 32 4.3.1. Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn...................................................................................... 32 4.3.2. Bảo vệ quá dòng điện cho van .................................................................................................. 32 4.3.3. Bảo vệ quá điện áp cho van ...................................................................................................... 33 Chương 5: Thiết kế mạch phát xung điều khiển ......................................................................................... 34 5.1. Khâu đồng bộ .................................................................................................................................. 34 5.1.1 Mạch đồng pha .......................................................................................................................... 34 5.1.2. Mạch xung nhịp......................................................................................................................... 34 5.2. Mạch tạo xung răng cưa ................................................................................................................... 35 5.3. Khâu so sánh .................................................................................................................................... 36 5.4. Khâu tạo xung chùm ........................................................................................................................ 37 5.5. Khâu tách xung ................................................................................................................................ 37 5.6. Khâu trộn xung và khuếch đại xung ................................................................................................ 38 5.7. Tổng hợp mạch tạo xung điều khiển ................................................................................................ 40 5.7.1. Tính toán khâu đồng pha .......................................................................................................... 42 5.7.2. Tính toán khâu tạo điện áp răng cưa ........................................................................................ 42 5.7.3. Tính toán khâu so sánh ............................................................................................................. 43 5.7.4. Tính toán khâu tạo xung chùm .................................................................................................. 44 5.7.5. Tính toán biến áp xung.............................................................................................................. 44 5.7.6. Tính toán khối khuếch đại xung ................................................................................................ 45 5.8. Nguồn nuôi mạch điều khiển ........................................................................................................... 46 Chương 6. Tổng hợp bộ điều khiển tự động và mô phỏng truyền động điện cơ cấu nâng hạ .................... 48 6.1. Mô hình toán học động cơ 1 chiều ................................................................................................... 48 6.1.1. Chế độ xác lập .......................................................................................................................... 48 6.1.2. Chế độ quá độ ........................................................................................................................... 49 6.2. Mô hình phản hồi dòng điện ............................................................................................................ 50 6.3. Mô hình bộ phản hồi tốc độ ............................................................................................................. 51 6.4. Mô hình bộ biến đổi điện áp ............................................................................................................ 52 6.5. Tổng hợp hệ điều khiển vòng kín .................................................................................................... 53 6.5.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện ................................................................................................ 54 6.5.2. Tổng hợp mạch vòng tốc độ ...................................................................................................... 56 6.6. Mô phỏng ......................................................................................................................................... 57 2 6.6.1. Mô phỏng hệ thống điều khiển trên Matlab Simulink ............................................................... 57 6.6.2. Kết quả mô phỏng ..................................................................................................................... 59 Tài Liệu Tham Khảo ................................................................................................................................... 63 3 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay sự phát triển nhanh chóng của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung và trong lĩnh vực điện - tự động hóa, nói riêng làm cho bộ mặt của xã hội thay đổi từng ngày. Máy móc ngày càng được sử dụng rộng rãi và mức độ càng ngày càng hiện đại. Trong đó, bộ phận máy thiết bị nâng và xếp dỡ đóng vai trò rất quan trọng trong sản xuất và vận hàng hóa, thiết bị nâng hạ đã góp phần làm giải phóng sức lao động, tăng nhanh năng suất lao động. Cầu trục là 1 thiết bị nâng hạ được sử dụng rộng rãi trong các nhà xưởng, do nó có nhiều ưu điểm và kết cấu nhỏ gọn phù hợp với không gian nhà xưởng. Cầu trục được sử dụng trong xây dựng công trình công nghiệp, trong các nhà máy luyện kim, nhà máy cơ khí, cảng biển… Đặc biệt trong nhà máy cơ khí, nhóm máy thiết bị cầu trục đóng vai trò rất quan trọng, góp phần lớn vào năng suất lao động và hiệu quả kinh doanh. Gắn liền với việc sử dụng cầu trục là quá trình điều khiển kết hợp giữa các cơ cấu sao cho đạt hiệu quả sản xuất cao nhất. Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, khoa học kĩ thuật, nhóm thiết bị này ngày càng được hoàn thiện, có tính ưu việt hơn, đáp ứng tốt các yêu cầu vận hành như công suất, mức độ tự động hóa cao, vận hành an toàn và hiệu quả… Trong quá trình làm đồ án chuyên ngành em được giao đề tài: “Thiết kế hệ truyền động cho cho cơ cấu nâng cần trục sử dụng động cơ điện một chiều”. Em xin cảm ơn cô GVC. Nguyễn Thị Liên Anh đã giúp em hoàn thành bài đồ án này. Do giới hạn về kiến thức nên nghiên cứu còn có nhiều hạn chế và thiếu xót. Em kính mong được sự giúp đỡ và hướng dẫn của thầy, cô để bài đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, tháng 5 năm 2015 Sinh viên thực hiện: Hoàng Tiến Dũng 4 Chương 1. Tổng quan về cầu trục 1.1. Khái quát chung Cầu trục là các máy chuyển động trên 2 đường ray cố định trên kết cấu kim loại hoặc tường cao để vận chuyển vật trong khoảng không gian giữa 2 dường ray đó. 1.1.1. Cấu tạo Hình 1.1. Cầu trục Cơ cấu nâng-hạ: Là bộ phận của cầu trục bao gồm động cơ truyền động, bộ truyền và hệ kéo cáp vật lên, hạ vật xuống theo phương thẳng đứng (palang điện hoặc palang tay). Bộ phận lấy hàng có thể là móc câu, gầu hoặc nam châm điện. Tùy theo công dụng của cầu trục mà trên xe con có 1 hoặc 2, 3 cơ cấu nâng hạ, gồm 1 cơ cấu nâng chính và 1 hoặc 2 cơ cấu nâng phụ. Ngoài ra còn có cơ cấu phanh hãm. Phanh dùng trong cầu trục thường có 3 loại: phanh đĩa, phanh guốc và phanh đai. Xe cầu: Là một khung thép hình chữ nhật, được thiết kế với kết cấu chịu lực, gồm 1 dầm chính bao quanh là dàn khung. Hai đầu dầm chính liên kết cơ khí với 2 dầm ngang tạo thành khung hình chữ nhật trong mặt phẳng ngang. Các bánh xe cầu trục được thiết kế trên các dầm ngang của khung để xe cầu có thể chạy dọc suốt nhà xưởng một cách dễ dàng. Xe con: Là bộ phận di chuyển trên đường ray trên xe cầu, trên đó có cơ cấu nâng hạ và cơ cơ cấu di chuyển cho xe con. 5 Kết hợp 2 chuyển động vuông góc của xe cầu và xe con với chuyển động lên xuống của bộ phận lấy hàng, ta có thể di chuyển vật ở mọi điểm ở trong không gian của phân xưởng. Dẫn động của cầu trục có thể bằng tay hoặc dẫn điện động. Dẫn động bằng tay chủ yếu dùng trong phân xưởng sửa chữa, lắp ráp nhỏ, nâng hạ không thường xuyên, không đòi hỏi năng suất và tốc độ cao. 1.1.2. Phân loại Theo bộ phận lấy hàng và mục đích sử dụng: - Cầu trục dùng móc tiêu chuẩn. Cầu trục dùng gầu ngoạm. Cầu trục dùng nam châm điện. Theo chế độ làm việc: - Loại nhẹ: TĐ% = 10÷15%, số lần đóng cắt trong 1 giờ là 60. Loại trung bình: TĐ% = 15÷25%, số lần đóng cắt trong 1 giờ là 120. Loại nặng: TĐ% = 40÷60%, số lần đóng cắt trong 1 giờ là trên 240. Theo trọng tải: - Loại nhẹ: dưới 10 tấn. Loại trung bình: từ 10÷15 tấn. Loại nặng: trên 15 tấn. Theo chức năng: - Cầu trục vận chuyển: sử dụng rộng rãi, yêu cầu chính xác không cao. Cầu trục lắp ráp: Sử dụng trong các phân xưởng cơ khí, yêu cầu độ chính xác cao. 1.1.3. Đặc điểm công nghệ - Do phải thường xuyên làm việc trong môi trường có điều kiện khắc nghiệt như các bến cảng, nhà máy xí nghiệp, hay các phân xưởng luyện kim nên yêu cầu chế độ đóng cắt cao, đặc biệt là đối với cầu trục dùng để lắp ghép các các chi tiết máy trong phân xưởng cơ khí. - Các thiết bị trong hệ thống phải làm việc tin cậy để nâng cao năng suất, an toàn trong vận hành và khai thác. - Các thành phần cấu tạo lên hệ thống phải đơn giản, dễ thay đổi, sữa chữa và bảo dưỡng. - Trong hệ thống phải có thiết bị bảo vệ điện áp, bảo vệ quá tải và ngắn mạch khi có yêu cầu cần thiết. 6 - Có thiết bị han chế hành trình cho xe con, xe cầu, cơ cấu nâng hạ. Có thể tự động cắt nguồn khi có người làm việc trên xe cầu. 1.2. Đặc tính phụ tải 1.2.1. Momen động cơ nâng hạ Khảo sát cơ cấu nâng hạ người ta thấy rằng, khi nâng tải, momen thế năng có tác động cản trở chuyển động, tức là hướng ngược chiều quay. Khi hạ tải, momen thế năng lại là momen gây ra chuyển, tức là nó hướng theo chiều quay động. Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ: ω -Mc 0 Mc M Hình 1.2. Đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ. Từ đặc tính của cơ cấu nâng hạ ta có nhận xét: Hạ hãm: Tải trọng lớn thì momen tải trọng Mc đủ lớn để thắng momen ma sát Mms của hệ truyền động và tải tự tụt xuống. Khi hạ tải ứng với trạng thái phát của động cơ thì Mđ là momen hãm để ghìm giữ tải trọng tụt xuống đều với tốc độ cho phép, Mc là momen gây chuyển động. Hạ động lực: Tải trọng nhỏ thì momen tải trọng không đủ để thắng momen ma sát của hệ truyền động và động cơ phải làm việc đẩy xuống. Cả 2 momen tải trọng và động cơ đều gây momen chuyển động. Như vậy, trong mỗi giai đoạn nâng hay hạ thì động cơ phải được điều khiển để đảm bảo làm việc đúng với trạng thái làm việc của nó, phù hợp với đặc tính tải. Phụ tải của nâng hạ cầu trục có thể biến đổi từ 0 đến giá trị lớn nhất. 7 1.2.2. Trạng thái làm việc của động cơ  Góc phần tư thứ I: Máy điện làm việc ở chế độ động cơ (đường 1) Mđ = Mc + Mms Với: Mđ – Momen động cơ sinh ra Mc – Momen cản do tải trọng gây ra Mms – Momen cản do ma sát gây ra Đối với động cơ nâng hạ làm việc ở chế độ nâng hàng.  Góc phần tư thứ II: Máy điện làm việc ở chế độ máy phát. Đối với cơ cấu cơ cấu nâng hạ thực hiện hãm động năng ( đường 3).  Góc phần tư thứ III: Máy điện làm việc ở chế độ động cơ. Đối với cơ cấu nâng hạ: Mc < Mms Mđ = Mms - Mc Chế độ này gọi là hạ động lực.  Góc phần tư thứ IV: Máy điện làm việc ở chế độ máy phát. Đối với cơ cấu nâng hạ: Mc > Mms Mđ = Mc - Mms Hàng sẽ được thả do trọng lượng của nó. Còn động cơ đóng điện nâng để hãm tốc độ hạ hàng. Lúc này động cơ làm việc ở trạng thái hãm ngược (đường 4). 8 Hình 1.3. Chế độ làm việc động cơ cầu trục 1.3. Yêu cầu của hệ truyền động sử dụng trong cầu trục Chế độ làm việc: Động cơ truyền động của cơ cấu nâng hạ có chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại, có tần số đóng cắt lớn. Vấn đề đảo chiều: Động cơ cầu trục phải có khả năng đảo chiều quay, có momen thay đổi theo trọng tải rất rõ rệt. Theo khảo sát từ thực tế khi không có tải trọng, momen động cơ Mđ không vượt quá (15÷20%)Mđm. Đối với cơ cấu nâng hạ của cầu trục gầu ngoạm tới 50%Mđm. Yêu cầu về khởi động và hãm: Trong các hệ thống truyền động của cơ cấu nâng hạ nói chung và cầu trục nói riêng, yêu cầu về quá trình tăng tốc và giảm tốc phải êm. Bởi vậy, momen động trong quá trình quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu kĩ thật an toàn. Ở các máy nâng tải. gia tốc thường được quy định theo khả năng chịu phụ tải của từng động cơ. Đối với cơ cấu hạ cầu trục gia tốc phải nhỏ hơn 0,5m/s2 để không làm đứt cáp. Thời gian khởi động nhỏ nhất là 2s. Sử dụng phanh ham khi chuẩn bị dừng và khi mất điện điện phanh hãm phải dừng ở giá trị hiện trạng, tránh rơi tự do, phải dừng chính xác tại nơi lấy, hạ tải và phải dừng ở tốc độ thấp. 9 Phạm vi điều chỉnh: Trong cơ cấu nâng hạ cầu trục thì phạm vi điều chỉnh không cao. Ở cầu trục thông thường thì D < 3, ở cầu trục lắp giáp D > 10. Độ chính xác điều chỉnh không cao khoảng 5%. Các cơ cấu điều khiển truyền động cầu trục ít nhất phải có 3 cấp tốc độ. Cấp độ cao là cấp độ tối ưu cho từng cơ cấu. Cấp tốc độ thấp để thỏa mãn công nghệ khi nâng và hạ hàng chạm đất. Cấp độ trung bình thỏa mãn yêu cầu bốc xếp hàng hóa và ổn định của cầu trục. Khả năng rút ngắn thời gian quá độ: Đây là biện pháp cơ bản để nâng cao năng suất do các cơ cấu điều khiển truyền động trên cầu trục làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Nhằm rút ngắn thời gian quá độ, người ta thường sử dụng phương pháp: chọn động cơ có momen khởi động lớn, dùng động cơ điện có tốc độ không cao, giảm momen quán tính của các bộ phận quay. Yêu cầu đối với truyền động trong trạng thái bất thường như hãm khẩn, đảo chiều quay tức thời hay hãm đột ngột: Các bộ phận phải có phanh hãm điện từ để giữ chặt các trục, khi mất điện hay sự cố đảm bảo an toàn cho người và thiết bị . Để dảm bảo điều này, trong sơ đồ điều khiển phải có công tắc hành trình để hạn chế chuyển động của cơ cấu. Khi hãm khẩn cấp hay hãm đột ngột phải dừng chính xác. Yêu cầu về nguồn và trang bị: Điện áp cung cấp cho cơ cấu cầu trục không vượt quá 500V. Mạng điện xoay chiều hay dùng là 380/220V, mạng điện 1 chiều hay dùng là 220V, 440V. Đa số làm việc trong môi trường nặng nề, đặc biệt trong các hải cảng, nhà máy, xí nghiệp luyện kim, phân xưởng sửa chữa… nên các khí cụ trong truyền động và trang bị điện cơ cấu yêu cầu phải làm việc tin cậy, đảm bảo an toàn, năng suất trong mọi điều kiện khắc nghiệt, đơn giản trong thao tác. 10 Chương 2. Tính chọn động cơ 2.1. Thông số cơ cấu nâng hạ Hình 2.1. Sơ đồ động học của cơ cấu nâng - hạ dùng móc 1. Trục vít; 2. Bánh vít; 3. Bánh răng; 4. Tang nâng; 5. Puli; 6. Móc; 7. Động cơ điện Chiều cao nâng: 10 [m] Tốc độ nâng hạ (v): v= 0,1÷0,5 [m/s], phạm vi điều khiển tốc độ D = 0,5/0,1 = 5. Trọng lượng tải (G): 2000 [kg] Trọng lượng móc câu (G0): 50 kg 11 Bán kính puli (Rt): 0,25 [m] Tỉ số truyền (i): 50 i= 2 Rt n 60uv n – Tốc độ động cơ, [vg/s] u – Bội số hệ số ròng rọc. Hiệu suất bộ truyền định mức (ηc): 0,85 Mô men quán tính cơ cấu :Jcc = 0,1 Kgm2 Chu kỳ làm việc (Tck): 180 s Trong đó, hiệu suất cơ cấu (c ) sẽ là là định mức khi tải trọng là định mức. Với các tải trọng khác định mức thì xác định theo hình. Hình 2.2. Quan hệ phụ thuộc ηc vào tải trọng Hệ số mang tải không tải: K= G0 50 = = 0,024 Gdm  G0 50  2000 Dựa vào đường đặc tính quan hệ giữa hệ số mang tải và hiệu suất (hình 2.2), ta có hệ số bộ truyền không tải η0 = 0,25. 12 2.2. Phụ tải tĩnh cơ cấu nâng hạ 2.2.1. Phụ tải tĩnh khi nâng Momen động cơ khi nâng vật: (G  Gn ) Rt (2000  50)9,81.0, 25 = = 118,3 (N.m) uic 1.0,85.50 Mn = Công suất động cơ cần thiết để nâng vật: Pnc  (G0  G )v (2000  50)9,81.0,5 = = 11,8 (kW) 1000c 1000.0,85 Khi nâng không tải: M n0  G0 Rt 50.9,81.0, 25 = = 9,81 (N.m) ui0 1.0, 25.50 Công suất động cơ phát ra khi nâng không tải: Pn 0  G0v 50.9,81.0,5 = = 0,98 (kW) 10000 1000.0, 25 2.2.2. Phụ tải tĩnh khi hạ Như đã giới thiệu trong chương 1, ta có 2 chế độ hạ tải tùy thuộc vào tải trọng G lớn hay nhỏ là hạ động lực và hạ hãm.Khi hạ tải, trong cả 2 trường hợp thì năng lượng đều truyền từ phía tải trọng sang cơ cấu truyền động nên momen động cơ khi hạ là: Mh = Mt – ΔMh = Mtηh ηh là hiệu suất cơ cấu khi hạ. Ta thấy rằng, Mt > ΔMh ứng với Mđ > 0 là hạ hãm, Mt < ΔMh ứng với Mđ < 0 là hạ động lực Momen tải trọng: Mt = (G  G0 ) Rt (2000  50).9,81.0, 25 = = 100,55(Nm) ui 1.50 Momen tổn hao khi nâng: ΔMn = Mn – Mt = Mt c 1   1  c  - Mt = Mt  13 Coi tổn thất khi nâng và hạ tải (ΔMh = ΔMn) là như nhau nên: 1   1  1  = Mt  2   = Mt η h  c   c  Mh = Mt - ΔMh = Mt - Mt   Mhc = Mt  2   1 1    = 100,55  2   = 82,8 (N.m) c  0.85   Suy ra: ηh = 2  1 c Đối với những tải trọng tương đối lớn (ηc > 0,5), ta có ηh > 0 và Mh > 0. Điều đó có nghĩa momen động cơ ngược chiều với momen phụ tải, động cơ làm việc ở chế độ hạ hãm. Khi tải trọng tương đối nhỏ (ηc < 0,5), ta có ηh < 0 và Mh < 0. Momen động cơ cùng chiều với momen phụ tải. Động cơ làm việc ở chế độ hạ động lực. Momen hạ không tải: M h0  G0 Rt ui  1  50.9,81.0, 25  1  2 = 2  = -4,9 (N.m) 50.1 0.25    0  Do đó công suất động cơ khi hạ có tải và không tải: Phc  (G  G0 )v  1 (2000  50)9.81.0,5  1  2 2  =   = 8,28 (kW) 1000  c  1000 0.85   Ph 0  G0 v  1  50.9.81.0,5  1  2 2 =   = -0,49 (kW) 1000  0  1000  0.25  2.3. Tính chọn động cơ Thời gian nâng có tải: tnc = 20s Thời gian nâng không tải: tn0 = 20s Thời gian hạ có tải: thc = 20s Thời gian nâng không tải: th0 = 20s Thời gian làm việc của động cơ: tlv = th0 + tnc + thc + tn0 = 80s Thời gian của 1 chu kì làm việc là tck: 180s 14 M(N.m) 118,3 82,28 9,81 0 -4,9 t(s) th0 20 tn1 40 tnc 60 90 tn2 thc 110 tn3 130 tn0 150 tn4 180 Hình 2.4. Đồ thị phụ tải Mtb = Ptb = M nc2 .tnc  M no2 .tn 0  M h20 .th 0  M hc2 .thc = 72,4 (N.m) tlv Pnc2 .tnc  Pno2 .tn 0  Ph20 .th 0  Phc2 .thc = 7,23 (N.m) tlv Hệ số tiếp điện: TĐth% = tlv = 44,44 (%) tck Ta có các hệ số tiếp điện chuẩn TĐtc% (15%, 25%, 40%, 60%). Trong bài này, ta sử dụng động cơ có hệ số tiếp điện là 40%. Vậy, momen tính toán động cơ: Mtt = M tb 44, 44 TDth % = 72, 4 = 76,3 (N.m) 40 TDtc % Tốc độ động cơ: n = 60uvi 60.1.0,5.50 = = 955 (vòng/phút) 2 Rt 2 .0, 25 Động cơ được chọn phải có Mđm > Mtt, Pđm > Ptt. 15 Sau khi tra danh sách động cơ, ta chọn động cơ 1 chiều kích từ song song loại Д-32, có các thông số như sau: - Công suất định mức: Pdm = 12 kW. Điện áp định mức: Uddm = 440V. Tốc độ động cơ định mức: n = 1240vg/phút. Dòng điện định mức: Iddm = 31,5A; Điện trở phần ứng: Rud = 0.534Ω; Điện trở phần kích từ: Rck = 36Ω; Số thanh dẫn tác dụng của phần ứng: N = 738 Số nhánh song song của phần ứng: 2a = 2 Số vòng dây 1 cực của cuộn song song: Wck = 1140 Từ thông hữu ích của một cực: Φ = 57mWb Dòng kích từ định mức: ikt = 4,3A Momen quán tính: J = 0,425 kgm2 16 Chương 3. Lựa chọn phương pháp truyền động 3.1. Lựa chọn phương pháp chỉnh lưu Nguồn điện cấp cho cơ cấu nâng hạ là điện áp lưới: U1 = 220V xoay chiều. Theo phương pháp truyền động T-Đ, để cung cấp nguồn 1 chiều cho phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập, ta phải sử dụng một mạch chỉnh lưu để biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều U1 thành năng lượng dòng điện 1 chiều. Thực tế có rất nhiều phương án có thể sử dụng được, tuy nhiên để có một mạch chỉnh lưu phù hợp với yêu cầu thiết kế ta cần xét một cách tổng quan về các sơ đồ chỉnh lưu. Với yêu cầu thay đổi được điện áp đặt vào phần ứng động cơ thì các bộ chỉnh lưu điốt không thể làm thay đổi điện áp ra nên ta chỉ xét các mạch chỉnh lưu điều khiển. 3.1.1. Chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha a. Sơ đồ mạch điện Chỉnh lưu tia 3 pha có cấu tạo từ một biến áp 3 pha với thứ cấp đấu sao có trung tính, 3 đầu katốt của 3 van bán dẫn nối cùng cực tính để nối tới tải, ba đầu Anốt nối tới các pha biến áp, tải được nối giữa đầu nối chung của van bán dẫn với trung tính như hình vẽ. UA Ub UB Uc L T1 T2 + Đ T3 KT Ua - UC Hình 3.1. Mạch chỉnh lưu tia 3 pha b. Nguyên lý hoạt động Giả sử trong 1/3 chu kỳ đầu tiên điện áp trên Anot của thyristor T1 dương nhất, khi cấp xung điều khiển cho T1 thì T1 mở dòng qua T1 qua R, L và chạy về nguồn. Trong 1/3 chu kỳ tiếp theo T2 phân cực thuận giải thích tương tự như trên thì dòng sẽ qua T2 qua R, L và chạy về nguồn. Tương tự 1/3 chu kỳ cuối dòng qua T3 qua R, L và về nguồn (chú ý: các van trên chỉ hoạt động khi được cấp xung điều khiển và phân cực thuận). Do tải có tải cảm lớn nên dòng điện trên tải là liên tục, tức là van dẫn sẽ vẫn dẫn khi điện áp âm mà van còn lại chưa mở. Ví dụ, Van T1 đang dẫn, do suất điện động cảm ứng nên T1 vẫn dẫn điện cho đến thời điểm t2. Khi đưa xung vào mở T2 thì sẽ xuất hiện một 17 điện áp ngược đặt vào T1, làm T1 khoá lại và quá trình khoá T1 là quá trính khoá cưỡng bức. Từ thời điểm t2÷t 3 thì T2 dẫn điện, thời điểm t4 là khi chúng ta đưa xung mở T3. Các tham số chính: Giá trị trung bình của điện áp trên tải: Ud  3 6 U 2 cos   1,17U 2 cos  2 Giá trị điện áp ngược: U ng  6U 2 Dòng điện trung bình chảy qua Thyristor: Iv = Id/3 Số lần đập mạch trong 1 chu kỳ: 3 Công suất của máy biến áp: Sba = 1,35Pd Hình 3.2. Đồ thị điện áp và dòng điện chỉnh lưu hình tia 3 pha 18 c. Đánh giá mạch chỉnh lưu Ưu điểm: So với chỉnh lưu một pha thì chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp một chiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn, do chỉ có một van dãn nên sụt áp trên van là nhỏ  công suất tiêu thụ của van nhỏ.Việc điều khiển các van tương đối đơn giản. Nhược điểm: Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp ra tải chưa thật tốt lắm. Điện áp ra có độ đập mạch lớn nên xuất hiện nhiều thành phần điều hoà bậc cao. Hiệu suất sử dụng máy biến áp không cao. 3.1.2. Chỉnh lưu cầu 3 pha a. Sơ đồ mạch điện Ub Uc T4 T1 T6 T3 T2 T5 L + Đ KT Ua - Hình 3.3. Mạch chỉnh lưu hình cầu 3 pha Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng gồm có 6 thyristor chia thành 2 nhóm: - Nhóm katốt chung gồm 3 triristor: T1 ,T3 ,T5. Nhóm anốt chung gồm 3 triristor: T2 ,T4 ,T6. Điện áp các pha thứ cấp MBA có phương trình: U a  2U 2 sin  2   U a  2U 2 sin     3   4   U a  2U 2 sin     3   19 Góc mở α được tính từ giao điểm của hai điện áp pha. b. Nguyên lý hoạt động Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua. Khi   1   6  cho xung điều khiển mở T1. Thyristor này mở vì U0 > 0. Sự mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì U2a > U2c. Lúc này T6 và T1 cho dòng đi qua. Điện áp ra trên tải: Ud = Uab = U2a – U2b. Khi   1  3   cho xung điều khiển mở T2. Thyristor này mở vì T6 dẫn dòng nó 6 đặt Ub2 lên catốt T2 mà U2b > U2c. Sự mở của T2 làm cho T6 khoá lại một cách tự nhiên vì U2b > U2c. Các xung điều khiển lệch nhau  được lần lượt đưa đến các cực điều khiển của các 3 thyristor theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1,...Trong mỗi nhóm, khi 1 tiristor mở thì nó sẽ khoá ngay tristor trước nó, như trong bảng sau. Bảng 3.1. Các thời điểm mở, khóa của thyristor Thời điểm   1    6 3   1   6 5   1   6 7   1   6 9   1   6 11   1   6 Mở T1 Khóa T5 T2 T6 T3 T1 T4 T2 T5 T3 T6 T4 Các thông số chính: - Điện áp trung bình trên tải: Điện áp ngược cực đại đặt lên van: Ungmax = 2,45.U2 Số lần đập mạch trong 1 chu kỳ: 6 Dòng điện chảy qua các van là: IT = Id / 3 Công suất của máy biến áp: Sba = 1,05.Pd 20 Hình 3.4. Đồ thị điện áp và dònkg điện chỉnh lưu hình cầu 3 pha c. Đánh giá mạch điện Ưu điểm: Điện áp ra đập mạch nhỏ do vậy mà chất lượng điện áp tốt. Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt do dòng điện chạy trong van đối xứng. Điện áp ngược trên van là lớn nhưng do Udo = 2,34U2. Vì vậy, nó có thể được sử dụng với điện áp khá cao. Nhược điểm: Cần phải mở đồng thời hai van theo đúng thứ tự pha nên rất phức tạp. Sụt áp trong mạch van gấp đôi sơ đồ hình tia nên cũng không phù hợp với cấp điện áp ra tải dưới 10 V. Nó gây khó khăn khi chế tạo vận hành và sửa chữa. Lựa chọn: Từ yêu cầu thiết kế về chất lượng điện áp một chiều tốt để có thể cung cấp cho phần ứng động cơ điện một chiều kích từ song song, đảm bảo phù hợp yêu cầu công nghệ cơ cấu nâng hạ cầu trục, nên ta chọn sử dụng mạch chỉnh lưu dùng sơ đồ cầu 3 pha điều khiển đối xứng là hợp lý hơn cả. 21 3.2. Lựa chọn phương án đảo chiều Quá trình đảo chiều chuyển động bàn máy cũng có rất nhiều phương pháp, nhưng chung quy có 2 phương pháp: - Đảo chiều quay động cơ nhờ đảo chiều dòng kích từ. Đảo chiều quay động cơ nhờ đảo chiều dòng phần ứng. Tuy nhiên sử dụng phương pháp đảo chiều dòng kích từ có nhiều hạn chế, do cuộn cảm có hệ số tự cảm lớn (quán tính từ lớn) nên làm tăng thời gian đảo chiều, không thoả mãn cho truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục. Vì vậy ta chỉ xét quá trình đảo chiều động cơ bằng đảo chiều dòng phần ứng. Với hệ truyền động T-Đ để đảo chiều dòng phần ứng động cơ có hai cách cơ bản: - Đảo chiều nhờ các tiếp điểm công tắc tơ đặt trên mạch phần ứng. Đảo chiều quay nhờ hai BBĐ triristor mắc song song ngược. 3.2.1. Đảo chiều dòng điện phần ứng bằng cách dùng công tắc tơ Sơ đồ truyền động: BBĐ1 BBĐ2 T N CKĐ Đ ~ 3 pha N ~ 3 pha T Hình 3.5. Sơ đồ truyền động đảo chiều động cơ bằng công tắc tơ Trên hình 3.5 cuộn kích từ CKĐ được cấp nguồn bởi một bộ chỉnh lưu BBĐ2. Bộ chỉnh lưu BBĐ1 tạo ra dòng điện một chiều có chiều không đổi ở phía đầu ra, trước khi đưa vào phần ứng động cơ, người ta bố trí các tiếp điểm công tắc tơ T và N sao cho khi điều khiển các công tắc tơ này đóng tiếp điểm thì đảo được chiều dòng điện phần ứng, dẫn đến đảo được chiều quay động cơ. Phương pháp này chỉ sử dụng cho các truyền động công suất nhỏ vì dòng hồ quang phát ra giữa các tiếp điểm lớn. Mặt khác do quán tính cơ điện của các khí cụ lớn nên tần số đảo chiều không cao, không phù hợp cho truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục. 22 3.2.2. Đảo chiều dòng điện phần ứng bởi hai bộ chỉnh lưu cầu triristor mắc song song ngược Sơ đồ truyền động: ~ 3 pha BBĐ1 BBĐ2 BBĐ3 CKĐ Đ ~ 3 pha Hình 3.6. Sơ đồ truyền động đảo chiều động cơ bằng chỉnh lưu Cuộn dây kích từ CKĐ được cấp nguồn bởi CL3 với dòng điện có chiều không đổi. Phần ứng động cơ được cấp nguồn bởi 2 bộ chỉnh lưu CL1 và CL2 mắc song song ngược. Muốn đảo chiều quay động cơ, ta đưa tín hiệu điều khiển vào 2 bộ chỉnh lưu sao cho CL1 hoặc CL2 mở để thay đổi chiều dòng điện phần ứng iưT và iưN. Phương pháp này vì sử dụng các khí cụ không tiếp điểm nên quá trình đảo chiều êm, diễn ra nhanh, nhưng đòi hỏi mạch lực phức tạp hơn. Quá trình đảo chiều còn phụ thuộc vào việc lựa chọn phương pháp điều khiển, đó là phương pháp điều khiển chung hay riêng. Phương pháp điều khiển chung: Tại một thời điểm cả 2 BBĐ nhận được xung mở, nhưng chỉ có một BBĐ cấp dòng cho nghịch lưu, còn BBĐ kia làm việc ở chế độ chờ. Phương pháp này có các đặc tính cơ của hệ thống ở chế độ động và chế độ tĩnh rất tốt. Nhưng nó lại làm xuất hiện dòng cân bằng tiêu tán năng lượng vô ích và luôn tồn tại do đó cần phải có cuộn kháng san bằng để làm giảm dòng cân bằng. Với sơ đồ hình cầu 3 pha mắc song song ngược thì cần phải có 4 cuộn kháng san bằng. Phương pháp này điều khiển phức tạp. Phương pháp điều khiển riêng: Khi điều khiển riêng 2 BBĐ làm việc riêng rẽ nhau. Tại một thời điểm chỉ phát xung điều khiển vào 1 BBĐ còn bộ kia bị khoá do không có xung điều khiển. Phương pháp này, đặc tính đảo chiều của nó không tốt bằng phương pháp điều khiển chung, do có một khoảng thời gian trễ để dòng qua bộ van đang làm việc giảm về bằng 0 thì mới cho bộ van thứ hai mở. Tuy nhiên nó lại có ưu điểm hơn là làm việc an toàn vì không có dòng cân bằng chạy qua giữa các BBĐ và hệ thống điều khiển đỡ phức tạp hơn. 23 Từ hai phương pháp điều khiển trên, do đặc điểm và yêu cầu công nghệ của cơ cấu nâng hạ cầu trục, thấy rằng phương pháp đảo chiều quay động cơ nhờ đảo chiều dòng phần ứng bởi hai bộ chỉnh lưu cầu thyristor mắc song song ngược là phù hợp nhất nên em lựa chọn phương pháp này và sử dụng phương pháp điều khiển riêng để điều khiển các bộ chỉnh lưu Thyristor. 3.3. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực của hệ truyền động 3.3.1. Sơ đồ mạch lực Trên sơ đồ: ATM là áp tô mát nguồn, làm nhiệm vụ đóng cắt nguồn. BI là bộ biến dòng, cấp phản hồi âm dòng điện đưa tín hiệu đến khâu điều khiển dòng điện. BBĐ1, BBĐ2: là 2 bộ biến đổi (chỉnh lưu) thyristor mắc song song ngược (cầu kép 3 pha) cấp nguồn cho phần ứng động cơ Đ (Đ: là động cơ 1 chiều, kích từ độc lập, nâng hạ cầu trục). C - R: Là các tụ điện và điện trở, chức năng để bảo vệ cho các thyristor khỏi bị đánh thủng do quá gia tốc điện áp (du/dt) khi xảy ra quá độ trong mạch (như quá trình chuyển mạch) của các tiristor trong sơ đồ chỉnh lưu hoặc khi đóng cắt không tải của máy biến áp. Ngoài ra mạch R-C còn có tác dụng rẽ mạch dòng điện ngược đối với các thyristor. Để bảo vệ quá gia tốc dòng (di/dt) trong sơ đồ ta lợi dụng các cuộn cảm là cuộn kháng lọc san bằng và các cuộn dây thứ cấp máy biến áp động lực. FT: Là máy phát tốc chức năng để lấy tín hiệu phản hồi âm tốc độ. Tín hiệu điện áp trên mạch phần ứng của máy FT được lấy ra có trị số tỷ lệ với tốc độ động cơ sử dụng làm tín hiệu phản hồi âm tốc độ. AT: Là áptômát bảo vệ khởi động từ. 3.3.2. Nguyên lí làm việc của mạch động lực Hoạt động của các BBĐ: Khi điều khiển riêng 2 BBĐ làm việc riêng rẽ nhau. Tại một thời điểm chỉ phát xung điều khiển vào 1 BBĐ còn bộ kia bị khoá, do không có xung điều khiển. Phương pháp này, đặc tính đảo chiều của nó không tốt bằng phương pháp điều khiển chung, do có một khoảng thời gian trễ để dòng qua bộ van đang làm việc giảm về bằng 0 thì mới cho bộ van thứ hai mở. Tuy nhiên nó lại có ưu điểm hơn là làm việc an toàn vì không có dòng cân bằng chạy qua giữa các BBĐ và hệ thống điều khiển đỡ phức tạp hơn. Để khởi động, đóng AT cấp điện cho các BBĐ thyristor cấp nguồn cho phần ứng động cơ và bộ chỉnh lưu điốt cấp nguồn cho cuộn kích từ động cơ CKĐ. Ta đồng thời cấp xung điều khiển cho 1 BBĐ1 khi cầu trục làm việc ở chế độ nâng hoặc hạ hãm; khi BBĐ2 khi cầu trục làm việc ở chế độ hãm động lực. Động cơ Đ được cấp nguồn, quay kéo theo máy phát tốc (FT) quay đưa tín hiệu phản hồi âm tốc độ về mạch điều khiển để ổn định tốc độ. 24 ~ 3 pha A~ B~ C~ AT BI 1CC R R R 2CC T3 C C 2CC T5 C 2CC C R 2CC T7 C T10 C R T9 2CC C BBĐ2 T12 C R T11 BBĐ1 C R 2CC 2CC 2CC R 2CC 2CC R T1 C T2 C R 2CC T6 R 1CC C T4 R 1CC 2CC T8 3CC 3CC ĐC KT I L FT Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực truyền động điện cầu trục 25 Chương 4. Thiết kế mạch động lực 4.1. Tính chọn thyristor Các van trong mạch chỉnh lưu công suất thường phải làm việc với dòng điện, điện áp, công suất phát nhiệt lớn, vì vậy việc chọn van phải hợp lí và đảm bảo tin cậy. Việc tính chọn Tiristor sẽ được dựa vào các yếu tố cơ bản như: dòng điện trung bình, điều kiện tỏa nhiệt, điện áp áp ngược tối đa dặt lên van… Điện áp ngược lớn nhất: U ngv  kdtUU ng .max Mạch chỉnh lưu cầu: knv  6 là hệ số điện áp ngược của van U ng .max  knvU 2  6.220  538,9 V Do điện áp lưới không ổn định, mặc khác có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến lưới điên, hệ số dự trữ kdtU = 1,7÷2,2. Ta chọn kdtU = 2 U ngv  kdtUU ng .max  2.538,9  1077,8V Dòng điện làm việc của van: 1 I tbv  khd I dm  .31,5  10,5A 3 Trong đó: khd  1 là hệ số dòng điện hiệu dụng của chỉnh lưu cầu ba pha. 3 Hệ số dự trữ ki = 2,5. I dmV  ki Ilv  2.5.10,5  26, 25 A Chọn Thyristor: T10-40. Với các thông số cơ bản sau: - Itb = 40A - Dòng điện trung bình cho phép. Umax = 1,2 ÷ 1,4 kV – Điện áp cực đại cho phép đặt lên van (cả 2 chiều thuận và ngược). du/dt = 50-1000V/us – Tốc độ tăng điện áp thuận trên van. tph = 150-70us – Thời gian phục hồi tính chất khóa của van. di/dt = 40-200A/us – Tốc độ tăng dòng điện cực đại cho phép qua van. ΔU = 1,75V – Sụt áp thuận trên van (giá trị tương ứng dòng điện van = 1,5Itb). 26 Uđk = 4V – Điện áp xung điều khiển Iđk = 150mA – Dòng xung điều khiển - 4.2. Thiết kế cuộn kháng lọc 4.2.1. Xác định điện cảm cuộn kháng lọc Khi góc mở càng tăng thì biên độ thành phần sóng hài bậc cao càng lớn, hay đập mạch của điện áp, dòng điện tăng lên. Sự đập mạch này làm xấu chế độ chuyển mạch của vành góp, đồng thời gây tổn hao phụ dưới dạng nhiệt trong động cơ. Để hạn chế sự đập mạch này, ta mắc nối tiếp với động cơ 1 cuộn kháng lọc đủ lớn để đảm bảo hệ số đập mạch ra kđmr. Ngoài ra, cuộn kháng lọc còn có tác dụng hạn chế vùng dòng điện gián đoạn. Công thức xác định giá trị điện cảm: L Ru ksb2  1 mdm Với: ksb  kdmv - Hệ số san bằng kdmr mdm = 6 – Số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ lưới xoay chiều Công thức xác định hệ số san bằng: Hệ số san bằng là: ksb  kdmv kdmr Với: kdmv  * kdm - Hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu tại góc mở αmax cos  max * kdm  max   2 m 1  max  arc cos 2 dm 2 cos 2  max  mdm sin 2  max U d min - Góc mở lớn nhất Ud 0 kdmr - Hệ số đập mạch ra mong muốn 27 Tính toán giá trị điện cảm: min  dm / D  129,8 / 5  25,96  rad / s  k .Фdm  U dm  Rud .I ddm dm  440  31,5.0,534  3, 26 129,8  U Đmin  k .Фdm .min  Ru .I Đdm  3, 26.25,96  31,5.0,534  101, 45 V  U dmin  U Đmin  2.U van  U L  U Đmin  2.U van  5%U Đdm 101, 45  2.2, 4  0, 05.440  128, 25 V   max  arc cos * kdm  max   kdmv   U  U d min  128, 25  0  ar cos  d min   ar cos    75 Ud 0 2 ,34 U 2 ,34.2 2 0    2  2 m 1 2 dm 2 cos2  max  mdm sin 2  max  2 cos2 75  62.sin 2 75  0,332 6 1 2 * kdm 0,332   1, 28 cos  max cos 75 Ở chế độ điều chỉnh sâu nhất hay αmax, ta có dòng tải: Idα = Iddm / D = 31,5/5 = 6,3 A. Hệ số đập mạch ra mong muốn kđmr = 0,04. Dòng điện đập mạch đầu ra: Idmr = 0,04.31,5 = 1,26 A Hệ số đập mạch cần thiết khi lọc là: kdmr  Hệ số san bằng là: ksb  I dmr  0, 25 I d kdmv 1, 28   6, 4 kdmr 0, 2 Từ đó, ta xác định được điện cảm lọc cần có: L Ru ksb2  1 mdm  0,534 6, 42  1  17, 6mH , chọn L = 17,5mH 6.100. 4.2.2. Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc 1 - Các kích thước của lõi thép: a  2, 6 4 LI d2  2, 6 4 17,5.103.31,52  5,3cm . Chọn a = 7 cm. b = 1,2a = 1,2.7 = 8,4cm c = 0,8.a = 0,8.7 = 5,6cm 28 h = 3.a = 3.7 = 21 cm Tiết diện lõi thép: Sth = a.b = 7.8,4 = 58,8 cm2 Diện tích cửa sổ: Scs = h.c = 21.5,6 = 117,6 cm2 b H h a/2 c a a/2 Hình 4.1. Kích thước hình học lõi thép chữ E Độ dài trung bình đường sức: lth = 2(a + b + c) = 2(7 + 8,4 + 5,6) = 42 cm Độ dài trung bình dây quấn: ldq = 2(a + b) + cπ = 2(7 + 8,4) + 5,6π = 48,39 cm Thể tích lõi thép: Vth = 2ab(a + h +c) = 2.7.8,4(7 + 21 + 5,6) = 3951 cm3 2 - Tính điện trở dây quấn ở nhiệt độ 20˚C đảm bảo độ sụt áp cho phép: U dccp 1, 2 I ddm 31,5 r20    29,3.103  3 3 1  4, 26.10 Tmt  T  20C  1  4, 26.10 (40  50  20) ΔUdccp = 1,2V – Sụt áp cho phép Nhiệt độ tối đa trên cuộn dây: Tmax = Tmt + ΔT 29 3 - Số vòng dây cuộn cảm: w  414 r20 Scs 29,3.103.117, 6  414  110, 47  w  110 vòng ldq 48,39 4 - Mật độ từ trường: 100wI ddm 100.110.31,5   8250 A / m lth 42 H 5 - Tính cường độ từ cảm. Chỉnh lưu cầu 3 pha có 6 đập mạch trong 1 chu kì điện áp lưới nên tần số đập mạch là f dm  6. f  6.50  300Hz , nên: B U accp .104 4, 44w. f dm .Sth  6.104  7.103 T 4, 44.110.300.58,8 6 – Tính hệ số μ theo H và B. Vì B > 0,005T nên:  H    1000  0,75   542  .106  54.8, 250,75.106  111,34.106 (H/ m) 7 – Tính trị số điện cảm nhận được: Ltt   w 2 Sth 100.lth  111,34.106.1102.58,8  18,86mH 100.42 Trị số này lớn hơn giá trị yêu cầu nên chấp nhận được. 8 – Tiết diện dây quấn: s  0, 072 ldq Scs r20  0, 072 48,39.117, 6  19,56mm2 , ta chọn dây dẫn đồng có đường 29,3.103 kính thực dCu = 5,2mm, tiết diện của lõi đồng SCu = 21,24mm2. 9 – Xác định khe hở tối ưu: lkk  1,6.103 wI ddm  1,6.103.110.31,5  5,54mm Vì vậy miếng đệm sẽ có độ dày: ldem  0,5lkk  0,5.5,54  2,77mm 10 – Tính kích thước cuộn dây: 30 Chọn cuộn dây có độ dầy 5mm, nên độ cao sử dụng để cuốn dây sẽ là: hsd  h  2c  21  2.0,5  20cm Số vòng dây quấn 1 lớp: w' = hsd 20   13,3 ; như vậy 1 lớp quấn được 14 vòng hd 1,5 Tính số lớp dây: n  w 110   7,86 ; vậy cần quấn 8 lớp w ' 14 Nếu lấy khoảng cách giữa 2 lớp dây quấn (dành cho lớp cách điện) Δcđ là 1mm thì độ dày của cả cuộn dây sẽ là: Δcd = n(d + Δcđ) = 8(0,52 + 0,1) = 4,96 cm 11 – Độ dày cuộn dây Δcd nhỏ hơn kích thước cửa sổ c = 5,6 mm nên cuộn dây lọt trong cửa sổ. 12 – Kiểm tra chênh lệch nhiệt độ (xác định nhiệt độ tối đa của cuộn dây) Tổn thất trong dây quấn đồng: PCu  1, 02. dccp .I d 3 1  4, 26.10 (Tmt  20 C)  1, 02.1, 2.31,5  35,53W 1  4, 26.103 (40  20) Tổng diện tích bề mặt của cuộn dây: SCu = 2hsd(a + b + πΔcd) + 1,4Δcd(πΔcd + 2a) = = 2.20(7 + 8,4 + π.4,96) + 1,4.4,96(π.4,96 + 2.7) = 1444,7 cm2 Hệ số phát nhiệt α:   1, 03.103 6 5 5 w  1, 03.103. 6  0,82.103 hsd 20 C.cm2 Độ chênh lệch nhiệt độ: T  PCu 35,53   30C  SCu 0,82.103.1444, 7 Độ tăng nhiệt độ ΔT < 50, thỏa mãn mức cho phép. 31 4.3. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực 4.3.1. Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn Van bán dẫn chỉ được phép làm việc nhiệt độ cho phép Tcp, nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng, ta phải chọn và thiết kế hệ thống tản nhiệt. Tính toán cánh tản nhiệt: Tổn thất công suất trên 1 thyristor: P  U .I tb  2, 4. 31,5  25, 2W 3 Diện tích bề mặt tản nhiệt: Sm  P K m . Trong đó: Τ – độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường. Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 40˚C. Nhiệt độ cho phép làm việc của thyristor Tcp = 125˚C. chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv = 80˚C.   Tlv  Tmt  80  40  40C Km – Hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Chọn Km = 8W/m2˚C Sm  P 25, 2   0, 0788m2 K m . 8.40 4.3.2. Bảo vệ quá dòng điện cho van Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch thyristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu. Chọn aptomat: Chỉnh định dòng ngắn mạch: I nm  3I ddm  3.31,5  94,5 A Dòng quá tải: I qt  2,5I ddm  2,5.31,5  78,75 A 32 Cầu chì: tác động nhanh bảo vệ ngắn mạch các thyristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu. 4.3.3. Bảo vệ quá điện áp cho van Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt thyristor được thực hiện bằng cách mắc RC song song với thyristor. Khi có chuyển mạch, các điện tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong thời gian ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anot và katot của thyristor. Khi có mạch R-C mắc song song với thyristor, tạo mạch vòng phóng điện tích trong qua trình chuyển mạch nên thyristor không bị quá điện áp. R1 C1 Hình 4.2. Mạch R-C bảo vệ Thyristor Theo kinh nghiệm R1 = 5÷30Ω; C1 = 0,25÷4 μF. Chọn R1 = 5,1Ω; C1 = 0,25μF Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, ta mắc mạch R-C để đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. 33 Chương 5: Thiết kế mạch phát xung điều khiển 5.1. Khâu đồng bộ Theo sơ đồ cấu trúc, khâu này có 2 chức năng: - Đảm bảo quan hệ về góc pha cố định với điện áp của van lực nhằm xác định điểm gốc để tính góc điều khiển α, ta gọi là mạch đồng pha. Hình thành điện áp có dạng phù hợp làm xung nhịp cho hoạt động của khâu tạo điện áp tựa phía sau nó, ta goi là mạch xung nhịp. 5.1.1 Mạch đồng pha Trong bài này, phương pháp đồng pha được sử dụng là đồng pha bằng máy biến áp với cuộn sơ cấp đấu Δ, cuộn thứ cấp đấu Y (kiểu Δ/Y). Đồng pha bằng máy biến áp ngoài mục tiêu thỏa mãn chức năng đầu tiên đã nêu ở trên, nó còn cho phép ta đạt thêm 2 mục tiêu khác: - Chuyển đổi điện áp thường có giá trị cao (U = 380V) sang điện áp giá trị phù hợp với mạch điều khiển điện áp thấp (theo quy chuẩn an toàn là dưới 36V). Cách ly hoàn toàn về điện giữa mạch điều khiển và mạch lực. Điều này nhằm bảo đảm an toàn cho người sử dụng cũng như các linh kiện điều khiển. Việc sử dụng máy biến áp kiểu Δ/Y nhằm đạt được phạm vi điều khiển α = 0˚÷180˚; vì điện áp đồng bộ sẽ lấy trên điện áp dây, do đó điểm qua 0 của điện áp này vào đúng điểm cắt nhau của 2 điện áp pha, mà điểm này tương ứng với góc α = 0˚ của các van lực. 5.1.2. Mạch xung nhịp Mạch chỉnh lưu kiểu hai nửa chu kỳ có điểm giữa ( tia hai pha) dùng điôt D1, D2 và tải cho chỉnh lưu này là điện trở R0. Điện áp ngưỡng Ung lấy từ biến trở P1, điện áp đồng bộ sẽ tuân theo quan hệ sau Udb = A0( U+- U- ) = A0( Ucl - Ung) Do đó, nếu Ucl > Ung thì Udb dương và bằng điện áp bão hòa của OA Udb= +Ubh. Tương tự nếu Ucl < Ung thì Udb âm và Udb = -Ubh. Vì vậy điện áp đồng bộ có dạng xung hình 5.3b, theo đồ thị làm việc ta có: Điểm giao nhau của Ucl và Ung là điểm chuyển trang thái của điện áp ra, nếu chiếu lên điện áp lực ta thấy hai điểm này xác định giới hạn của góc điều khiển αmin và αmax do đó: - Thay đổi điện áp ngưỡng Ung làm thay đổi phạm vi điều chỉnh góc điều khiển. Điện áp lưới biến động cũng sẽ ảnh hưởng góc điều khiển. Có thể chuyển dạng xung ra với qui luật điện áp ra ngược dấu lại, nếu đổi chéo cách đấu tín hiệu cửa vào OA: Ucl vào cửa đảo (-) còn Ung vào cửa không đảo (+). 34 D1 Ucl R1 Udb BADP OA1 Udp +E R0 R4 P1 Uluc Ung D2 a. Sơ đồ nguyên lý b. Đồ thị điện áp mạch tạo xung nhịp Hình 5.3. Sơ đồ mạch tạo xung đồng bộ 5.2. Mạch tạo xung răng cưa Dz C Udp D3 R2 Urc R3 E OA2 a. Sơ đồ nguyên lý b. Đồ thị điện áp Hình 5.4. Sơ đồ mạch tạo xung răng cưa hai nửa chu kỳ bằng OA Phần tạo răng cưa trên OA2, OA1 tạo được các giai đoạn phục hồi cho tụ điện. Cửa không đảo (+) nhận điện áp đồng pha đã được chỉnh lưu nhờ D1, D2; còn nửa âm (-) đặt điện áp ngưỡng so sánh với nửa dương (+) lấy từ bộ phân áp điều chỉnh R5, P1. Do đó điện áp đầu ra của OA1 có dạng xung chữ nhật, trong đó phần –Ubh tương ứng giai đoạn tụ C nạp điện phục hồi, còn giai đoạn +Ubh là giai đoạn tạo răng cưa làm việc. Bằng cách điều chỉnh P1 ta thay đổi ngưỡng này làm thay đổi được quan hệ giữa thời gian tạo răng cưa trc (tương ứng thời gian phóng của tụ tp) và thời gian hồi phục tn theo yêu cầu, thực 35 chất là thay đổi phạm vi điều chỉnh góc điều khiển (αmin ÷ αmax ). Nếu xung răng cưa âm ta phải thêm điện áp để Urc >0. 5.3. Khâu so sánh Khâu này có chức năng so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa (dạng răng cưa hoặc hình sin) để định thời điểm phát xung điều khiển, thông thường đó là thời điểm khi hai điện áp này bằng nhau. Nói cách khác, đây là khâu xác định góc điều khiển α. Khâu so sánh sử dụng các OA, vì cho phép đảm bảo độ chính xác cao, nhất là khi dùng OA chuyên dụng loại comparator, có giá thành hạ, không cần chỉnh định phức tạp.  So sánh dùng khuếch đại thuật toán có các đặc điểm: - Tổng trở vào của OA rất lớn nên không gây ảnh hưởng đến các điện áp đưa vào so sánh nó có thể tách biệt hoàn toàn chúng để không tác động sang nhau. - Tầng vào của OA cũng là loại khuếch đại vi sai, mặt khác số tầng nhiều nên hệ số khuếch đai rất lớn ( có thể lên đến một triệu ). Vì thế độ chính xác so sánh rất cao, độ trễ không quá vài micro giây. Sườn xung dốc đứng nếu so với tần số 50Hz  So sánh kiểu hai cửa: Trong kiểu này hai điện áp cần so sánh được đưa tới hai cực khác nhau của OA (Hình 5.5). Urc Uđk R5 R6 Uss a. Sơ đồ nguyên lý b. Đồ thị điện áp Hình 5.5. Sơ đồ So sánh hai cửa dùng khuếch đại thuật toán Điện áp ra sẽ tuân theo qui luật: ura = K0 u = K0(u+-u-), K0 là hệ số khuếch đại của OA Tùy thuốc vào điện áp tựa và điều khiển đưa vào cửa nào mà điện áp ra xuất hiện sườn xung âm hoặc dương ở thời điểm cân bằng giá trị giữa chúng. Nếu điện áp điều khiển đưa vào cửa (+), còn điện áp tựa đưa vào cửa (-) có nghĩa là + u  uđk và u-  urc như hình 5.5a. thì điện áp ra là: 36 Ura= K0(u+ - u- ) = K0(uđk – urc) Do đó khi uđk > urc thì ura = +Ubh; khi uđk < urc thì ngược lại ura = - Ubh Khi Uđk tăng thì α sẽ giảm đi suy ra Ud = Ud0cosα sẽ tăng dẫn tới UĐ tăng. Từ đó tốc độ điều chỉnh của động cơ sẽ tăng. Khi Uđk = 0 thì UĐ = 0 do đó α = 90 , tuy nhiên với α=90 thì UĐ = 0 nhưng Uđk lại khác 0. Do vậy để khắc phục tình trạng này ta sẽ cho thêm vào mạch so sánh điện áp U0 = ½ Urc để kéo Uđk lên. 5.4. Khâu tạo xung chùm Xung chùm thực chất là một chùm các xung có tần số cao gấp nhiều lần lưới điện (fxc = 6 ÷ 12 kHz ). Độ rộng của một chùm xung có thể được hạn chế trong khoảng (100 ÷ 130 ) độ điện, về nguyên tắc nó phải kết thúc khi điện áp trên van lực mà nó điều khiển đổi dấu sang âm. Nguyên tắc tạo xung chùm thường dùng là coi tín hiệu do bộ so sánh đưa ra như một tín hiệu cho phép hay cấm khâu khuếch đại xung được nhận xung tần số cao phát từ một bộ tạo dạo động xung tới nó. R7 Udd C2 R9 R8 a. Sơ đồ nguyên lý b. Đồ thị điện áp Hình 5.6. Sơ đồ mạch tạo xung chùm dùng khuếch đại thuật toán OA được sử dụng như bộ so sánh hai cửa. Tụ C liên tục được phóng - nạp làm cho OA đảo trạng thái mỗi lần điện áp trên tụ đạt trị số của bộ chia điện áp R1, R2. Chu kỳ dao động : T= 2RC.ln(1+ 2R1R2). 5.5. Khâu tách xung Trong nhiều mạch điều khiển chỉnh lưu, điện áp tựa được tạo ra trong cả hai nửa chu kỳ bằng một cách duy nhất. 37 Lúc này khâu so sánh sẽ xác định góc điều khiển cho cả hai van thuộc cùng một pha của mạch lực một van làm việc ở nửa chu kỳ dương, một van ở nửa chu kỳ âm của lưới điện xoay chiều. Như vậy sau khâu tạo dụng xung ta nhận được hai xung điều khiển và do đó trong một chu kỳ điện áp xoay chiều mỗi van sẽ nhận hai xung điều khiển ở cả hai nửa chu kỳ này. Tuy nhiên việc phát xung điều khiển cho van khi điện áp trên van âm là có thể được, nhưng không mong muốn. Để tránh điều này cần có thêm một khâu tách xung (còn gọi là phân phối xung), lúc đó van lực nhận xung điều khiển chỉ ở giai đoạn khi điện áp trên nó là dương uAK > 0. Khâu tách xung dùng OA để phân biệt chính xác hai nửa chu kỳ điện áp lưới khi nó qua điểm không. Mạch tách xung bằng OA (hình 5.7) có độ chính xác cao và đảm bảo tính năng tách xung cho toàn bộ một nửa chu kỳ. Tạo dạng xung UDX AND Ulực Hình 5.7. Mạch tách xung dùng OA kết hợp với IC logic 5.6. Khâu trộn xung và khuếch đại xung Mạch điều khiển chỉnh lưu thường làm việc trong điều kiện nhiễu mạnh do bản thân mạch lực của nó gây ra. Các nhiễu này có thể truyền theo đường dây nguồn tới đầu vào của MĐK và lan đến tận khâu khuếch đại xung (KĐX). Nếu KĐX có hệ số khuếch đại lớn, đặc biệt nếu dùng mạch khuếch đại có phản hồi dương sẽ rất dẽ gây ra hiện tượng khuếch đại giả làm mở van không đúng thời điểm. Vì vậy, nói chung không nên dùng các mạch KĐX vơi phản hồi dương mạch. Thực tế thường dùng mạch có hệ số khuếch đại không lớn để đảm bảo chống nhiễu tốt. KĐX có nhiệm vụ tăng công suất xung do khâu tạo dạng xung DX hình thành đến mức đủ mạnh để mở van lực. Khuếch đại xung ghép bằng biến áp xung, xung điều khiển dạng xung chùm. 38 +E R13 D7 BAX C5 D6 + R16 T2 R11 T3 Udx D5 R12 Hình 5.8. Sơ đồ Khuếch đại xung ghép biến áp xung dạng xung chùm 39 5.7. Tổng hợp mạch tạo xung điều khiển Uluc Udp D9 C + - Ung R1 +Vcc Ucl - -Vcc OA1 + R18 D10 R18 +Vcc -Vcc + OA1 - R4 P1 D10 +E Udb D3 +E Uiđ R3 R2 Uiph R10 B A C +Vcc Dz - C -Vcc + OA1 Dz +Vcc OA1 + -Vcc D D Urc C R6 R5 R8 R7 + R9 + C5 C4 C5 C4 D5 +E R11 +E R11 D5 R13 D6 T2 R12 R13 D6 T2 R12 T3 T3 BAX BAX R16 D7 D7 R16 + - + - 40 Rtx D8 R0 + - AND AND D1 D2 D9 R10 BADP Uwđ Uwph Rtx D8 OA4 OA4 Hình 5.9. Sơ đồ mạch tạo xung điều khiển chỉnh lưu hai nửa chu kì có khâu tách xung Hình 5.10. Giản đồ xung điều khiển 41 5.7.1. Tính toán khâu đồng pha Ucl D1 R1 Udb BADP OA1 Udp +E R0 R4 P1 Uluc Ung D2 Hình 5.11. Sơ đồ nguyên lí mạch tạo xung đồng bộ Tính toán khâu đồng bộ hai nửa chu kỳ để đảm bảo αmin = 250 , αmax = 780, Uđp = 10V, f=50Hz, E = ± 12V. Nhóm chỉnh lưu tia hai pha với hai điốt D1, D2 có điện áp vào là điện áp đồng pha với trị số hiệu dụng 10V, nên điện áp ngược lớn nhất lên van: Ung max = 2 2 Udp = 2 2 10 = 28,28 V Chọn điốt D1, D2 loại 1N4002 với tham số Itb =1 A, Ungmax =100V, điện trở tải cho chỉnh lưu chọn R0 = 1k Mạch so sánh tạo xung đồng bộ. Chọn OA loại TL081. Chọn điện trở R1= 15k Vì αmin = 250 nên ta có : Ung = 2 Uđp sinαmin = 2 .10. sin250 = 6 V Do sụt áp trên điốt chỉnh lưu thì ngưỡng phải giảm đi cỡ 0,5V. Nên Ung = 5,5V Do dòng qua phân áp ( R4 +P1) là 1 mA, vậy tổng trở của cả bộ phân áp R∑ = E 12 = 3 = 12.103 = 12 k . i 10 Nên ta chọn: điện trở R4 = 10k Biến trở P1= 2k ( cho phép điều chỉnh ngưỡng từ 0 đến 2 V ) 5.7.2. Tính toán khâu tạo điện áp răng cưa Dz C Udp D3 R2 Urc R3 OA2 E Hình 5.12. Sơ đồ nguyên lí mạch tạo xung răng cưa hai nửa chu kỳ bằng OA. 42 Tính toán khâu tạo xung răng cưa hai nửa chu kỳ , biết Urcmax = 10V, E= ± 12V, điện áp đồng pha Udp = 10V, tần số f=50Hz. Phạm vi điều chỉnh góc điều khiển khoảng: 1800- 2.αmin = 1800 – 2.250 = 1300 Chọn OA loại TL081 chứa OA trong một vỏ IC. Thời gian tụ C phóng chính là khoảng thời gian tương ứng phạm vi điều chỉnh góc điều khiển α , nên 1300 quy đổi sang thời gian là: tp = 1300.10ms = 7,22 ms 1800 Chọn điốt ổn áp BZX79 với điện áp UDz = 10V Chọn tụ C= 220nF E.t p 12.7, 22.103 Tính R3: R3 = = = 39,4 kΩ, Chọn một điện trở 33 k nối tiếp 10.0, 22.106 U Dz .C biến trở 20 k vào vị trí R3 Tính điện trở R2 : Ta có thời gian để tụ C nạp điện là : tn = T - tp = 10ms – 7,22ms = 2,78ms 2 Điện áp bão hòa của OA là: Ubh = E – 1,5 = 12-1,5= 10,5 V. Vậy R2 ≤ U bh  0, 7 10,5  0, 7  = 9 kΩ, ta chọn R2 = 8,6kΩ C.U Dz E 0, 22.106.10 12   tn R3 2, 78.103 39, 4.103 5.7.3. Tính toán khâu so sánh Urc R5 OA3 Uđk R6 Uss Hình 5.13. Sơ đồ nguyên lí so sánh hai cửa dùng khuếch đại thuật toán Chọn OA là loại TL084 Chọn R5 = R6 > Uv 12 = = 6kΩ Iv 2.103 Vì Vcc = ± 12V nên điện áp vào OA là Uv = 12V Dòng điện vào được hạn ché để Ilv cs  I cp 1,5 Công suất điện trở này thường khoảng (2÷4)w do dòng qua nó lớn và thường xuyên đạt giá trị là lớn nhất tương ứng góc điều khiển nhỏ nhất. Kiểm tra độ sụt áp trên điện trở này khi bóng dẫn dòng: UR13 = I1.R13 = 0,067.18 = 1,2 V 45 U1 = Ecs – UR13 = 24-1,2 = 22,8V và lớn hơn 12V nên đạt yêu cầu. Tuy nhiên để tăng mạch xung kích cho van vẫn có thể dùng thêm tụ C tăng cường áp được tính như sau: Tần số xung chùm 10kHz tương ứng chu kỳ một xung là: Txc = 1 1   100 s f xc 10.103 Cho rằng xung đối xứng thì khoảng nghỉ bằng khoảng có xung, có nghĩa khoảng cách giữa xung là: tx = tn = 0,5Txc = 50 µs. Vậy: C< tn 50.106   0,93.106  0,93 F , chọn C5 = 1μF. 3R12 3.18 Bóng T2 chọn loại BC107 có Uce =45V; Icmax = 0,1A; min = 110. Vậy điện trở đầu vào có trị số: R11 ≤ 40.110.24  73,3k  chọn R11 = 68kΩ 1, 2.1, 2 5.8. Nguồn nuôi mạch điều khiển Nguồn nuôi tạo điện áp ±15 (V) để cấp nguồn nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Ta dùng mạch chỉnh lưu cầu ba pha dùng điốt, điện áp thứ cấp cuộn dây a1, b1, c1 của máy biến áp là: U2  12  5,1V , ta chọn 9V. 2,34 Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi, ta dùng 2 vi mạch ổn áp IC7815 và IC7915 có các thông số chung như sau: Điện áp đầu vào: Uv = 7÷35V. Điện áp đầu ra: Ura = 12V với IC7815; Ura = -12V với IC7912. Dòng điện đầu ra: Ira = 0÷1 A. Tụ điện C4, C5 dùng để lọc sóng hài bậc cao. Chọn C4 = C5 = C6 = C7 = 470μF; U = 35V 46 +12V 7812 * a * b * c 470μF 470μF C6 C4 A B C ~220V *a 470μF *b 470μF C7 C5 *c 7912 Hình 5.16. Sơ đồ tạo nguồn nuôi ±12V 47 -12V Chương 6. Tổng hợp bộ điều khiển tự động và mô phỏng truyền động điện cơ cấu nâng hạ 6.1. Mô hình toán học động cơ 1 chiều 6.1.1. Chế độ xác lập Động cơ được sử dụng là động cơ 1 chiều kích từ song song có sơ nguyên lý: + I Ikt Iư ĐC Uư KT ω Hình 6.1. Sơ đồ nguyên lý động cơ 1 chiều kích từ song song Trong chế độ xác lập, dòng điện kích từ Ikt đi qua cuộn kích từ tạo ra từ thông kích thích Φ trong động cơ. Phần ứng được đặt vào nguồn cung cấp 1 chiều có điện áp Uư và dòng điện Iư chạy trong dây quấn phần ứng. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo ra momen quay làm quay trục động cơ. Giá trị mô men điện từ sinh ra: M  K Iu , với KM – là hằng số của động cơ Khi phần ứng quay, dây quấn phần ứng quét qua từ thông kích từ làm xuất hiện trong hiện suất điện động cảm ứng: Ed  K  . Phương trình cân bằng điện áp phần ứng động cơ: Uu  Ed  Rud Iu  K  Rud Iu Từ đó ta có phương trình đặc tính điện:  U u  Rud I u KM  48 6.1.2. Chế độ quá độ Điện áp phần ứng: U u  Ru I u  Ed  Lu dI u (1) dt Viết dưới dạng toán tử Laplace: Uu(p) = RuIu(p) + Ed + LupIu(p) = (Ru + Lup)Iu(p) + Ed(p) 1 1 U u (p)  E d (p) Ru Ru 1 ,    I u (p) Ru  Lu p 1  Lu p 1   u p Ru Trong đó: Td = Lu - là hằng số thời gian phần ứng Ru Với: - Lu - điện cảm mạch phần ứng Lu  Lud  Ld  30,1  18,86  48,87 mH Lud – điện cảm phần ứng động cơ, Lud  0,56 - U Ddm 60.U Ddm 60.440  0,56  0,56  30,1mH I dm . p.dm I dm . p.2 n dm 31,5.2.2 .1240 Ld – điện cảm cuộn kháng lọc, Ld = 18,86 mH Ru – điện trở mạch phần ứng Ru  Rud  Rd  0,534  0,0293  0,5633  Rud – điện trở phần ứng động cơ, Rud = 0,534 Ω Rd – điện trở cuộn kháng lọc, Rd = 0,0293 Ω - Tu  Lu 30,1.103   0, 053s - hằng số thời gian mạch phần ứng. Ru 0,5794 Momen quay sinh ra trên trục động cơ: MM = KMΦIu. Phương trình động lực học trên trục động cơ: M M  M t  J .  J d (2), với γ – là gia tốc góc của trục động cơ dt Viết dưới dạng toán tử Laplace: 49 M M  M t  Jp    M M  Mt Jp Trong đó: J - momen quán tính của hệ thống. J  J dc  J cc  0, 425  0,1  0,525 kgm2 K  U Ddm  I dm .Rud dm  440  31,5.0,5633  3, 253 129, 8 Từ các phương trình động học trên, ta có được mô hình toán học của động cơ 1 chiều: -MC Uu + Iư KΦ ω M+ -Eu KΦ Hình 6.2. Mô hình động toán học động cơ 1 chiều 6.2. Mô hình phản hồi dòng điện Phương án phản hồi dòng điện được được sử dụng ở đây là đo dòng xoay chiều 3 pha như trong hình 5.3. Ba biến dòng lắp ở 3 pha với điện trở R0 mắc song song mỗi biến dòng. Điện áp thứ cấp biến dòng qua mạch chỉnh lưu cầu điốt 3 pha, mạch lọc RC thành phần chỉnh lưu. Điện trở RI nối tiếp điốt D0 phục vụ cho việc đo tín hiệu dòng điện. R RI U2I Ia Ib R0 Ic R0 R0 D0 Hình 6.3. Mạch đo dòng xoay chiều 3 pha 50 U20 Điện áp đầu ra chỉnh lưu: U2d = RIId, trong đó I d  3 2  I2 Với PI là tỉ số biến dòng, chọn PI = 100/5 = 20 ta có hàm truyền cơ cấu đo dòng điện: GI  p   U2I  p  KI  I I  p  1  p I Trong đó: KI = 10 10 = = 0,127 – hệ số tỷ lệ 2,5I đm 2,5.31,5 τI = RC – hằng số thời gian bộ lọc Chọn τI = 0,0005 s, ta có hàm truyền khâu phản hồi dòng điện: Ki 0,127 = Ti p  1 0, 0005 p  1 6.3. Mô hình bộ phản hồi tốc độ Đo tốc độ sử dụng máy phát tốc 1 chiều (hình 6.4) là phương pháp phản hồi tốc độ được ta sử dụng trong bài này. Máy phát tốc 1 chiều là một thiết bị nối đồng trục với động cơ, tạo ra điện áp 1 chiều. Điện áp 1 chiều đó được dùng làm tín hiệu phản hồi âm tốc độ. R ω ĐC C Rt Uω Hình 6.4. Mạch nguyên lý phản hồi tốc độ bằng máy phát tốc 1 chiều Khi từ thông máy phát tốc không đổi, ta có điện áp đầu ra máy phát tốc: U  K .  Ru _ pt I pt  U cl Nếu chọn điện trở đủ lớn, ta có: U  K . Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền máy phát tốc: 51 U  p  K    p 1 p G  p   Trong đó: Kω – hệ số tỷ lệ Ipt – dòng tải của máy phát Ru_pt – điện trở phần ứng máy phát τω – hằng số thời gian bộ lọc. Chọn máy phát tốc với các thông số sau: Bảng 6.1. Thông số của máy phát tốc loại Tπ-4: Mã hiệu Pđm(W) nH(v/p) UH(V) IH(A) RH(Ω) Tπ-4 70 1000 15 5 100 Ta có hệ số khuếch đại phản hồi âm tốc độ được tính như sau: K  U dm   60.U dm 15.60   0,143 2 n 1000.2 Chọn Tω = 0,001 s, ta có hàm truyền khâu phản hồi tốc độ K 0, 039  T p  1 0, 001 p  1 6.4. Mô hình bộ biến đổi điện áp Điện áp trung bình của đầu ra chỉnh lưu Thyristor loại p xung: ud  U 2m   sin   cos    m p Trong đó: m = 6 - độ đập mạch điện áp chỉnh lưu đầu ra cho chỉnh lưu ba pha. U 2m = 380V - giá trị định của điện áp dây đặt vào mạch chỉnh lưu Mối quan hệ giữa góc mở α của Thyristor với điện áp điều khiển, khi điện áp tựa có dạng sườn răng cưa đi lên: 52   udk , Ucm = 10V – giá trị đỉnh của điện áp tựa xung răng cưa U cm Ta có mối quan hệ giữa điện áp đầu ra Thyristor và điện áp điều khiển Thyristor là: Kr  ud m    u   U 2m sin   sin   dk  udk U cm  m   U cm  Hệ số Kr thay đổi phụ thuộc vào điện áp điều khiển udk và được xác định cho từng điểm làm việc cụ thể. Mặc dù vậy, với mục đích thiết kế bộ điều chỉnh (hệ thống chỉnh lưu phải hoạt động ổn định trong toàn dải điều chỉnh), ta sẽ sử dụng giá trị lớn nhất của Kr được định nghĩa là Krm được xác định như sau: K rm  U 2m m   sin    114 U cm m Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và điện áp điều khiển được thể hiện: GBBD  p   T p ud  p   K rme 2 m  udk  p  K rm K BBD 114    T  1  p BBD 1  1, 67.103 p 1 p    2m  Trong đó: T = 0,02s là chu kỳ điện áp lưới.  BBD  1,67.103 - hằng số thời gian bộ biến đổi điện áp 6.5. Tổng hợp hệ điều khiển vòng kín Ta có cấu trúc hệ điều khiển truyền động điện của động cơ một chiều như sau: 53 KΦ Mô hình động cơ Uω * + eω Uω UI * + Rω ei RI UI Bộ hạn chế dòng điện đặt Bộ điều khiển tốc độ Udk U+ GBBD Bộ điều khiển dòng điện Eư - Iư KΦ ω M + - Bộ biến đổi điện áp Mc Gi Bộ phản hồi dòng điện Gω Bộ phản hồi tốc độ Hình 5.5. Sơ đồ khối chức năng hệ thống điều khiển động cơ một chiều 6.5.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện UI * + eI Udk RI UI Bộ điều khiển dòng điện U+ GBBD Eu - Iu Bộ biến đổi điện áp Gi Bộ phản hồi dòng điện Hình 5.6. Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện UI * + eI UI RI SI Hình 5.7. Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện đơn giản Hệ thống truyền động điện có hằng số cơ học lớn hơn nhiều lần hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng. Vì vậy, ta có thể coi sức điện động của động cơ không ảnh 54 hưởng đến quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện (tức là coi ΔEd = 0 hay Ed = KMΦω = const). Hàm truyền của mạch dòng điện phần ứng: S I  RI  p  .G BBD  p  . 1/ Ru K BBD .K I / Ru .Gi  p    u p 1 1   BBD p 1   u p 1   I p  Các hằng số thời gian τBBD, τI rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ τu, đặt τSI = τBBD + τI =0,00167 + 0,0005 = 0,00217 s ⟹ SI  K BBD .K I / Ru , trong đó: τSI [...]... từ Đảo chiều quay động cơ nhờ đảo chiều dòng phần ứng Tuy nhiên sử dụng phương pháp đảo chiều dòng kích từ có nhiều hạn chế, do cuộn cảm có hệ số tự cảm lớn (quán tính từ lớn) nên làm tăng thời gian đảo chiều, không thoả mãn cho truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục Vì vậy ta chỉ xét quá trình đảo chiều động cơ bằng đảo chiều dòng phần ứng Với hệ truyền động T-Đ để đảo chiều dòng phần ứng động cơ có hai... Từ thông hữu ích của một cực: Φ = 57mWb Dòng kích từ định mức: ikt = 4,3A Momen quán tính: J = 0,425 kgm2 16 Chương 3 Lựa chọn phương pháp truyền động 3.1 Lựa chọn phương pháp chỉnh lưu Nguồn điện cấp cho cơ cấu nâng hạ là điện áp lưới: U1 = 220V xoay chiều Theo phương pháp truyền động T-Đ, để cung cấp nguồn 1 chiều cho phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập, ta phải sử dụng một mạch chỉnh lưu để... thể cung cấp cho phần ứng động cơ điện một chiều kích từ song song, đảm bảo phù hợp yêu cầu công nghệ cơ cấu nâng hạ cầu trục, nên ta chọn sử dụng mạch chỉnh lưu dùng sơ đồ cầu 3 pha điều khiển đối xứng là hợp lý hơn cả 21 3.2 Lựa chọn phương án đảo chiều Quá trình đảo chiều chuyển động bàn máy cũng có rất nhiều phương pháp, nhưng chung quy có 2 phương pháp: - Đảo chiều quay động cơ nhờ đảo chiều dòng... quán tính cơ điện của các khí cụ lớn nên tần số đảo chiều không cao, không phù hợp cho truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục 22 3.2.2 Đảo chiều dòng điện phần ứng bởi hai bộ chỉnh lưu cầu triristor mắc song song ngược Sơ đồ truyền động: ~ 3 pha BBĐ1 BBĐ2 BBĐ3 CKĐ Đ ~ 3 pha Hình 3.6 Sơ đồ truyền động đảo chiều động cơ bằng chỉnh lưu Cuộn dây kích từ CKĐ được cấp nguồn bởi CL3 với dòng điện có chiều không...Chương 2 Tính chọn động cơ 2.1 Thông số cơ cấu nâng hạ Hình 2.1 Sơ đồ động học của cơ cấu nâng - hạ dùng móc 1 Trục vít; 2 Bánh vít; 3 Bánh răng; 4 Tang nâng; 5 Puli; 6 Móc; 7 Động cơ điện Chiều cao nâng: 10 [m] Tốc độ nâng hạ (v): v= 0,1÷0,5 [m/s], phạm vi điều khiển tốc độ D = 0,5/0,1 = 5 Trọng lượng tải (G): 2000 [kg] Trọng lượng móc câu (G0): 50 kg 11 Bán kính puli (Rt): 0,25 [m] Tỉ số truyền (i): 50... dòng điện một chiều có chiều không đổi ở phía đầu ra, trước khi đưa vào phần ứng động cơ, người ta bố trí các tiếp điểm công tắc tơ T và N sao cho khi điều khiển các công tắc tơ này đóng tiếp điểm thì đảo được chiều dòng điện phần ứng, dẫn đến đảo được chiều quay động cơ Phương pháp này chỉ sử dụng cho các truyền động công suất nhỏ vì dòng hồ quang phát ra giữa các tiếp điểm lớn Mặt khác do quán tính cơ. .. Hệ số tiếp điện: TĐth% = tlv = 44,44 (%) tck Ta có các hệ số tiếp điện chuẩn TĐtc% (15%, 25%, 40%, 60%) Trong bài này, ta sử dụng động cơ có hệ số tiếp điện là 40% Vậy, momen tính toán động cơ: Mtt = M tb 44, 44 TDth % = 72, 4 = 76,3 (N.m) 40 TDtc % Tốc độ động cơ: n = 60uvi 60.1.0,5.50 = = 955 (vòng/phút) 2 Rt 2 0, 25 Động cơ được chọn phải có Mđm > Mtt, Pđm > Ptt 15 Sau khi tra danh sách động cơ, ... đường đặc tính quan hệ giữa hệ số mang tải và hiệu suất (hình 2.2), ta có hệ số bộ truyền không tải η0 = 0,25 12 2.2 Phụ tải tĩnh cơ cấu nâng hạ 2.2.1 Phụ tải tĩnh khi nâng Momen động cơ khi nâng vật: (G  Gn ) Rt (2000  50)9,81.0, 25 = = 118,3 (N.m) uic 1.0,85.50 Mn = Công suất động cơ cần thiết để nâng vật: Pnc  (G0  G )v (2000  50)9,81.0,5 = = 11,8 (kW) 1000c 1000.0,85 Khi nâng không tải: M... giữa các BBĐ và hệ thống điều khiển đỡ phức tạp hơn Để khởi động, đóng AT cấp điện cho các BBĐ thyristor cấp nguồn cho phần ứng động cơ và bộ chỉnh lưu điốt cấp nguồn cho cuộn kích từ động cơ CKĐ Ta đồng thời cấp xung điều khiển cho 1 BBĐ1 khi cầu trục làm việc ở chế độ nâng hoặc hạ hãm; khi BBĐ2 khi cầu trục làm việc ở chế độ hãm động lực Động cơ Đ được cấp nguồn, quay kéo theo máy phát tốc (FT) quay... chỉnh lưu để biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều U1 thành năng lượng dòng điện 1 chiều Thực tế có rất nhiều phương án có thể sử dụng được, tuy nhiên để có một mạch chỉnh lưu phù hợp với yêu cầu thiết kế ta cần xét một cách tổng quan về các sơ đồ chỉnh lưu Với yêu cầu thay đổi được điện áp đặt vào phần ứng động cơ thì các bộ chỉnh lưu điốt không thể làm thay đổi điện áp ra nên ta chỉ xét các mạch ... suất, mức độ tự động hóa cao, vận hành an toàn hiệu quả… Trong trình làm đồ án chuyên ngành em giao đề tài: Thiết kế hệ truyền động cho cho cấu nâng cần trục sử dụng động điện chiều Em xin cảm... thời gian đảo chiều, không thoả mãn cho truyền động cấu nâng hạ cầu trục Vì ta xét trình đảo chiều động đảo chiều dòng phần ứng Với hệ truyền động T-Đ để đảo chiều dòng phần ứng động có hai cách... pháp truyền động 3.1 Lựa chọn phương pháp chỉnh lưu Nguồn điện cấp cho cấu nâng hạ điện áp lưới: U1 = 220V xoay chiều Theo phương pháp truyền động T-Đ, để cung cấp nguồn chiều cho phần ứng động chiều