thiết kế hệ thống trang bị điện cho cầu trục

Thực tiễn trong các xí nghiệp công nghiệp hiện nay đang đặt ra vấn đề là phải cải tạo, nâng cấp lại những thiết bị và dây truyền sản xuất cũ theo quan điểm là giữ lại những phần thiết bị đã hoàn thiện hoặc còn phù hợp, cải tạo và thay thế những phần đã lạc hậu hoặc có nhiều nhược điểm để cho ra những thiết bị có độ hoàn thiện cao. Khi đưa vào sản xuất cho năng suất và chất lượng sản phẩm cao. Dựa trên nền tảng đó bản đồ án thiết kế hệ thống trang bị điện cho cầu trục tập trung vào giải quyết, cải tạo hệ thống trang bị điện cho máy. Bản đồ án gồm 5 phần:  Phần I: Tìm hiểu công nghệ của máy  Phần II: Thiết kế sơ đồ nguyên lý  Phần III: Tính chọn thiết bị  Phần IV: Xây dựng đặc tính tĩnh  PhầnV: Xây dựng đặc tính quá độ - xét ổn định và hiệu chỉnh hệ thống  PhầnVI : Thuyết minh sơ đồ nguyên lý Trên tinh thần làm việc nghiêm túc, với những lỗ lực cao của bản thân nội dung của bản đồ án được xây dựng trên cơ sở những tính toán logic và khoa học có tính thuyết phục cao. Bản đồ án được trình bày một cách logic, gọn nhằm giúp cho người đọc dễ hiểu, các số liệu được lấy từ những tài liệu có uy tín. Tuy nhiên, do kiến thức còn hạn chế, trong phạm vi thời gian có hạn, lượng kiến thức lớn nên bản đồ án không khỏi còn những khiếm khuyết. Em mong nhận được sự góp ý xây dựng của các thầy cũng như bè bạn để bản đồ án được hoàn thiện hơn.

LỜI NÓI ĐẦU

Trong điều kiện công cuộc kiến thiết nước nhà đang bước vào thời kỳcông nghiệp hoá - hiện đại hoá với những cơ hội thuận lợi và những khó khănthách thức lớn Điều này đặt ra cho thế hệ trẻ, những người chủ tương lai củađất nước những nhiệm vụ năng nề Đất nước đang cần sức lực và trí tuệ cũngnhư lòng nhiệt huyết của những trí thức trẻ, trong đó có những kỹ sư tươnglai

Sự phát triển nhanh chóng của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nóichung và trong lĩnh vực Điện - điện tử - tin học nói riêng làm cho bộ mặt của

xã hội thay đổi từng ngày Trong hoàn cảnh đó, để đáp ứng được những điềukiện thực tiễn của sản xuất đòi hỏi những người kĩ sư điện tương lai phải đượctrang bị những kiến thức chuyên ngành một cách sâu rộng

Trong khuôn khổ chương trình đào tạo kỹ sư ngành tự động hoá - cungcấp điện; nhằm giúp cho sinh viên trước khi ra trường có điều kiện hệ thốnghoá lại những kiến thức đã được trang bị ở trường cũng như có điều kiện tiếpcận với những mô hình kỹ thuật chuyên nghành của thực tiÔn trong sản xuất,đồng thời cũng giúp cho sinh viên có cơ hội tư duy độc lập nghiên cứu vàthiết kế Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên tổ chức chosinh viên trước khi ra trường làm đồ án tốt nghiệp - bản đồ án tốt nghiệp này

ra đời trong hoàn cảnh đó

Thực tiễn trong các xí nghiệp công nghiệp hiện nay đang đặt ra vấn đề làphải cải tạo, nâng cấp lại những thiết bị và dây truyền sản xuất cũ theo quanđiểm là giữ lại những phần thiết bị đã hoàn thiện hoặc còn phù hợp, cải tạo vàthay thế những phần đã lạc hậu hoặc có nhiều nhược điểm để cho ra nhữngthiết bị có độ hoàn thiện cao Khi đưa vào sản xuất cho năng suất và chất

lượng sản phẩm cao Dựa trên nền tảng đó bản đồ án thiết kế hệ thống trang

bị điện cho cầu trục tập trung vào giải quyết, cải tạo hệ thống trang bị điện

cho máy Bản đồ án gồm 5 phần:

 Phần I: Tìm hiểu công nghệ của máy

 Phần II: Thiết kế sơ đồ nguyên lý

 Phần III: Tính chọn thiết bị

 Phần IV: Xây dựng đặc tính tĩnh

 PhầnV: Xây dựng đặc tính quá độ - xét ổn định và hiệu chỉnh hệthống

 PhầnVI : Thuyết minh sơ đồ nguyên lý

Trên tinh thần làm việc nghiêm túc, với những lỗ lực cao của bản thân nộidung của bản đồ án được xây dựng trên cơ sở những tính toán logic và khoahọc có tính thuyết phục cao Bản đồ án được trình bày một cách logic, gọnnhằm giúp cho người đọc dễ hiểu, các số liệu được lấy từ những tài liệu có uytín Tuy nhiên, do kiến thức còn hạn chế, trong phạm vi thời gian có hạn,lượng kiến thức lớn nên bản đồ án không khỏi còn những khiếm khuyết Emmong nhận được sự góp ý xây dựng của các thầy cũng như bè bạn để bản đồ

án được hoàn thiện hơn

Trong qúa trình làm đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn, chỉbảo nhiệt tình của các thầy giáo cũng như sự góp ý xây dựng của các bạn bèđồng nghiệp Đặc biệt là sự giúp đỡ của thầy giáo TS Lâm Tự Tiến Em xinchân thành cảm ơn sự giúp đỡ này

Tác giả thiết kế Sinh Viên

PHẦN I GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ CỦA CẦU TRỤC VÀ YÊU CẦU TRANG BỊ ĐIỆN

I : GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ VỀ CẦU TRỤC

Cầu trục được sử dụng rộng rãi trong các nghành công nghiệp thườngđược lắp đặt ở trong nhà xưởng hoặc ngoài trời nhằm để nâng- hạ hàng hoá,máy móc, trang thiết bị cho nhà xưởng, bến cảng, sân bay

Chế độ làm việc của cơ cấu cầu trục được xác định từ các yêu cầu côngnghệ , chức năg của cầu trục trong dây chuyền sản xuất Cờu tạo và kết cấu

của cầu trục rất đa dạng Khi thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và hệthống truyền động điện phải phự hợp với từng loại cụ thể.

Cầu trục trong cỏc phõn xưởng phải đảm bảo quỏ trỡnh mở mỏy ờm, dảiđiều chỉnh rộng, dừng đỳng chớnh xỏc , đỳng nơi lấy và hạ hàng

Cỏc cơ cấu của cầu trục làm việc trong điều kiện cực kỳ nặng nề : tần sốđúng cắt lớn, chế độ quỏ độ xảy ra nhanh khi mở mỏy và đảo chiều

Cỏc khớ cụ, thiết bị điện trong hệ thống truyền động điện và trang bị điệncủa cầu trục phải làm việc tin cậy trong mọi điều kiện nghiệt ngó của mụitrường , nhằm nõng cao năng suất, an toàn trong vận hành

Động cơ truyền động của cầu trục mụ men thay đổi theo tải trọng rừ rệt.Khi khụng cú tải trọng ( khụng tải) mụmen của động cơ khụng vượt quỏ (15

Mômen động cơ phụ thuộc vào tải trọng1 - động cơ di chuyển xe cầu;

2 - Động cơ di chuyển xe con; 3 - Động cơ nâng – hạ

a)Các loại máy nâng - vận chuyển

b)

c)

d)

e)

Từ những đặc điểm trên ta có thể đưa ra yêu cầu cơ bản đối với hệ truyềnđộng và trang bị điện cho cơ cấu cầu trục

Để trang bị điện cho hệ thống truyền động của các cơ cấu của cầu trục taphải hiểu được nguyên lý hoạt động của các cơ cấu cơ và từ những đặc điểmcủa cầu trục như đã nêu trên ta có các yêu cầu cơ bản với hệ truyền động điệntruyền động các cơ cấu chính của cầu trục như sau :

1- Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động đơn giản

2- Các cơ cấu chấp hành có độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo, thay thế

5- Sơ đồ điều khiển cho từng động cơ riêng biệt, độc lập

6- Có công tác hành trình hạn chế hành trình tiến, lùi của xe cầu, xe con;hạn chế hành trình của cơ cấo nâng hạ

7- Đảm bảo hạ hàng ở tốc độ thâpó

8- Tự động cắt nguồn cấp khi có người làm việc trên xe cầu

* Yêu cầu cơ bản:

- Đặc tính cơ : Đường đặc tính cơ của hệ truyền động điện của các cơ cấuchính của cầu trục phải được bảo vệ 1 cách tin cậy khi quá tải có nghĩa là hệtruyền động phải tạo ra đặc tính của máy xúc

- Động cơ truyền động : Động cơ truyền động của các cơ cấu chính củacầu trục phải chắc chắn , khả năng chịu quá tải lớn , độ cách điện lớn, đảmbảo về quá nhiệt , chống Èm cao Động cơ phải chịu được tần số cắt lớn

- Động cơ truyền động các cơ cấu chính : Cầu trục phải có mômen quántính đủ để giảm thời gian quá độ khi mở máy và hãm nên chọn động cơ cóphần ứng dài, đường kính nhỏ

- Các thiết bị điều khiển : Các thiết bị điều khiển dùng trong cầu trục phảiđảm bảo làm việc tin cậy trong điều kiện nặng nề nhất độ rung động, chắcchắn lớn, phụ tải đột biến và tần số đóng cắt lớn

- Hệ thống điều khiển hệ truyền động :

Hệ thống điều khiển hệ truyền động các cơ cấu của cầu trục phải đảm bảođơn giản , chắc chắn , mức tự động hoá cao

Các cơ cấu truyền động của cầu trục trong quá trình làm việc thường bịquá tải , cho nên việc hạn chế mômen nhỏ hơn trị số cho phép ở chế độ tĩnh

và động là yêu cầu quan trọng bậc nhất Để cầu trục có năng suất cao nhấtđồng thời bảo vệ được các thiết bị không hỏng hóc khi quá tải cần thực hiện 2

- Hạn chế mô men dưới trị số cho phép.

- Đảm bảo độ cứng của đường đặc tính cơ trong phạm vi mômen phụ tảibằng mômen định mức của động cơ đường đặc tính có dạng như hình vẽ sau :

Trong thực tế thường dùng đường đặc tính cơ mềm hơn (đường 2 ) Độcứng của đường đặc tính cơ ở vùng phụ tải định mức đạt từ 85 90%) M độ cứngđường đặc tính cơ lý tưởng

II, YÊU CẦU VỀ TRANG BỊ ĐIỆN

1, Đặc tính cơ của hệ truyền động các cơ cấu của cầu trục

Cơ cấu nâng hạ , đẩy tay gầu và cơ cấu quay phải được bảo vệ 1 cách tincậy , khi quá tải có nghĩa là hệ thống truyền động phải tạo ra đặc tính của cầutrục

2, Động cơ truyền động của cơ cấu nâng – hạ : Giữ vai trò quan trọng

cầu trục, động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, nên khi chọn công suấtđộng cơ nên tính cả đến phụ tải động

3, Phanh hãm của cầu trục : phanh hãm là bộ phận không thể thiếu trong

cầu trục Phanh trong cầu trục gồm có 3 loại : Phanh guốc, phanh đĩa vàphanh đai Khi động cơ của cơ cấu đóng vào lứơi điện thì đồng thời cuộn dâycủa nam châm phanh hãm cũng có điện Lực hút của nam châm thắng lực cảncủa lò xo, giải phóng trục động cơ để động cơ làm việc Khi cắt điện , cuộn

0

dây nam châm cũng mất điện , lực căng của lò xo còng Ðp chặt má phanh vàotrục động cơ để hãm.

4, Các thiết bị điều khiển dùng trong cầu trục Hệ thống điều khiển hệ

truyền động các cơ cấu của cầu trục phải đảm bảo đơn giản , chắc chắn , mức

- Hạn chế mô men dưới trị số cho phép

- Đảm bảo độ cứng của đường đặc tính cơ trong phạm vi mômen phụ tải bằngmômen định mức của động cơ đường đặc tính có dạng đường đặc tính 1

Trong thực tế người ta thường dùng đặc tính cơ mềm hơn Như vậy đốivới truyền động của cầu trục phải đảm bảo tạo ra đường đặc tính cơ có cácyêu cầu cơ bản sau:

PHẦN II PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG

ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

A, GIỚI THIỆU CHUNG

I, KHÁI NIỆM CHUNG

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các máy sản suấtngày càng đa dạng và có nhiều chức năng dẫn tới hệ thống trang bị điện ngàycàng 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 sửdụng 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 mộtchiều 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 đòihỏi nhà thiết kế phải có sự so sánh logic dựa trên những chỉ tiêu về kỹ thuật

và kinh tế

II NỘI DUNG LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Trong thực tế, khi đứng trước một vấn đề sẽ có nhiều phương án giảiquyết Tuy nhiên mỗi phương án có những ưu, nhược điểm riêng và nhiệm vụcủa 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 caothì chỉ cần dùng các động cơ xoay chiều với hệ thống điều khiển đơn giản.Còn các hệ thống truyÒn động phức tạp có yêu cầu cao về chất lượng nhưđiều chỉnh trơn, dải điều chỉnh rộng, đảo chiều thì phải dùng động cơ mộtchiều, các hệ thống điều khiển đi với nó phải đảm bảo được các yêu cầu và cókhả năng tự động hoá cao

Như vậy, để chọn được hệ thống truyền động phù hợp với công nghệ củacầu trục chúng ta phải dựa vào công nghệ của máy từ đó đưa ra nhữngphương án đáp ứng được yêu cầu công nghệ này Để chọn được phương án tốtnhất 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 rấtquan trọng, nó quyết định đến chất lượng của hệ thống Do đó việc chọn lựaphương án của ta là chọn bộ biến đổi thông qua việc xét ở hệ thống (bộ biếnđổi - động cơ).

III, YÊU CẦU ĐỐI VỚI CÁC PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

1, Phạm vi điều chỉnh rộng : Với D = 2000 : 1 vì máy phải làm việc ởnhiều chế độ khác nhau khi tiến hành điều chỉnh tốc độ yêu cầu phạm vi điềuchỉnh rộng

2, Để đảm bảo chất lượng cao Do yêu cầu về điều chỉnh tốc độ phải là vôcấp bằng phẳng ( = 1). = 1)

3,Phải đảm bảo hệ thống làm việc ở chế độ duy trì đã đặt trước với mức

độ chính xác ngay cả khi thay đổi tốc độ truyền động chính ứng với 1 số tốc

độ của truyền động cơ cấu phải đảm bảo ổn định

4, Chuyển động của máy bao gồm : chuyển động tịnh tiến theo phươngngang, chuyển động sang trái , chuyển động sang phải, chuyển động lênxuống

5, Động cơ của cơ cấu nâng - hạ là động cơ một chiều kích từ độc lập,điều chỉnh tốc độ ở vùng tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức nên ta dùng phươngpháp điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ

6, Truyền động còn phụ thuộc vào quá trình hoạt động của máy Yêu cầutruyền động của cơ cấu nâng - hạ nhanh, việc dừng máy phải chính xác , thờigian quá độ nhỏ thay đổi tốc độ bằng thay đổi tốc độ động cơ điện

7, Hệ thống phải đảm bảo đảo chiều quay dễ dàng,nhanh chóng

8, Phải hạn chế được tốc độ.

9, Cần phải có hệ thống tín hiệu, liên động và phải bảo vệ được hệ thốngtruyền động điện làm việc an toàn chắc chắn và tin cậy

10, Cần phải đảm bảo kinh tế khi sử dụng, vận hành và sửa chữa

IV, PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

Hệ thống truyền động điện là tổ hợp nhiều thiết bị điện và cơ dùng để biếnđổi năng lượng từ dạng điện năng sang cơ năng, công việc khác nhau nên yêucầu điều chỉnh tốc độ của hệ thống phù hợp với phụ tải của máy sản xuất làmột yêu cầu quan trọng

Việc điều chỉnh tốc độ phù hợp với qui trình công nghệ của máy sản xuất

sẽ đảm bảo được chất lượng sản phẩm tăng năng suất lao động và an toàntrong quá trình sản xuất phần lớn các máy sản xuất đều yêu cầu là điều chỉnhtốc độ được Tuỳ từng tính chất công việc khác nhau mà phải điều chỉnh tốc

độ khác nhau song chúng phải tuân theo các chỉ tiêu kỹ thuật sau:

- Dải điều chỉnh tốc độ D  10

- Độ bằng phẳng khi điều chỉnh =  = 1)

i

1 i

Với điều kiện phụ tải PC = f(n) ; MC = f(n) Tuỳ theo yêu cầu của máy sảnxuất ta có phụ tải của nó phụ thuộc vào tốc độ bên cạnh đó việc so sánh lựachọn phương án hợp lý nhất có một ý nghĩa đặc biệt quan trọng nó được thểhiện qua các mặt :

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

+ Đảm bảo hệ thống làm việc tin cậy lâu dài

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

+ Khi xẩy ra hỏng hóc có thể sửa chữa, thay thế dễ dàng với các linh kiện,thiết bị dự trữ sẵn có, dễ kiếm, dễ mua

Tính kinh tế : Khi thiết kế hệ thống truyền động điện phải đảm bảo tính ưuviệt cảu phương án là vốn đầu tư thấp nhất nhưng hiệu quả sử dụng và năngsuất lao động cao nhất

Độ cứng đặc tính cơ được đặc trưng bằng độ sụt tốc độ khi phụ tải thayđổi , trong trang bị điện n  5%) M

Trong sản xuất có nhiều phương án điều chỉnh tốc độ khác nhau trong đóphương pháp đạt hiệu quả nhất và điều chỉnh dễ dàng nhất và được sử dụngrộng rãi nhất hiện nay là thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ điện 1chiều

II,CÁC PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

Để có được phương án truyền động phù hợp xét trên cả hai khía cạnh kỹthuật và kinh tế cho truyền động, ở đây em đưa ra một số phương án mà đápứng được các yêu cầu về kỹ thuật công nghệ của truyền động để từ đó làmcăn cứ chọn ra phương án tốt nhất

Yêu cầu công nghệ của truyền động ăn dao máy doa có những đặc điểmsau:

+ Phạm vi điều chỉnh:

D= 2000:1

+ Độ trơn khi điều chỉnh:

1 n

+ Hệ thống máy điện khuyếch đại - động cơ

+ MY: Máy điện khuếch đại từ trường ngang

+ ĐC: Động cơ xoay chiều 3 pha Rôto lồng sóc có nhiệm vụ kéo MY.+ CKĐ, CKF: là cuộn kích từ của động cơ và máy điện khuếch đại

+ KĐ: Khâu khuếch đại, thực hiện nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điềukhiển UĐK

+ U đ : là điện áp đặt

2, Hoạt động của hệ thống.

Giả sử động cơ sơ cấp Đ/C quay với tốc độ  = const, khi ta đặt vào hệthống một điện áp đặt Uđ , thông qua mạch khuếch đại, cuộn dây CKF đượccấp điện, MY được kích thích sẽ phát ra điện áp một chiều cấp cho động cơ

 động cơ quay

Do đặc điểm của MY là có cuộn dọc, cuộn ngang; cuộn ngang được nốingắn mạch nên có dòng điện lớn và sinh ra từ thông lớn Do vậy hệ thống có

hệ số khuếch 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 tăngqua mạch khuyếch đại ICKF tăng và Ud tăng  tốc độ động cơ tăng về trị sốyêu cầu

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

GVHD : TS Lâm Tự Tiến Trường ĐHKT CN TháiNguyên15 0

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

B, PHƯƠNG ÁN II Hệ thống van - động cơ (T - Đ )

b, Các phần tử của sơ đồ:

+ 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 nănglượng 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

2, Hoạt động của hệ thống.

Giả sử ban đầu hệ thống đã được đóng vào lưới với điện áp thích hợp, lúcnày 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 biếnđổi, nếu lúc này nhóm van nào đó đang được đặt điện áp thuận , van sẽ mởvới 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 độđộng 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 chophép thì quá trình diễn ra ngược lại Đây là nguyên lý ổn định tốc độ

+Phương trình đặc tÝnh cơ của hệ thống:

b KD d

d b d

d

cd b KD

d d

u b d

d

d b KD d

d b d

d

b

I K K K

R R K

U K K

n

I K

R R K

U K K I K

R R K

0max

0

+ MK : là mạch khoá van có nhiệm vụ tạo xung điện áp ngược đặt nênvan để khoá van.

+ T : Tiristo chức năng như một khoá đóng mở để băm điện áp nguồn mộtchiều

+ 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 khuếch đại, có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điện áp Uđk

Giả sử ban đầu ta đặt vào hệ thống một điện áp chủ đạo Uđ (khi hệ thống

đã được đóng vào nguồn một chiều) qua nút tổng hợp tín hiệu ta có:

Trong quá trình làm việc giả sử nguyên nhân nào đó mà tốc độ động cơgiảm khi đó qua mạch phản hồi âm tốc độ ta có:

Uđk = Uđ - n

Khi n giảm  Uđk tăng  t1= KUđk tăng  Eb tăng và tốc độ động cơ sẽtăng về giá trị đặt.

Nếu tốc độ động cơ tăng quá tốc độ đặt thì quá trình diễn ra ngược lại.Đây là nguyên lý ổn định tốc độ

d d CK

cd 1

cd 1 dk 1

1

d d b d d CK 1 d

d b d d

b

I K K T

R R K

K T

U K n

) n U ( K u K

t

I K

R R K

T

U t I K

R R K

Đây là phương trình đặc tính cơ của hệ thống, từ phương trình này ta có

họ đặc tính cơ của hệ thống như hình vẽ:

0max

0

a, Ưu điểm:

+ Hệ thống này được dùng ở những nơi có nguồn một chiều có công suấtlớn hơn nhiều công suất của động cơ và khi đó trong sơ đồ thay thế có thể bỏqua Rb và đặc tính cơ có độ cứng cao

+ 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

5 Chọn phương án truyền động.

Trong cả ba phương án đưa ra đều đáp ứng được yêu cầu công nghệ củatruyền động 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 haiphương án còn lại

Trong hai phương án còn lại ta thấy rằng phương án III đòi hỏi phải cónguồn một chiều với công suất lớn, điều này không phải nhà máy cơ khí nàocũng 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 ánII

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

( D= 2000:1) Như vậy nếu sử dụng phương án III ở vùng tốc độ thấp hệthống rất dễ rơi vào làm việc ở chế độ dòng gián đoạn Mà muốn khác phụcđiều 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 cầutrục

PHẦN III THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

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

+ Mạch điều khiển

Mạch động lực là phần tử trực tiếp thực hiện các quá trình năng lượngtheo yêu cầu công nghệ đặt ra Mạch điều khiển có chức năng điều khiểnmạch động lực thực hiện các quá trình công nghệ Như vậy khi thiết kế sơ đồnguyên lý phải đi từ mạch động lực.

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

B LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐẢO CHIỀU:

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

Khi thực hiện đảo chiều quay của động cơ bằng đảo chiều dòng kích từ thì

ta phải giảm điện áp đặt vào phần ứng động cơ vì nếu không động cơ có nguy

cơ bị ngắn mạch Ta biết rằng:

Iu URu E U RK

u

u u

Khi  = 0 ( Rư rất nhỏ ) thì Iư tăng rất lớn có nguy cơ phá hỏng động cơ.Như vậy khi thực hiện đảo chiều dòng kích từ (để đảm bảo an toàn) thì thờigian đảo chiều lớn làm giảm năng suất của hệ thống

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

2 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 việcthường xuyên đảo chiều, mỗi lần đảo chiều dòng hồ quang một chiều sẽ làmmòn tiếp điểm Mặt khác, khi đó vùng hãm tái sinh nhỏ, vùng hãm ngược lớngây giật và quá trình hãm ngược còn làm dòng phần ứng lớn vì:

u

u u

Dòng điện này có giá rị rất lớn

* Khi sử dụng sơ đồ đấu chéo mạch lại trở nên phức tạp đòi hỏi máybiến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp

* Khi dùng hai BBĐ đấu song song ngược sẽ đảm bảo khắc phục hếtnhững nhược điểm của các phương pháp kia, hơn nữa truyền động của ta đòihỏi

đảo chiÒu nhanh nên phương án này là phù hợp hơn cả.

C LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN

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

+ Điều khiển độc lập (điều khiển riêng)

+ Điều khiển phối hợp (điều khiển chung)

1 Điều khiển độc lập.

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 sẽkhoá lại và ngược lại Phương pháp này có ưu điểm là không phát sinh dòngcân bằng song nhược điểm của nó là thời gian đảo chiều lớn Vì để đảm bảocho sơ đồ làm việc an toàn thì yêu cầu phải có thời gian ngừng dòng để chocác van của bộ biến đổi làm việc ở giai đoạn trước phục hồi lại tính chất điềukhiển 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 giảmthời gian ngừng dòng xuống cực tiểu nhờ những mạch kiểm tra tác độngnhanh

2 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

* Phương pháp này có ưu điểm: là đảo chiều nhanh, quan hệ giữa điện áptrung bình ra và Uđk là đơn trị Song nhược điểm của nó là: làm phát sinh dòngcân bằng gây tổn thất trong BBĐ dẫn đến phải tăng công suất tính toán củacác phần tử Tuy nhiên, điều này có thể khắc phục bằng cách mắc thêm cáccuộn kháng cân 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 nhượcđiểm 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 lớnlàm xấu các chỉ tiêu chất lượng động khi tải có sức điện động lớn và tải cóđiện cảm lớn

Từ những phân tích như vậy ta chọn phương pháp điều khiển phối hợptuyến tính

cd

Thuyết minh sơ đồ.

Ban đầu đưa hệ thống vào làm việc, ta đóng cầu dao CD hệ thống đượccấp 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 lưuthì 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 ởBBĐ1 với góc mở

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

0c

u u

u

) 2

u u ( u 2

u u

u

2 1 d

2 1 1 cb 1

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

Nguyên lý làm việc của BBĐ.

Ta chỉ cần xét cho BBĐ1 Bộ còn lại làm việc tương tự

Giả thiết tải có Ld= Cho sơ đồ làm việc với góc mở  và giả thiết sơ đồ

đã làm việc xác lập trước thời điểm xét (t=0)

Ta tạm giả thiết rằngtrước thời điểm t = 1 =  =/6 thì trong sơ đồ vanT3 đang dẫn dòng và các van khác còn đang ở trạng thái khoá Khi đó trênvan T1 sẽ có điện áp thuận (vì uT1= ua-uc và tại t = 1=  =/6 thì uac > 0 nên

uT1 > 0) Tại t = 1 =  = /6 thì thì T1 có tín hiệu điều khiển T1 có đủ 2 điềukiện để mở nên T1 mở và uT1 giảm về bằng 0 Do uT1 = 0 nên ud= ua, và từ sơ

đồ ta xác định được uT3= uc- ua < 0  T3 bị đặt điện áp ngược nên T3 khoá lại,van T2 thì vẫn khoá Như vậy trong khoảng sau 1 trong sơ đồ chỉ có T1 dẫndòng, khi đó:

ud = ua; iT1 = id = Id; iT2 = iT3 = 0;

uT1 = 0; uT2 = uba; uT3 = uca

Đến t= 5/6 thì ua= ub, đây là thời điểm mở tự nhiên của T2, nhưng T2

chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển Do ua vẫn dương kết hợp với Sđđ tựcảm cùng chiều trong Ld mà T1 vẫn tiếp tục dẫn dòng đến t =  thì ua = 0 vàsau đó chhuyển sang âm nhưng T2 còn chưa mở nên T1 vẫn tiếp tục làm việcnhờ Sđđ tự cảm của Ld (ở đây  > 300)

Tại t= 2= 5/6 +  thì T2 có tín hiệu điều khiển và do đang có điện ápthuận nên T2 mở uT2 giảm về = 0 nên ud = ub và uT1 = ua – ub < 0  T1 bị đặt

điện áp ngược  T1 khoá lại Như vậy từ 2 trong sơ đồ chỉ có van T2 dẫndòng, khi đó:

t = 3  t = 4 với van T3 đang làm việc Điều này hoàn toàn phù hợp vớigiả thiết ban đầu

Các biểu thức tính toán cơ bản của sơ đồ:

ud = udo cos 

với

Ta có giản đồ điện áp và dòng điện 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

U U

U

I I

I I

u u

u

2 max

Tng max

Tth

d T

d Ttb

2 2

do

.63

3

17.12

63

nhỏ nên với một ucb nhỏ còng sinh ra dòng icb có biên độ lớn có nguy cơ pháhỏng các van, vì vậy phải có biện pháp hạn chế dòng icb này Trong sơ đồ sửdụng hai cuộn kháng CK1 và CK2 có Lk lớn để đảm bảo Icb  10%) M Id

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

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

GVHD : TS Lâm Tự Tiến Trường ĐHKT CN TháiNguyên33

B/ 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 thờiđiểm mong muốn ta cần phải có các mạch điện phát ra các xung điều khiểnđưa đến mở các tiristo tại các thời điểm yêu cầu Xung điều khiển phải đápứng đủ các yêu cầu như: biên độ, công suất và thời gian tồn tại để mở chắcchắn các van với mọi loại tải mà sơ đồ gặp phải khi làm việc Thông thườngđối với các bộ chỉnh lưu thì độ rộng xung nằm trong khoảng từ (200 - 600) s

là đảm bảo mở chắc chắn 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 điềukhiển đưa ra các xung suất hiện trên cực điều khiển của các tiristo đúng thờiđiểm cần mở và lặp đi lặp lại với chu kì thường bằng chu kì nguồn xoaychiều cấp cho bộ chỉnh lưu (ngoài ra trong một số trường hợp chu kì xung cóthể 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 cácchuỗi xung điều khiển với tần số thường cao hơn nhiều lần tần số nguồn cungcấp và trong quá trình làm việc tần số xung được tự động thay đổi để đảm bảomột 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 giữa tín hiệu đặt và tín hiệu ra của

đại lượng cần ổn định Các hệ thống điều khiển theo nguyên tắc này khá phứctạp nên Ýt được dùng, ở đây ta chỉ nghiên cứu hệ thống thứ nhất.

2.Thiết kế mạch điều khiển.

a, Lựa chọn phương pháp phát xung:

Các hệ thống điều khiển đồng bộ hiện nay thường sử dụng ba phươngpháp 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

*, 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 hiệuđiện áp tựa hình răng cưa thay đổi theo chu kì điện áp lưới và có thời điểmxuất hiện phù hợp góc pha của lưới với điện áp điều khiển một chiều có trị sốthay đổi được

Hệ thống này có nhược điểm là khá phức tạp, song nó có những ưu điểmnổi bật như: khoảng điều chỉnh góc mở  rộng, Ýt phụ thuộc vào sự thay đổicủa điện áp nguồn, dễ tự động hoá, mỗi chu kì của điện áp anốt của tiristo chỉ

có một xung được đưa đÕn mở nên giảm tổn thất trong mạch điều khiển

Do đó hệ thống này được sử dung rộng rãi

*, 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 răngcưa xuất hiện theo chu kì nguồn xoay chiều với điện áp mở của UJT Phươngpháp này mặc dù đơn giản nhưng có nhược điểm là góc mở  có phạm vi điềuchỉnh hẹp vì ngưỡng mở của UJT phụ thuộc vào điện áp nguồn nuôi Mặt

khác, trong mét chu kì điện áp lưới mạch thường đưa ra nhiều xung điềukhiển nên gây tổn thất phụ trong mạch điều khiển.

*, 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 sốbằng tần số nguồn và có góc pha điều khiển được, (sử dụng các cầu R- C hoặccầu R - L) Thời điểm xuất hiện xung trùng với góc pha đầu của điện áp điềukhiển Phương pháp này có nhược điểm là: khoảng điều chỉnh góc mở  hẹp,rất nhạy với sự thay đổi của dạng điện áp nguồn, khó tổng hợp nhiều tín hiệuđiều khiển do vậy thường Ýt được sử dụng

*, Lựa chọn phương pháp điều khiển.

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

vì vậy ta chọn phương pháp này để thiết kế cho mạch điều khiển của hệthống

b, Sơ đồ khối mạch điều khiển theo pha đứng:

+ Khối 1: Khối đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa Khối này có nhiệm vụlấy tín hiệu đồng bộ hoá và phát ra sóng điện áp hình răng cưa để đưa vàokhối so sánh

+ Khối 2: Khối so sánh, có nhiệm vụ so sánh giữa tín hiệu điện áp tựahình răng cưa với điện áp điều khiển uđk để phát ra tín hiệu xung điện áp đưatới mạch tạo xung.

+ Khối 3: Khối tạo xung, có nhiệm vụ tạo ra các xung điều khiển đưa tớichân điều khiển của tiristo

* Mạch đồng bộ hoá:

Để thực hiện chức năng đồng bộ hoá, ta có thể sử dụng mạch phân ápbằng điện trở hay kết hợp giữa điện trở và điện dung, điện cảm Tuy nhiên,phương pháp này có nhược điểm là không cách ly được điện áp cao giữamạch động lực và mạch điều khiển, do vậy phương pháp này Ýt được dùng.Phương pháp phổ biến hiện nay là sử dụng máy biến áp đồng bộ trong đócuộn sơ cấp nối vào lưới còn cuộn thứ cấp là điện áp đồng bộ Góc lệch phagiữa cuộn sơ và cuộn thứ được tính toán sao cho góc pha của uđb phù hợp vớithời điểm mở tự nhiên của các Tiristo

Với sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha ta có thể dùng một máy biến áp đấu

 - YO để thực hiện chức năng này Sơ đồ đấu dây và đồ thị véctơ như hìnhvẽ:

Có rất nhiều sơ đồ có thể tạo ra sóng răng cưa Tuy nhiên, để tạo ra đượcquan hệ góc mở : 2 + 2 = 1800 ta cần có dạng điện áp răng cưa rất chínhxác Ta nghiên cứu một số sơ đồ để tìm ra sơ đồ đáp ứng được yêu cầu này.

+) Sơ đồ sử dụng diốt - điện trở - tụ điện – tranrito.

- Sơ đồ mạch:

- Nguyên lý hoạt động:

Giả thiết tại t = 0 điện áp trên tụ uc = 0 khi uđb bắt đầu chuyển sang dươngthì diốt D mở, sụt áp trên R2 làm tranrito Tr1 khoá và tụ C được nạp từ nguồnmột chiều với quan hệ:

uc = Ucc ( 1 - e-t/RC )

ở nửa chu kỳ sau , D khoá ,tranrito mở nhờ điện trở định thiên R1, R2 tô C

sẽ phóng điện qua R4, điện áp trên tụ trở về 0 và chuẩn bị cho chu kỳ tiếptheo

- Giản đồ điện áp: nếu ta coi diện áp trên R4 và tranrito khi tụ phóng lànhỏ thì giản đồ điện áp có dạng:

Tr1

urc

+Ucc R3

Điện áp răng cưa của tụ có dạng:

 uR4 + uBET2 = uDz = const (điện áp ổn định trên đi ốt ổn áp zener)

 IET2.R4 + uBET2 = uDz = const

Mặt khác: IET2 = IBT2 = ICT2 ≈ ICT2 (vì IB << IC)

Ta giả thiết vì lý do nào đó làm dòng ICT2 tăng quá giá trị ổn định, điều nàylàm IET2 cũng tăng theo  IET2.R4 tăng, nghĩa là uBET2 phải giảm  Tr2 dẫndòng kém đi và vì thế mà ICT2 giảm dần về giá trị ổn định Nếu vì một lý donào khác làm cho dòng ICT2 giảm thì quá trình diễn ra hoàn toàn ngược lại.Như vậy dòng ICT2 được giữ ổn định, hay nói cách khác dòng nạp cho tô C cógiá trị không đổi

Dz

R4

+Ucc

Ta có giản đồ điện áp như hình vẽ:

Nhận xét:

Sơ đồ ày cho dạng điện áp răng cưa chính xác nhưng do có điện trở bảo vệ

R3 mà điện áp trên tụ không giảm xuống 0(v) được Mặt khác, điện trở tải nhỏ