THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

Chúng được điều khiển theo những nguyên tắc khác nhau và có những ưu, nhược điểm khác nhau; khi kết hợp những hệ thống này với động cơ điện một chiều ta có được những hệ thống truyền độn

THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

2 1 GIỚI THIỆU CHUNG

I- Khái niệm chung

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các máy sản suất ngày càng đa dạng và có nhiều chức năng dẫn tới hệ thống trang bị điện ngày càng phức tạp và đòi hỏi độ chính xác, tin cậy cao

Do bộ biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có thể sử dụng nhiều thiết bị như hệ thống máy phát, khuyếch đại từ, hệ thống van Chúng được điều khiển theo những nguyên tắc khác nhau và có những ưu, nhược điểm khác nhau; khi kết hợp những hệ thống này với động cơ điện một chiều ta có được những hệ thống truyền động có chất lượng khác nhau Do đó để có được một phương án truyền động phù hợp với từng loại công nghệ đòi hỏi nhà thiết kế phải

có sự so sánh logic dựa trên những chỉ tiêu về kỹ thuật và kinh tế

II- Nội dung chọn phương án

Trong thực tế, khi đứng trước một vấn đề sẽ có nhiều phương án giải quyết Tuy nhiên mỗi phương án có những ưu, nhược điểm riêng và nhiệm vụ của nhà thiết kế là phải chọn ra được phương án tốt nhất

Đối với các hệ thống truyền động đơn giản không có những yêu cầu cao thì chỉ cần dùng các động cơ xoay chiều với hệ thống điều khiển đơn giản Còn các hệthống truyền động phức tạp có yêu cầu cao về chất lượng như điều chỉnh trơn, dải điều chỉnh rộng, đảo chều thì phải dùng động cơ một chiều, các hệ thống điều khiển đi với nó phải đảm bảo được các yêu cầu và có khả năng tự động hoá cao

Như vậy, để chọn được hệ thống truyền động phù hợp chúng ta phải dựa vàocông nghệ của máy từ đó đưa ra những phương án đáp ứng được yêu cầu công nghệ này Để chọn được phương án tốt nhất trong các phương án đưa ra cần so sánh chúng về kỹ thuật và kinh tế Đối với truyền động động cơ điện một chiều thì

bộ biến đổi là phần tử rất quan trọng, nó quyết định đến chất lượng của hệ thống

Do đó việc chọn lựa phương án của ta là chọn bộ biến đổi thông qua việc xét ở hệ thống ( bộ biến đổi - động cơ ).

III- Ý nghĩa của việc lựa chọn phương án

Việc so sánh lựa chọn được phương án hợp lý nhất có một ý nghĩa đặc biệt quan trọng, nó được thể hiện qua các mặt:

+ Đảm bảo được yêu cầu công nghệ của máy sản suất

+ Đảm bảo làm việc tin cậy, lâu dài

+ Giảm giá thành sản phẩm và tăng năg suất lao động

+ Khi sải ra hỏng hóc có thể sửa chữa, thay thế dễ dàng với các linh kiện , thiết

A B C

MY

FT CKF

+ Hệ thống máy điện khuyếch đại - động cơ

+ FT :là máy phát tốc , có nhiệm vụ khâu phản hồi âm tốc độ

+ CKĐ, CKF: là cuộn kích từ của động cơ và máy điện khuyếch đại

+ KĐ: là khâu khuyếch đại, thực hiện nhiệm vụ khuyêch đai tín hiệu điều khiển

cơ quay

Do đặc điểm của MY là có cuộn dọc, cuộn ngang ; cuộn ngang được nối ngắn mạch nên có dòng điện lớn và sinh ra từ thông lớn Do vậy hệ thống có hệ số khuyếch đại rất lớn

- Nếu trong quá trình làm việc vì một nguyên nhân nào đó mà làm cho tốc

độ đông cơ giảm, qua biểu thức Uđk =Uđ - n ta thấy khi n giảm thì Uđk tăng qua mạch khuyếch đại ICKF tăng và Ud tăng  tốc độ động cơ tăng về trị số yêu cầu

Khi tốc độ động cơ tăng quá mức thì quá trình diễn ra ngược lại Đó là nguyên lý ổn định tốc độ

n0 max

n0 min

hồi âm tốc độ đã được cải thiện rất nhiều

Họ đặc tính cơ của hệ thống được vẽ trên hình 2-2

+ có nhiều thiết bị quay ,gây ồn.

+ Hiệu suất sử dụng điện năng thấp  = Đ/C  đ = 0,3 - 0,5

+Diện tích lắp đặt lớn, đòi hỏi nền móng đặc biệt

+ Đ: động cơ một chiều kích từ độc lập,thực hiện chức năng biến

năng lượng điện một chiều thành cơ năng truyền động cho cơ cấu sản xuất

+ BBĐ: là bộ biến đổi van có điều khiển , thực hiện chức năng biến

năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều cung cấp cho động cơ

+ Uđ tín hiệu điện áp đặt

+ FT máy phát tốc thực hiện chức năng khâu phản hồi âm tốc độ +TH & KĐ là khối tổng hợp và khuyếch đại tín hiệu

+ FX là mạch phát xung

A B C

FT

XĐK

FX TH&

KĐ

n Uđ Hình 2-3

2, Hoạt động của hệ thống

Giả sử ban đầu hệ thống đã được đóng vào lưới với điện áp thích hợp, lúc này động cơ vẫn chưa làm việc Khi ta đặt vào hệ thống một điện áp đặt Uđ ứng với một tốc độ nào đó của động cơ.Thông qua khâu TH & KH và mạch FX sẽ suất

hiện các xung đưa tới các chân điều khiển của các van của bộ biến đổi

bộ biến đổi , nếu lúc này nhóm van nào đó đang được đặt điện áp thuận , van sẽ

mở với góc mở  Đầu ra của BBĐ có điện áp Ud đặt nên phần ứng động cơ  động cơ quay với tốc độ ứng với Uđ ban đầu

Trong quá trình làm việc, nếu vì một nguyên nhân nào đó làm cho tốc độ động cơ giảm thì qua biểu thức : UĐK = Uđ - n

khi n giảm  UĐK tăng   giảm  Ud tăng  n tăng về điểm làm việc yêu cầu Khi n tăng quá mức cho phép thì quá trình diễn ra ngược lại Đây là nguyên lý ổn định tốc độ

Hình 2-4

nn0max

MK

XM XK

+ MK : là mạch khoá van có nhiệm vụ tạo xung điện áp ngược đặt nên van đẻ khoávan

+ T :tiristo chức năng như một khoá đóng mở để băm điện áp nguồn một chiều.+ FT : là máy phát tốc thực hiện chức năng khâu phản hồi âm tốc độ

+Uđ: là tín hiệu điện áp chủ đạo

+KĐ : là mạch khuyếch đại, có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu điện áp Uđk để đưa vào mạch FX

+FX : là mạch phát xung có nhiệm vụ phát ra xung mở cho van T và xung khoá cho mạch cho mạch khoá van MK

+ DO: là van diốt

2, Hoạt động của hệ thống

E b= t1

T CK U

Sức điện động này được đặt nên động cơ và động cơ sẽ quay với tốc độ tương ứng với điện áp đặt ban đầu Khi muốn thay đổi tốc độ động

cơ ta thay đổi Uđ

Trong quá trình làm việc giả sử

nguyên nhân nào đó mà tốc độ động cơ giảm

khi đó qua mạch phản hồi âm tốc độ ta có:

Đây làp phương trình đặc tính cơ của hệ thống

từ phương trình này ta có họ đặc tính cơ của

hệ thống như hình vẽ

4, Đánh giá chất lượng hệ thống

a,Ưu điểm

+ Hệ thống này được dùng ở những nơi có

nguồn một chiều có công suất » công suất

của động cơ và khi đó trong sơ đồ thay thế có thể bỏ qua Rb và đặc tính cơ có độ cứng cao

+ Hệ thống này dùng ít van động lực

+Dễ tự động hoá

b, Nhược điểm

+ Phải có nguồn một chiều hoặc kèm theo bộ nguồn xuay chiều - một chiều

+ Dạng điện áp ra có dạng xung gây tổn thất phụ trong động cơ

+Bộ biến đổi này khi làm việc có thể rơi vào chế độ dòng gián đoạn

V- Chọn phương án truyền động

Trong cả ba phương án đưa ra đều đáp ứng được yêu cầu công nghệ của truyền động ăn dao của máy doa Tuy nhiên, phương án I với những nhược điểm căn bản là:

+ Giá thành đắt vì phải sử dụng nhiều máy điện quay

+ Gây tiếng ồn, tốn diện tích lắp đặt

+ Hiệu suất thấp  chi phí vận hành lớn

Vì những lý do đó ta loại phương án này Vấn đề là lựa chọn một trong hai phương án còn lại

Trong hai phương án còn lại ta thấy rằng phương án III đòi hỏi phải có nguồn một chiều với công suất lớn, điều này không phải nhà máy cơ khí nào cũng

có được Trong trường hợp không có nguồn một chiều thì ta phải tạo ra nó từ nguồn xoay chiều , khi đó phương án III trở nên phức tạp hơn phương án II

Mặt khác đối với truyền động ăn dao của máy doa đòi hỏi phạm vi điều chỉnh rất lớn

( D= 2000:1) Như vậy nếu sử dụng phương án III ở vùng tốc độ thấp hệ thống rất

dễ rơi vào làm việc ở chế độ dòng gián đoạn mà muốn khác phục điều này cần phải có cuộn kháng với LK rất lớn

Từ những phân tích như vậy ta thấy rằng phương án II có tính ưu việt hơn

cả Ta chọn phương án II làm phương án truyền động cho truyền động ăn dao của máy doa

2 3 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

Mạch điện nguyên lý của hệ thống truyền động điện gồm hai phần:

+ Mạch động lực

+ Mạch diều khiển

Mạch động lực là phần tử trực tiếp thực hiện các quá trình năng lượng theo yêu cầu công nghệ đặt ra Mạch điều khiển có chức năng diều khiển mạch động lựcthực hiện các quá trình công nghệ Như vậy khi thiết kế sơ đồ nguyên lý phải đi từmạch động lực

I-Thiết kế mạch động lực

Mạch động lực bao gồm các phần tử: sơ đồ chỉnh lưu, cuộn kháng, máy biến

áp động lực, các phần tử R- C Theo phương án đã chọn thì động cơ là động cơ một chiều kích từ độc lập Như vậy,việc thiết kế sơ đồ mạch động lực chỉ còn là lựa chọn các phần tử khác cho phù hợp

1, Chọn sơ đồ chỉnh lưu

Có nhiều sơ đồ chỉnh lưu đáp ứng được yêu cầu công nghệ Tuy nhiên ở mỗi sơ đồ có các chỉ tiêu về chất lượng khác nhau, giá thành khác nhau Vấn đề đặt ra là lựa chọn cho phù hợp

- Các sơ đồ một pha tuy rẻ, song có chất lượng điện áp ra kém, nhất là khi góc mở  lớn, truyền động có phạm vi điều chỉnh lớn do đó đòi hỏi góc mở  dao động rộng và như vậy sơ đồ một pha khó đáp ứng được (khi góc  có nguy cơ hệ thống làm việc ở chế độ dòng gián đoạn )

- Vì những lẽ đó ta chỉ lựa chọn ở sơ đồ ba pha Sơ đồ cầu ba pha tuy có chất lượng điện áp ra tốt hơn sơ đồ tia ba pha, song nó có giá thành cao và mạch diều khiển cũng phức tạp hơn Sơ đồ tia ba pha có chất lượng điện áp ra kém hơn ( điều này có thể khắc phục bằng các cuộn kháng ) song nó hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu công nghệ Vì những lý do này ta chọn sơ đồ tia ba pha.

2, Lựa chọn phương án đảo chiều

Để đảo chiều cho động cơ điện một chiều có hai hướng là đảo chiều dòng kích từ và đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ

a, Đảo chiều dòng kích từ

Khi thực hiện đảo chiều quay của động cơ bằng đảo chiều dòng kích từ thì taphải giảm điện áp đặt vào phần ứng động cơ vì nếu không động cơ có nguy cơ bị ngắn mạch Ta biết rằng:

Mặt khác, ở phương pháp này hệ thống có họ đặc tính cơ sấu hơn so vớ phương pháp đảo chiều điện áp phần ứng

b, Đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ

Phương pháp này có thể dùng:

+ Sử dụng cầu tiếp điểm của khởi động từ

+ Dùng hai bộ chỉnh lưu đấu song song ngược hoặc đấu chéo

Khi dùng cầu tiếp điểm thì kém bền vì hệ thống của ta khi làm việc thường xuyên đảo chiều, mỗi lần đảo chiều dòng hồ quang một chiều sẽ làm mòn tiếp điểm Mặt khác, khi đó vùng hãm tái sinh nhỏ, vùng hãm ngược lớn gây giật và quá trình hãm ngược còn làm dòng phần ứng lớn vì:

I u=−U u−E

R u =

−(U u+E )

R u

Dòng điện này có giá rị rất lớn

- Khi sử dụng sơ đồ đấu chéo mạch lại trở nên phức tạp đòi hỏi máy biến áp phải

có hai cuộn dây thứ cấp

- Khi dùng hai BBĐ đấu song song ngược sẽ đảm bảo khắc phục hết những nhượcđiểm của các phương pháp kia, hơn nữa truyền động của ta đòi hỏi đảo chiều nhanh nên phương án này là phù hợp hơn cả

3, Lựa chọn phương án điều khiển hai bộ chỉnh lưu

Để điều khiển hai bộ biến đổi làm việc song song ngược có hai phương pháp:

+ Điều khiển độc lập ( điều khiển riêng )

+ Điều khiển phối hợp ( điều khiển chung )

a,Điều khiển độc lập

Ở phương pháp này hai bộ biến đổi làm việc độc lập với nhau Khi phát cho

bộ biến đổi thuận làm việc thì bộ biến đổi ngược không được phát xung sẽ khoá lại và ngược lại Phương pháp này có ưu điểm là không phát sinh dòng cân bằng song nhược điểm của nó là thời gian đảo chiều lớn vì để đảm bảo cho sơ đồ làm việc an toàn thì yêu cầu phải có thời gian ngừng dòng để cho các van của bộ biến đổi làm việc ở giai đoạn trước phục hồi lại tính chất điều khiển và như vậy làm giảm độ tác động nhanh của hệ thống

Tuy vậy vẫn có thể tăng độ tác động nhanh của hệ thống bằng cách giảm thời gian ngừng dòng xuống cực thiểu nhờ những mạch kiểm tra tác động nhanh

b, Điều khiển chung

Trong phương pháp này lại gồm có:

+Điều khiển phối hợp tuyến tính

+ Điều khiển phối hợp phi tuyến

 Phương pháp điều khiển phối hợp tuyến tính: ở phương pháp này người ta đồng thời phát xung đến mở cho cả hai BBĐ , với quan hệ góc mở: 1 + 2 =

1800 Khi hệ thống làm việc luôn tồn tại một BBĐ làm việc ở chế độ chỉnh lưu ( 

 900 ) và một BBĐ làm việc ở chế độ nghịch lưu (  900 )

* Phương pháp này có ưu điểm: là đảo chiều nhanh, quan hệ giữa điện áp trung bình ra và Uđk là đơn trị Song nhược điểm của nó là: làm phát sinh dòng cân bằng gây tổn thất trong BBĐ dẫn đến phải tăng công suất tính toán của các phần tử Tuy nhiên, điều này có thể khắc phục bằng cách mắc thêm các cuộn khángcân bằng

 Phương pháp điều khiển phối hợp phi tuyến: ở phương pháp này người ta cho hai BBĐ làm viện với quan hệ góc mở: 1 +2 = 1800 +2

* Phương pháp này có ưu điểm là giảm được dòng cân bằng Song nhược điểm của nó là tạo ra một khoảng mà với cùng một góc điện áp điều khiển sẽ có hai giá trị điện áp ra khác nhau, thời gian ngừng dòng khi đảo chiều lớn làm sấu các chỉ tiêu chất lượng động khi tải có sức điện đông lớn và tải có điện cảm lớn

Từ những phân tích như vậy ta chọn phương pháp điều khiển phối hợp tuyếntính

4, Sơ đồ mạch động lực

 Thuyết minh sơ đồ

Ban đầu đưa hệ thống vào làm việc, ta đóng áptômát AB hệ thống được cấp nguồn Tuy nhiên lúc này động cơ chưa làm việc

Giả sử BBĐ1 ( gồm các van: T1 , T2, T3 ) khi làm việc ở chế độ chỉnh lưu thì động cơ quay thuận;BBĐ2 ( gồm các van : T4 , T5, T6 ) khi làm việc ở chế

độ chỉnh lưu thì động cơ quay ngược Khi ta phát xung đến mở cho các van ở BBĐ1 với góc mở

1  900 và BBĐ2 với góc mở 2  900 với quan hệ góc mở: 1 + 2 = 1800

Lúc này ở đầu ra của hai BBĐ có điện áp ra là: ud1 và ud2

Điện áp ud đặt nên phần ứng động cơ và động cơ sẽ quay thuận Ta có giản

đồ điện áp ud, ud1, ud2, ucb, icb và dòng qua các van như hình vẽ (trên hình vẽ 1=

300 , 2 = 1500) Ta thấy rằng do tồn tại điện áp ucb mà sinh ra dòng điện icb và như vậy dòng qua các van ngoài thành phần dòng Id qua động cơ còn dòng icb Dòng icb

chỉ chạy quẩn giữa hai BBĐ , do điện trở thuận của các van nhỏ nên với một ucb nhỏ cũng sinh ra dòng icb có biên độ lớn có nguy cơ phá hỏng các van, vì vậy phải

có biện pháp hạn chế dòng icb này Trong sơ đồ sử dụng hai cuộn kháng CK1 và

CK2 có Lk lớn để đảm bảo Icb  10% Id

C K1 C K2

0

C K1 C K2

CK K

Sơ đồ mạch động lực

Như ta biết rằng cuộn kháng có Rk nhỏ Lk lớn và dòng cân bằng là dòng đập mạch Như vậy cuộn kháng dễ dàng cho thành phần dòng một chiều Id đi qua và cản hiệu quả dòng đập mạch icb

Cuộn kháng CK có nhiệm vụ san phẳng dòng điện tải Id

II- THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

1, Giới thiệu chung

Như ta đã biết, để cho các van của hai bộ chỉnh lưu mở tại những thời điểm mong muốn ta cần phải có các mạch điện phát ra các xung điều khiển đưa đến mở các tiristo tại các thời điểm yêu cầu Xung điều khiển phải đáp ứng đủ các yêu cầu như: biên độ , công suất và thời gian tồn tại để mở chắc chắn các van với mọi loại tải mà sơ đồ gặp phải khi làm việc thông thường đối với các bộ chỉnh lưu thì độ rộng xung nằm trong khoảng từ (200 - 600 ) s là đảm bảo mở chắc cắn các tiristo.mạch điện phát ra các xung như vậy gọi là mạch điều khiển

Hiện nay các hệ thống phát xung điều khiển được chia làm hai nhóm:

+ Nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ: là nhóm mà các hệ thống điều khiển đưa

ra các xung suất hiện trên cực điều khiển của các tiristo đúng thời điểm cần mở và

lặp đi lặp lại với chu kì thường bằng chu kì nguồn xoay chiều cấp cho bộ chỉnh lưu ( ngoài ra trong một số trường hợp chu kì xung có thể bằng 1/2 chu kì nguồn).Nhóm hệ thống này được sử dụng rất phổ biến.

+ Nhóm các hệ thống điều khiển không đồng bộ: nhóm này tạo ra các chuỗi xung ddieef khiển với tần số thường cao hơn nhiều tần số nuồn cung cấp và trong quá trình làm việc tần số xung được tự động thay đổi để đảm bảo một lượng ra nào đó (Ud , Id ) không thay đổi Để đạt được điều này thì tần số xung phải được khống chế theo sai lệch giữ tín hiệu đặt và tín hiệu ra của đại lượng cần ổn định Các hệ thống điều khiển theo nguyên tắc này khá phức tạp nên ít được dùng, ở đây ta chỉ nghiên cứu hệ thống thứ nhất

2, Thiết kế mạch phát xung

A, Lựa chọn phương pháp phát xung

Các hệ thống điều khiển đồng bộ hiện nay thường sử dụng ba phương pháp phát xung chính là:

+ Phát xung điều khiển theo pha đứng

+ Phát xung điều khiển theo pha ngang

+ Phát xung điều khiển sử dụng diốt hai cực gốc

a, Phương pháp phát xung điều khiển theo nguyên tắc pha đứng

Hệ thống này tạo ra các xung điều khiển nhờ việc so sánh giữa tín hiệu điện

áp tựa hình răng cưa thay đổi theo chu kì điện áp lưới và có thời điểm suất hiện phù hợp góc pha của lưới với điện áp điều khiển một chiều thay đổi được

Hệ thống này có nhược điểm là khá phức tạp, song nó có những ưu điểm nổi bật như: khoảng điều chỉnh góc mở  rộng , ít phụ thuộc vào sự thay đổi của điện áp nguồn, dễ tự động hoá, mỗi chu kì của điện áp anốt của tiristo chỉ có một xung được đưa đến mở nên giảm tổn thất trong mạch điều khiển Do đó hệ thống này được sử dung rộng rãi

b, Phương pháp phát xung điều khiển sử dụng diốt hai cực gốc ( UJT )

Phương pháp này cũng tạo ra các xung nhờ việc so sánh giữa điện áp răng cưa xuất hiện theo chu kì nguồn xoay chiều với điện áp mở của UJT Phương pháp này mặc dù đơn giản nhưng có nhược điểm là góc mở  có phạm vi điều chỉnh hẹp

vì ngưỡng mở của UJT phụ thuộc vào điện áp nguồn nuôi Mặt khác, trong một chu kì điện áp lưới mạch thường đưa ra nhiều xung điều khiển nên gây tổn thất phụtrong mạch điều khiển

c, Phương pháp phát xung điều khiển theo pha ngang

Ở phương pháp này người ta tạo ra điện áp điều khiển hình sin có tần số bằng tần số nguồn và góc pha điều khiển được ( dùng các cầu R- C hoặc cầu R - L) Thời điểm suất hiện xung trùng với góc pha đầu của điện áp điều khiển Phươngpháp này có nhược điểm là: khoảng điều chỉnh góc mở  hẹp, rất nhạy với sự thay đổi của dang điện áp nguồn, khó tổng hợp nhiều tín hiệu điều khiển do vậy thường ít được sử dụng

d, chọn phương pháp điều khiển

Qua những phân tích ở trên ta thấy rằng với yêu cầu công nghệ của truyền động ăn dao của máy doa là khoảng điều chỉnh rất rộng, độ sụt tốc độ nhỏ nên phải

sử dụng các phản hồi - tức là cần phải tổng hợp nhiều tín hiệu điều khiển Do vậy, phương pháp điều khiển theo nguyên tắc pha đứng là phù hợp hơn cả, ta chọn phương pháp này

B, Sơ đồ khối mạch điều khiển theo pha đứng