Giáo trình thiết kế thiết bị điều khiển

Giáo trình thiết kế thiết bị điều khiển

Giới Thiệu Chung-TB điều khiển là hệ tự động cục bộ

VD : - Máy phát : Thông số cần điều khiển U,f

Phân loại theo nhiều dấu hiệu khác nhau

BàI 2 Các bớc tính toán thiết kế 1 thiết bị điều khiển

• Yêu cầu thiết kế

- Đáp ứng đợc các yêu cầu công nghệ cho trớc

+ Xuất phát từ địa chỉ sử dụng Đ ( dùng để làm gì ) + Chỉ tiêu, số liệu công nghệ :

VD : P, w, D, Ikđ , dw/dt

• Sản phẩm

Phần tử điều khiển Bộ biến đổi Phần tử CH

Phản hồi

1 Lấy số liệu : tìm hiểu yêu cầu tổng thế.

- Số liệu máy sản xuất (Mc (Fc), Vmáy ) suy ra I, Wđc, Pđc

- Yêu cầu công nghệ

- Số liệu nguồn điện

- Những yêu cầu khác ( kinh tế, năng lực vốn, môI trờng )…

2 Tính chon Đ

- Tính chọn Pđ, WĐ đm, loại Đ, cấp điện áp,chế độ phụ tải…

3 Dự kiến ( thiết kế sơ bộ ) sơ đồ nguyên lí chung của hệ thống (hở, không

tự động )

VD: động cơ một chiều ,chọn hệ CL_Đ

- công suất 100kW suy ra CL 3fa cầu_Đ

- công suất 1kW suy ra CL 1fa cầu_Đ

Đa ra một sơ đồ suy ra so sánh suy ra chọn

(kế thừa: dựa vào những hệ đã có, lấy tơng tự )

4 Tính chọn các phần tử trong sơ đồ ( chủ yếu Đ đã chọn trớc (bớc 2 ) suy ra

ta chọn biến đổi phần tử điều khiển),có thể 2 phần này là một

5 tính toán các thông số và đặc tính tĩnh của hệ tự động ( tính toán tĩnh )

a ,lập sơ đồ tự động ( có khâu đặt tín hiệu phản hồi các tín hiệu

đầu ra và các tín hiệu trung gian).dự kiến loại hệ rự động

là cho trớc từ yêu cầu công nghệ.

f ,kiểm nghiệm các số liệu đã tính ở trên

Nếu chất lợng khồng đạt yêu cầu thì phảI chọn lại hoặc tính lại các thông

số trên

+ Xph, kph + Hệ số khuếch đại của hệ thống

k∑ = kbd.kđ.bptđk (thờng để phát triển chất lợng thì b tăng )

VD :khi chất lợng (tĩnh) thấp thì phảI tăng bph

6 Tính toán động lực hệ tự động

a, Thiết lập sơ đồ chức năng hệ tự động

b, Viết hàm truyền của các phần tử và tìm hàm truyền của hệ tự động

c, Khảo sát độ ổn định tĩnh của hệ tự động (dựa vào các tiêu chuẩn xét ổn

BàI 2 Tính toán công suất Đ điều chỉnh

- Gồn hai loại Đ :

+ Loại Đ không điều chỉnh :chỉ làm việc ở một cấp độ

+ Loại có điều chỉnh :làm việc ở nhiều cấp khác nhau, tốc độ đợc điều chỉnh bằng điện

*, Trớc hết tính toán công suất yêu cầu để chọn Đ ( thông thờng ) loại không

điều chỉnh cho kết quả các thông số định mức của Đ

*, Kiểm nghiệm theo điều kiện điều chỉnh

=> Chọn sơ bộ Đ kiểm nghiệm theo điều kiện phát nóng, quá tảI, khởi

độngkiểm nghiệm theo điều kiện điều chỉnh

1 Lý thuyết phát nóng và làm nguội của Đ

- Tính toán nhiệt độ Đ khi làm việc, nhiệt độ cho phép của vật liệu cách

- Trong t2 : τ ođ2 = ∆P2

Α τ bđ2=τ c1 , τ 2(t) tăng

- Trong t3 : τ ođ3 = ∆P3

Α τ bđ2=τ c2 , τ 3(t) giảm

Khi Pc(t) là đờng nhiều bậc ⇒ τ (t) là một đờng răng ca ở đó xuất hiện τ

max ≤ τ cp với τ cp là nhiệt sai cho phép của Đ, đợc quyết định bởi vật liệu

Để chọn công suất Đ căn cứ vào chế độ làm việc, loại phụ tải

3, VD : Tính chọn công suất Đ cho tait dàI hạn ( dùng Đ cho chế độ làm việc dàI hạn )

Giả thiết có một phụ tảI dàI hạn biến đổi Pc(t)

*, Bớc 1: Chọn sơ bộ Đ ( nguồn điện cấp điện áp, yêu cầu để dự kiến đ )

- Tính toán công suất trung bình

*, Bớc 2: Kiểm nghiệm Đ theo điều kiện phát nóng

- Xây dựng đồ thị phụ tảI toàn phần ( đồ thị phụ tảI chính xác ) gồm phụ tảI tĩnh( Pc, Mc )các phụ tảI xuất hiện trong quá trình quá độ (Mkđ,Mhãm)

⇒Tơng ứng với loại công suất đóng.

Hoặc phảI hiệu chỉnh các khoảng thời gian do ảnh hởng của các thời gian quá trình quá độ

Mđộng - Jdw

dt ( qua hệ M-Mc=dw

dt +Mc)

⇒Không hoặc khác xa đồ thị Mc=f(t) Pc=f(t) ⇒xác định lại công suất hoặc

mômen Đ ⇒kiểm nghiệm lại công suất Đ.

*, Kiểm nghiệm lại công suất Đ theo các phơng pháp sau :

a, phơng pháp tính tổn thất ttrung bình, từ đồ thị phụ tảI toàn phần và quan

⇒ phơng pháp này tơng đối chính xác vấn đề là phảI biết η=f(t)

Chú ý: Trong một số trờng hợp khi có đủ số liệu hoặc do yêu cầu tính toán

có độ chính xác cao nguời ta có thể suy từ đồ thị phụ tảI tính tĩnh ( Pc, Mc )và phụ tảI động Đ để lập nên đồ thị phụ tảI toàn phần theo dòng điện I=f(t)

ĐCKĐB có: MmaxD ; Mth=x.Mđm ≤ 0,81Mth nếu xét đến khả năng quá tảI 10%

ĐCĐB coc : Mmax ; (2ữ2,5)Mđm

⇒Mcmaxtrong các máy cơ khí = 2 Mđm

⇒Mkđ ≥Mco với Mco mômen cản lúc máy không quay

- Đa số máy cơ khí Mco ≤Mđm

- TảI nặng nh máy vận chuyển, máy ma sát nhớt Mco ≥Mđm

Động cơ 1 chiều : Mkđ ; (2ữ2,5)Mđm

ĐCKĐB : Mkđ=Mnm=bM.Mkđ

*, Bớc 3: Kiểm nghiệm Đ đã chọn theo điều kiện điều chỉnh nhiệt độ

- Tiêu chuẩn kiểm nghiệm :

Đối với Đ đã chọn ở trên điều kiện thoả mãn yêu cầu nhiệt độ là : đặc tính momen tảI cho phép Đ phảI phù hợp với đặc tính máy sản xuất

⇒Nếu đặt trên trục Đ mômen cản Mc=Mccp ⇒dòng điện Iđ=Iđm

⇒Nếu điều chỉnh tốc độ làm việc của Đ wlv=wđm ⇒Mccp=Mđm

q=0

q=1

q=-1 q=2

NÕu wlv ≠w®m vµ I=I®m th× ⇒Mccp∈ph¬ng ph¸p ®iÒu chØnh.

- Nãi chung mçi lo¹i § vµ mçi ph¬ng ph¸p ®iÒu chØnh cho ta 1 quan hÖ Mccp

= f(w)

*, §èi víi §C1C: M= k.I.ϕ Mccp=k ϕ.I®m

⇒§iÒu chØnh b»ng ®iÖn trë phô m¹ch phÇn øng

u=u®m=const

Rt=R+Rf=var

ϕ=ϕ®m = const

⇒ Mccp = b ϕ.I®m= Mk®= const ⇒kh«ng phô thuéc vµo w.

Phï hîp víi t¶I cÇn trôc

⇒ Ph¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn ®iÖn ¸p phÇn øng víi : u=var; Rt=const;

M

Phù hợp với tảI máy tiện

*, Đối với máy điện xoay chiều: phơng pháp thay đổi: f, u(stato), Rf

w Đạt đợc điều kiện I= I đm tại

Mccp ; Mc I=Iđm w=w1 ; τ =τ cp ; Đ đầy tải

w>w1 ;Mccp<Mc ⇒I>Iđm quá tảiw<w1 ⇒Mccp>Mc⇒I<Iđm non tải

Bài 3: Tính toán khâu hạn chế dòng điện trong các hệ

có 1 Đ chiêù

1, Vấn đề hạn chế dòng điện phần ứng của Đ1C ,Máy điện.Những trờng hợp dòng điện lớn trong Đ1C ( khởi động , hãm ,hãm ngợc, táI sinh,động năng, quá trình quá độ, non tảI, ngắn mạch )

- Gía trị cần hạn chế Icp =( 2ữ2,5 )Iđm ⇒ do điều kiện phát nóng Đ, điều kiện

chuyển mạch ( bảo vệ cổ góp )

- Nếu quá tảI lâu dàI xét điều kiện phát nóng

- Nếu quá dòng lớn xét điều kiện chuyển mạch

VD: dòng khởi động, đảo chiều,ngắn mạch

- Nếu Đ có điều chỉnh từ thông ϕ ( tức có nlv>nđm ) thì giảm Icp ( tuỳ loại Đ )

2, Những dạng sơ đồ hạn chế dòng điện Đ1C

- Tuỳ theo mục đích cần hạn chế dòng điện nào và loại hệ truyền động mà ta

có sơ đồ rêng (có những sơ đồ dùng chung cho tất cả mục đích hạn chế I)

VD: Khởi động Đ1C từ w=0 tới wđm ( sơ đồ hạn chế Ikđ); hệ có Đ đóng vào u=uđm ; ϕ = ϕđm trong các lúc bắn tự động hoặc hệ điều khiển rơle dùng

điện trở phụ trong mạch phần ứng (3ữ5) cấp

Dùng công tắc tơ 1G và 2G và bộ rơle thời gian kèm theo Khi hoạt động k

đóng (E) với toàn bộ Rf

VD2 : Khởi động và tăng tốc từ η = 0 ⇒ ηlv ⇒ ηlv>ηđm ( trờng hợp Đ

có điều chỉnh ϕ, lúc làm việc ϕ<ϕđm ⇒việc khởi động xảy ra qua 2 gđ

GĐ1 :nh trên , khởi động từ η=0 ⇒ ηđm với ϕđm , u=uđm , Ruf=(3ữ

Trong cả giai đoạn 1 R và 13-16 thông, Rss (φ = φ đmmax)kết thúc giai đoạn một 2G đóng ⇒Rss mất điện Vào giai đoạn 2 φ giảm mà w cha tăng tơng ứng.

- Máy phát : Ud = kf Uf = kf kcl Udk

- Chỉnh Lu : Ud= ud=udo cos α= kfudk

Ud ∈ Udk để hiệu chỉnh I ⇒Udk = f(I) ⇒Thể hiện bằng mạch phản hồidòng

điện (phần âm )

- Tạo ra đặc tính rơle theo tín hiệu (để ngắt dòng)

Đặc tính rơle ( ngắt dòng ) đợc thể hiện nhờ tổ hợp( Dnd, U0 )

*, Khi I<Ing thì Upi<U0 ⇒ Dng khoá ⇒I<Ing ⇒khâu phản hồi không tác

động ,Uping = 0 ⇒BĐ làm việc trong giá trị Uđăt , Uđk=Uđăt

R I

- Cần xác định kpi để tạo ra Id= Icp thay w=0, I=Idg ⇒kpi

- Giữ không đổi Uđăt ,Ing ⇒kpi ảnh hởng tới tốc độ dốc của

⇒Điều chỉnh Idg bằng cách biến đổi kpi hệ số cảm biến dòng điện khếch đại

khâu phản dòng

⇒Điều chỉnh Ing bằng cách thay đổi U0

4, Cảm biến dòng điện : Lờy ra upi ≡I

VD: Dùng điện trở Rđo nhỏ để ít ảnh hởng tới R7mV/100A Giá trị

điện trở Rđo ít phụ thuộc vào môI trờng làm việc

Thờng dùng hệ CL bộ cảm biến phía xoay chiều

*, Lấy Uping trong các hệ đảo choir I đảo chiều⇒upi đảo chiều

Chọn Dng theo trờng hợp nguy hiểm nhất khi I=Ing ⇒ Upimax

I2

Upi

R0

Iu

+

-Bài 4: Tính toán khâu phản hồi tốc độPhản hồi dòng dùng để duy trì hay hạn chế IĐ ⇒hạn chế M.

- Duy trì tự động : Hế có wlv chính xác, độ chính xác s% =

dat

w w

∆

100%

s% ≤scp theo yêu cầu công nghệ sản xuất ∆w nhiễu phụ tải ∈ độ cứng ĐTC

- Thực tế sử dụng Đ: wdăt = w0 của cấp tốc độ đặt ∆w ∆ss⇒

R I

kφ

Mdm

M M

- Viết phơng trình ĐTC thấp nhất ⇒tính đợc s% max Uđăt min.

- Nếu tạo ra s% max < scp thì hệ sẽ đạt yêu cầu công nghệ cho trớc Thay vào phng trình Uđăt= Uđmin , I=Iđm ⇒ s% max=

0

w w

∆

<scp ⇒Uđătmin

*, Có thể xét đơn giản ∆wc= const ở tất cả các cấp độ

Xác định đặc tính cao nhất theo số liệu định mức của hệ xác định theo Đ

D_ dảI điều chỉnh tốc độ ⇒xác định kpw gần đúng nhanh

Trớc hết tính toán khâu phản hồi tốc độ ( vùng 1 )

60

π ⇒xác định Umax

Kiểm tra có BĐ, Uđkmax =10v ⇒Udo= Uđmax =220 v

Đã tính Uđmax , kpw , wđm= wmax phảI có Uđkmax= Uđmax- Uđm bpw =10v

b, Tính toán số liệu trên ĐTC thấp nhất

KiÓm tra :

0min

c

w w

- ViÕt ph¬ng tr×nh §TC khi cã c¶ 2 kh©u ph¶n håi U®k = vµo U… b=kbU®k

dat

b pw b wp

b k b

b b b

φ φ

+

Cho w = 0; U®¨t = U®max ; I = Icp ⇒tÝnh ra Kpi

Chó ý – Chän kpw vµ c¸c th«ng sè t¬ng øng

- Trªn §TC thÊp nhÊt cã U®min

- kpi ⇒§TC cao nhÊt , víi U®max

Trong 2 bàI 3, 4 ⇒xác định các thông số và đặc tính của hệ BĐ_Đ

Bài 5 : Tính toán và lựa chọn các phần tử chủ yếu trong

hệ điều khiển Đ( là bớc 3 trong bàI toán thiết kế điều khiển )

Để tính toán cần có sơ đồ tại thể VD hệ CL_Đ

1, Bộ chỉnh lu điều khiển

- BA _V _KC kháng catôt, KA_kháng anôt

- Bộ tạo xung dịch pha TX_DF ( ngoàI ra còn có tb đóng cắt bảo vệ )

- Đ_cho trớc bớc 2

- Số liệu cho truớc của anôt : Pđm, Uđm , Iđm , nđm , D= nđm/nmin

- Pđm = Pd , Sba , Sa (mạch tảI của chỉnh lu )

- Uđm ⇒Udmax ⇒Udo (điện áp chỉnh lu lớn nhất )

Udmax , Udo phảI đảm bảo cho Đ làm việc ở chế độ ĐM với U = Uđm

- Giảm tốc độ dòng qua tiristor :

Theo catalog tiristor có (diT/dt) cp hạn chế diT/dt do Xluoi ,XBA Nếu không đủ thì cần phảI thêm XBA

- ở sơ đồ không có BA

- CL có BA : xBA nhỏ không đủ để hạn chế BACL có un% lớn ,BAĐL un% = 3ữ5 %

⇒UBA = U2 – U2yc =∆U nối trên kháng khi U dòng điện

⇒IKA =I2BA ( giá trị hiệudụng )

SBA –m UkAIkA

b, Tính KA theo 2: tính ra đảm bảo ( di/dt)cp

2LKA = L yc – LBA ; IKA = I2BA

3, Khoảng catôt ( kháng phía 1c của CL)

- Lọc thành phần xoay c của dòng điện CL ( dòng tải )

- Hạn chế vùng dòng điện gián đoạn trong tải (i=id) đảm bảo cho i ,id liên tục

đặc biệt coi trọng trong các sơ đồ CL cấp cho phần ứng Đ Khi I = nhấp nhô

-Trong các sơ đồ CL thuận nghịch dùng trong các hệ thuận nghịch ( hệ truyền động đảo chỉều )

⇒Hạn chế dòng điện kí sinh trong 2 nhóm thuận và nghịch của CL ⇒dòng

Thành phần xoay c có chứa các sóng hàI tần số khác nhau

Fk=kmf (f_lới dòng thứ cấp MBA, m_số fa, k_bậc sóng hài)

⇒L∑ ycmax khi α max

Phép tính theo D ⇒wmint = wđm/D ⇒udmin=udocosαmax =kwminφ+Iđm(R+RCL) tìm đợc α max ⇒ U(k=1, α max )

⇒ L∑ yc = max

0

1, 2 10

∑ ; R

∑

=RBA+R

- Tính giá trị α max( ứng với wmin, udmin )

- Xác định dòng điện không tải của Đ :I0 = 10%Iđm ⇒Io = I0’ /I2m Đặt I0 lên trục hoành , dòng trên đồ thị của họ ĐTV lên đồ thị có α ⇒ max tgϕyc(ϕyc góc

- Khi điều khiển chung đã chọn α π α 1 = − 2 ⇒ ud1 ; ud2 nhng vẫn chịu ud1

khác ud2 tại từng thời điểm

- Icb sinh ra do ucb= ud1- ud2 ⇒ Icb< Icbcp (10%Iđm ).

⇒Icb =

cb

U L

∑ , tính ucb theo sơ đồ nối mỗi nhóm CL và sơ đồ nối

2 nhóm CL

⇒ Tìm ra icb ⇒ Icb cho Icbcp ⇒ L∑ đã cho trong TLTK đờng cong ucb=f(α )KCB

T

Lờy giá trị Ucbmax của sơ đồ Lkc = ( yc

Bài 6: Chọn phần tử và tính toán đặc tính công tác của

hệ đk đkđb bằng bộ đc pha thyistor

1, Sơ đồ nguyên lí ĐK của hệ ( hệ đk Đ 3fa )

- Dùng bộ biến đổi điện áp xoay chiều ( bộ điều chỉnh fa T ) 3 fa đối xứng và không đối xứng

+, Loại 3fa đối xứng có thể dùng: - có dây trung tính

- không có dây trung tính+, Loại 3fa không đối xứng có thể dùng :

- 2fa có T song song ngợc,

- 3fa mỗi pha dùng D-T ngợc

Điều khiển tốc độ dảI điều chỉnh rộng hơn, đặc tính tốt hơn

Udk

A(b)

Dạng đặc tính không đối xứng nên không dùng để điều khiển tốc độ mà chỉ dùng khởi động.

( C ) pha A,C điện áp giống ( a,b )

pha B giống điện áp lới

(d) không đối xứng trong mỗi pha

2, Nguyên lí điều chỉnh điện áp trong hệ

- Xem dạng ĐTC nhân tạo khi biến thiên u1 :

Mth ; U2 ; sth=const= sth tựnhiên ; Mmm ; U1

⇒Xác định giá trị U1 cần thiết theo yêu cầu điều khiển.

Đ đã cho Pđm ; wđm ; Uđm ; nđm ;cosϕdm ; cosϕ 0 ; cosϕkd

α =Mth/Mđm ; kM=Mnm/Mđm ; ki =Inm/Iđm ;

⇒ ĐTC: M =

2 th

th th

M s s

s + s với Mth = α Mđm ; sth=sđm α − 2 1

( Nếu cho thông số cấu tạo Mth=

2 1 0

nm

R x

NÕu yªu cÇu h¹n chÕ Mk® th× ph¶I cho tríc Mnm nh©n t¹o

U1=f(α ϕ , ) ; i1=f(α ϕ , )

⇒Điện áp trên s không sin

Dòng điện trên s không liên tục ⇒ảnh hởng tới độ phát nóng D

⇒Sóng điều hoà bậc nhất U1 xác định U1 nhờ chuỗi furie = f(α ϕ , )

- Phơng trình đờng cong U1= f(α t với (α ϕ , ) cho theo bảng số và đồ thị) phụ

thuộc vào sơ đồ bộ BĐ a,b có α khác nhau nhng dạng giống nhau.

30 0 60 0 90 0

Xác định ϕdcở chế độ làm việc tơng ứng

- Tong tính toán lấy gía trị gần đúng

- Tính toán quá trình khởi động ϕnm = const

- Tính toán về điều chỉnh tốc độ ϕ ϕ = dm=const

- Tính toán không tải: ϕ φ = 0=const

 đồ thị có thể sử dụng ngợc lại α => u1 => Đ làm việc ở chế độ nào

3, xây dựng đặc tính vào ra ( đặc tính điều chỉnh ) của bộ biến đổi

( bộ ĐCF ) u1 = f(uđk)

khi đã biết sơ đồ và thông số phụ tải

U1 là U1(1) từ phụ tảI biết ϕnm và ϕdm

τ τ = = chu kì điện áp lới.