Đề tài Tổng quan về truyền động điện một chiều, đi sâu thiết kế bộ điều khiển động cơ điện một chiều có ổn định tốc độ

năng khi dũng kớch thớch mỏy phỏt bằng khụng, hóm tỏi sinh khi giảm tốc độ hoặc khi đảo chiều dũng kớch từ, hóm ngược ở cuối giai đoạn hóm tỏi sinh khi đảo chiều hoặc khi làm việc ổn định với mụmen tải cú tớnh chất thế năng Hệ F - Đ cú đặc tớnh cơ điện cả bốn gúc phần tư của mặt phẳng toạ độ [ , M]. Ở gúc phần tư thứ I và thứ III, tốc độ quay và mụmen quay của động cơ luụn cựng chiều nhau, sức điện động mỏy phỏt và động cơ cú chiều xung đối nhau và EE F , c . Cụng suất điện từ của mỏy phỏt và động cơ là: PF = EF.I > 0 PĐ = E.I < 0 (2-10) Pcơ = M . > 0 UđkU iKF UKF ~ ĐK F Đ UF =UĐ F MS M ~ Uđk UKĐ iKĐ Hình 2-4. Sơ đồ nguyên lý máy phát động cơ 33 Cỏc biểu thức này núi lờn rằng năng lượng được vận chuyển thuận chiều từ nguồn mỏy phỏt động cơ tải. Vựng hóm tỏi sinh nằm ở gúc phần tư thứ II và thứ IV, lỳc này do o nờn FEE , mặc dự E, EF mắc xung đối nhưng phần ứng lại chảy ngược từ động cơ về mỏy phỏt làm cho mụmen quay ngược chiều tốc độ quay. Cụng suất điện từ của mỏy phỏt, cụng suất điện từ và cụng suất cơ học của động cơ là : M E EF I R iKFđm iKĐđm iKFđm , i KĐmin M E E F F I R iKFđm , i KĐmin iKFđm, iKĐđm M E E F F I R M E E F I R b) a) Hình 2-5. Đặc tính cơ hệ F-D. a) Trong chế độ động cơ; b) Trong chế độ hãm tái sinh M M o o iKF : van i KĐ = const 34 PF = EF.I < 0 PĐ = E.I > 0 (2-11) Pcơ = M. < 0 Chỉ do dũng điện đổi chiều mà cỏc bất đẳng thức (2 - 11) trở nờn ngược chiều với cỏc bất đẳng thức tương ứng (2 - 10), năng lượng được chuyển vận theo chiều từ tải động cơ mỏy phỏt nguồn, mỏy phỏt F và động cơ Đ đổi chức năng cho nhau. Hóm tỏi sinh trong hệ F - Đ được khai thỏc triệt để khi giảm tốc độ, khi hóm để đảo chiều quay và khi làm việc ổn định với tải cú tớnh chất thế năng. Vựng hóm ngược của động cơ trong hệ F - Đ được giới hạn bởi đặc tớnh hóm động năng và trục mụmen. Sức điện động E của động cơ trở nờn cựng chiều sđđ mỏy phỏt hoặc do rụto bị kộo quay ngược bởi ngoại lực của tải thế năng, hoặc do chớnh sđđ mỏy phỏt đảo dấu. Biểu thức tớnh cụng suất sẽ là: PF = EF.I > 0 PĐ = E.I > 0 Pcơ = M. < 0 M M E E F F I R M E E F I R Hình 2 -6. Đặc tính cơ hệ F-Đ trong chế độ hãm ng-ợc. 35 Hai nguồn sđđ E và EF cựng chiều và cựng cung cấp cho điện trở mạch phần ứng tạo thành nhiệt năng tiờu tỏn trờn đú. Để cú hỡnh ảnh mụ tả tất cả cỏc trạng thỏi làm việc của hệ F - Đ, xột một vớ dụ phụ tải cú mụmen ma sỏt, tức là khi chiều chuyển động đảo dấu thỡ mụmen cũng đảo dấu (hỡnh 2-8). Trong quỏ trỡnh xột ta bỏ qua quỏ trỡnh quỏ độ điện từ của mạch. Giả thiết hệ đang làm việc tại điểm A cú MA = MC, EF = EFA và = A. Khi cho lệnh hóm đảo chiều thỡ giảm nhanh EF, điểm làm việc chuyển sang điểm B, từ B, nếu giữ tốc độ giảm EF thớch hợp với quỏn tớnh của hệ thỡ cú thể giữ cho mụmen điện từ của động cơ là hằng số, do đú tốc độ sẽ giảm tuyến tớnh theo thời gian. Tại điểm C kết thỳc quỏ trỡnh hóm tỏi sinh, với năng lượng tỏi sinh là: dtt.M c o t t ts . Đoạn CD là đoạn hóm ngược vỡ EF đó đổi dấu mà E = K . chưa đổi dấu. Tại D tốc độ động cơ bằng khụng nhưng do vẫn tồn tại mụmen hóm nờn động cơ được khởi động ngược lại. Đoạn DA của quỏ trỡnh động cơ cú tốc độ và mụmen cựng chiều, trong đú ở đoạn EA mụmen động cơ giảm dần, tốc độ biến thiờn theo luật hàm mũ. -Mc A’ D C E MI D’ B’ E’ , E oA A o oA ’ A ’ B Hỡnh 2-7. Chuyển đổi trạng thỏi của hệ thống 36 2.4.3. Đặc điểm của hệ F- Đ. Cỏc chỉ tiờu chất lượng của hệ F - Đ về cơ bản tương tự cỏc chỉ tiờu của hệ điều ỏp dụng bộ biến đổi núi chung. Ưu điểm nổi bật của hệ F - Đ là sự chuyển đổi trạng thỏi làm việc rất linh hoạt, khả năng quỏ tải lớn. Do vậy, thường sử dụng hệ truyền động F - Đ ở cỏc mỏy khai thỏc trong cụng ngiệp mỏ. Nhược điểm quan trọng nhất của hệ F - Đ là dựng nhiều mỏy điện quay, trong đú ớt nhất là hai mỏy điện một chiều, gõy ồn lớn, cụng suất lắp đặt mỏy ớt nhất gấp ba lần cụng suất động cơ chấp hành. Ngoài ra, do cỏc mỏy phỏt một chiều cú từ dư, đặc tớnh từ hoỏ cú trễ nờn khú điều chỉnh sõu tốc độ. 2.5. hệ thống chỉnh l-u - động cơ một chiều. 2.5.1. Chỉnh lưu bỏn dẫn làm việc với động cơ điện Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển - động cơ một chiều (CL- Đ), bộ biến đổi điện là cỏc mạch chỉnh lưu điều khiển cú sđđ Ed phụ thuộc vào giỏ trị của pha xung điều khiển (gúc điều khiển). Chỉnh lưu cú thể dựng làm nguồn điều chỉnh điện ỏp phần ứng hoặc dũng điện kớch thớch động cơ. Tuỳ theo yờu cầu cụ thể của truyền động mà cú thể dựng cỏc sơ đồ chỉnh lưu thớch hợp, để phõn biệt chỳng cú thể căn cứ vào cỏc dấu hiệu sau đõy: - Số pha: 1 pha, 3 pha, 6 pha v.v, - Sơ đồ nối: hỡnh tia, hỡnh cầu, đối xứng và khụng đối xứng, - Số nhịp: số xung ỏp đập mạch trong thời gian một chu kỳ điện ỏp nguồn, - Khoảng điều chỉnh: là vị trớ của đặc tớnh ngoài trờn mặt phẳng toạ độ [ Ud,Id], - Chế độ năng lượng: chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc, - Tớnh chất dũng tải: liờn tục, giỏn đoạn. Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và vào cỏc tớnh chất của tải, trong truyền động điện, tải của chỉnh lưu thường là cuộn kớch từ (L - R) hoặc là mạch phần ứng động cơ (L - R - E). 37 - Cỏc bộ chỉnh lưu đảo chiều dựng cho động cơ 1 chiều cần quay theo cả 2 chiều với chế độ làm việc ở cả 4 gúc điều chỉnh. - Tuỳ theo yờu cầu về chất lượng điều chỉnh mà cú thể sử dụng cỏc sơ đồ. Ở đồ ỏn này ta chọn bộ biến đổi là sơ đồ cầu một pha đối xứng. Nguyờn lý hoạt động. Tại thời điểm t = 0  vỡ chưa cú xung G1,2( ) nờn khụng cú van nào mở cả. Khi t=  Cú xung G1, 2 Cỏc van V1, V2 mở Ud = U2; i2 = iV1= iV2 = id Tại t= tải thuần trở dũng giảm về 0, điện ỏp giảm về 0 (Ud=0). Khi t=  điện ỏp đổi chiều nờn van V1, V2 khoỏ, vỡ chưa cú xung G3,4 nờn cỏc van V3, V4 vẫn chưa mở. Đến thời điểm t =  2 lỳc này mới đưa xung G3,4 do đú cỏc van V3, V4 mở : Ud = U2, i2 = iV3 = iV4 = id. Như vậy, điện ỏp và dũng điện trờn tải là một chiều. Bằng cỏch thay đổi thời gian mở van ta cú thể thay đổi được giỏ trị trung bỡnh trờn tải ta cú điện ỏp dõy: 2 cos1 U 2 cos1 U 22 dsinU2 1 dU 1 dU 2 1 U 0d 22ddd Cụng suất tỏc dụng : cosIUP 11 Cụng suất của mỏy biến ỏp: S = 1,23 . Pd ~ Zt V 1 V2 V 3 V 4 Hình 2-8. Sơ đồ cầu 1 pha đối xứng 38 Đồ thị điện ỏp và dũng điện ứng với gúc: 0120 2.5.2. Khảo sỏt đồ thị điện ỏp và dũng điện tại đầu ra của bộ chỉnh lưu với gúc mở khỏc nhau và với tải động cơ. V 1 V 2 V 4 V 3 M 180V ~ Hình 2 -10. Sơ đồ mạch T- Đ U2 UG1 UG2 Ud Id UV3,4 UV1,2 Hình 2 -9. Đồ thị điện áp và dòng điện sau chỉnh l-u cầu 1 pha tải R 39 Dựa trờn sơ đồ mạch điện và cỏc đồ thị trờn mỏy hiện súng. Thuyết minh đồ thị dũng điện và điện ỏp tại đầu ra của bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển được động cơ và khụng nối tải phản hồi: Hình 2-11. Đặc tính tải dòng gián đoạn Thuyết minh: nhỡn vào sơ đồ ta thấy điện ỏp tại đầu chỉnh lưu luụn dương vỡ: Khi cỏc van V1,V2 mỏ thỡ cú dũng điện qua động cơ một chiều (đó được cấp kớch từ) động cơ được khởi động và tốc độ tăng dần. U = E + Iư . Rư Đến thời điểm t = điện ỏp đổi chiều cỏc van V1, V2 khoỏ và V3, V4 chưa mở lỳc này I = 0. Nhưng động cơ đang quay lỳc này động cơ ở chế độ mỏy phỏt: U = E Do đú điện ỏp luụn dương . Thay đổi gúc mở từ 1800 về giỏ trị nhỏ hơn 900 ta thấy tốc độ động cơ tăng dần. U2 Ud Id 0135 40 Ch-ơng 3 Thiết kế bộ điều khiển động cơ điện một chiều có ổn định tốc độ 3.1. tổng hợp hệ thống truyền động điện một chiều. Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu một chiều cấp điện cho động cơ điện một chiều. Chọn thụng số cơ bản của động cơ điện một chiều: Uưđm=240V, Pđm= 2,2KV, Iưđm =10A , nđm =1500 v/p, Ukt =240V. 3.1.1. Đặt vấn đề. Việc tổng hợp hệ thống gồm cú hai nhiệm vụ xỏc định cấu trỳc và xỏc định tham số của bộ biến đổi. Trong cỏc hệ truyền động điện hiện đại, cỏc mạch vũng điều chỉnh được nối theo cấp, độc lập tương đối với nhau, việc phõn vựng tỏc dụng giữa ổn định tốc độ và hạn chế dũng điện được thực hiện bằng dạng phi tuyến của dạng điều chỉnh. Sơ đồ đơn giản nhất gồm hai vũng điều chỉnh: vũng điều chỉnh dũng điện ở trong cú bộ điều chỉnh dũng điện RI, vũng điều chỉnh tốc độ cú bộ điều chỉnh tốc độ R , bộ điều chỉnh này cú đặc tớnh khuếch đại, cú vựng bóo hoà hỡnh (3 - 1, b). Điện ỏp đầu ra của R là điện ỏp đặt dũng điện phần ứng Uiđ, giỏ trị bóo hoà uiđmax chớnh là giỏ trị đạt cực đại của dũng điện phần ứng. Bộ điều chỉnh dũng điện RI trong mạch vũng cú nhiệm vụ duy trỡ dũng điện phần ứng luụn bằng giỏ trị đặt (Uiđ), bất kể hệ thống đang làm việc ổn định hay đang trong quỏ trỡnh quỏ độ. Như vậy, mạch vũng điện được điều khiển bởi tớn hiệu Uiđ. Vỡ dũng điện là đại lượng biến thiờn nhanh nờn sai lệch i luụn nhỏ, bộ điều chỉnh RI luụn làm việc ở vựng tuyến tớnh của đặc tớnh điều chỉnh. 41 Khi bắt đầu quỏ trỡnh thay đổi tốc độ, giả sử xột khi khởi động động cơ. Do cú sự thay đổi đột ngột của U đ trong khi U chưa thay đổi kịp do quỏn tớnh cơ học của hệ, nờn sai lệch đầu vào = U đ - U cú giỏ trị lớn. Điểm làm việc của R sẽ ở rất sõu trong vựng bóo hoà của đặc tớnh điều chỉnh, tớn hiệu ra của R sẽ là Uiđ = Uiđmax = const, mạch vũng tốc độ bị “ngắt” ra khỏi sơ đồ. Do hoạt động của mạch vũng dũng điện mà dũng điện phần ứng được duy trỡ ở giỏ trị I = Iđmax tương ứng tớn hiệu vào của mạch vũng là Uiđmax, điểm bắt đầu khởi động là điểm A trờn hỡnh 3 - 1,c. động cơ bắt đầu được tăng tốc độ với gia tốc dt d (K. đm. Iđmax - Mc)/ J K KI BĐ Đ FT I -Ui -U Ui đ i Uđk RI Uiđ Uiđmax1 Uiđmax2 B 0 B C 0 = 0 I,M Iđmax1 Iđmax2 m A a) b) c) Hình 3 -1. Điều chỉnh dòng điện trong các hệ nhiều vòng: a) Sơ đồ khối; b) Đặc tính điều chỉnh của bộ điều chỉnh tốc độ; c) Đặc tính cơ R CK Uđ 42 Mặc dự sau đú tốc độ động cơ tăng dần lờn nhưng dũng điện phần ứng vẫn được duy trỡ ở giỏ trị I = Iđmax chừng nào mà bộ điều chỉnh tốc độ R chưa ra khỏi vựng bóo hoà, tức là chưa được “nối” lại vào sơ đồ. Đoạn đặc tớnh cơ khi khởi động là đoạn BC, cú độ cứng bằng khụng và dũng điện khụng đổi. Tại điểm làm việc B tốc độ động cơ = B sao cho = B, điểm làm việc của R bắt đầu ra khỏi vựng bóo hoà và lọt vào vựng tuyến tớnh của đặc tớnh, mạch vũng tốc độ bắt đầu phỏt huy tỏc dụng điều chỉnh cựng với mạch vũng dũng điện tạo đoạn đặc tớnh BC cú độ cứng m thoả món đạt độ chớnh xỏc cao. Quỏ trỡnh quỏ độ khi hóm, điều chỉnh tốc độ và khi quỏ tải lớn cũng xảy ra tương tự như trờn. Về cấu trỳc hệ thống, ta chấp nhận cấu trỳc hệ điều khiển phõn cấp với cỏc bộ điều khiển RI, R theo luật PI số. Về giỏ trị cỏc tham số của cỏc bộ điều khiển RI, R cú thể xỏc định nhờ cỏc phương phỏp nghiờn cứu thụng thường: phương phỏp mụđun tối ưu, hoặc phương phỏp mụđun đối xứng. Ta đó biết: bộ điều khiển PI cú hai tham số cần xỏc định. Cỏc tham số này sau khi tổng hợp cần đảm bảo: 1) Hệ ổn định. 2) Sai số tĩnh bằng khụng. 3) Thời gian quỏ độ đạt yờu cầu đề ra. 4) Độ quỏ điều chỉnh nằm trong giới hạn cho phộp. 5) Số lần dao động nhỏ hơn giỏ trị cho phộp. Cỏc tham số của bộ điều khiển PI ngoài phụ thuộc vào cỏc tham số của hệ thống, cũn phụ thuộc thời gian lượng tử T. Để nghiờn cứu tổng quỏt, ta dựng mỏy tớnh để tỡm một loạt nghiệm theo nhiều giỏ trị của T: RI = f(T, Kp,Kw) Rw = f(T, Kp, KI) 43 Và sau đú ta chọn cỏc giỏ trị tốt nhất. 44 3.1.2. Lập mụ tả toỏn học của cỏc khõu và phần tử cú trong sơ đồ. a. Chế độ xỏc lập của động cơ điện một chiều kớch từ độc lập. Khi đặt dõy quấn kớch từ một điện ỏp uk nào đú thỡ trong dõy quấn kớch từ sẽ cú dũng điện ik và dũng điện đú mạch từ của mỏy sẽ cú từ thụng . Tiếp đú đặt một giỏ trị điện ỏp U lờn mạch phần ứng thỡ trong dõy quấn phần ứng sẽ cú dũng điện I chạy qua. Tương tỏc giữa dũng điện phần ứng và từ thụng kớch từ tạo thành mụmen điện từ, giỏ trị của mụmen điện từ được tớnh như sau: I.. a.2 N'.p M kI π Trong đú p’ - số đụi cực của động cơ; N - số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ; a - số thanh song song của dõy quấn phần ứng; k = pN/2 a - hệ số kết cấu của mỏy. Mụmen điện từ kộo cho phần ứng quay quanh trục, cỏc dõy quấn phần ứng quột qua từ thụng và trong cỏc dõy quấn này cảm ứng sức điện động (s.đ.đ): ..k. a.2 N'.p E ωω π trong đú - tốc độ gúc của rụto. Trong chế độ xỏc lập, cú thể tớnh được tốc độ qua phương trỡnh cõn bằng điện ỏp phần ứng: k IRU -ω trong đú Rư - điện trở mạch phần ứng của động cơ. Họ đặc tớnh cơ M( ) của động cơ một chiều khi từ thụng khụng đổi (hỡnh 3 - 2) 45 b. Chế độ quỏ độ của động cơ điện một chiều kớch từ độc lập. Khi dũng điện kớch từ động cơ khụng đổi, hoặc khi động cơ được kớch thớch bằng nam chõm vĩnh cửu thỡ từ thụng kớch từ là hằng số K = const. Với động cơ điện một chiều, những phương trỡnh cơ bản đó tuyến tớnh hoỏ viết dưới dạng ảnh laplace (với điều kiện đầu bài bằng 0) cú dạng sau: Uư(p) = Rư.Iư(p) + Lư.p.Iư(p) + K . (p) M(p) +Mc(p) = J.p. (p) => Iư(p)= p.LR p..KpU -- - ω Với Tư =Lư/ Rư Sơ đồ cấu trỳc động cơ khi từ thụng khụng đổi được thể hiện trờn (hỡnh 3-3). Bằng phương phỏp đại số sơ đồ cấu trỳc ta cú sơ đồ thu gọn (hỡnh 3-4), trong đú đặt: Kđ = 1/ K - hệ số khuếch đại động cơ; Tc = hằng số thời gian cơ học. 1/R- 1+p.T- K K 1 Jp - Mc -E-(p) U-(p) I-(p) M (p) Hình 3-3. Sơ đồ cấu trúc từ thông không đổi Hình 3-2. Đặc tính cơ động cơ điện một chiều M 46 1pTpTT K pM R T.ppU pI c 2 c- c - c- - 3.1.3. Tổng hợp mạch vũng dũng điện. a. Khỏi niệm mạch vũng điều chỉnh dũng điện. Trong cỏc hệ thống truyền động tự động cũng như cỏc hệ chấp hành thỡ mạch vũng điều chỉnh dũng điện là mạch vũng cơ bản. Chức năng cơ bản của mạch vũng dũng điện trong cỏc hệ thống truyền động một chiều và xoay chiều là trực tiếp hoặc giỏn tiếp xỏc định mụ men kộo của động cơ, ngoài ra cũn cú chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc Kđ T-Tcp 2 + Tcp + 1 pT1 K R c2 - T-Tcp 2 + Tcp + 1 U-(p) (p) a) p. R T - c T-Tcp 2 + Tcp + 1 Kđ T-Tcp 2 + Tcp + 1 U-(p) I-(p) b) Iđg Hình 3-4. Các sơ đồ cấu trúc thu gọn: a) Theo tốc độ; b) Theo dòng điện 47 b. Tổng hợp mạch vũng dũng điện khi bỏ qua sức điện động và mụmen cản Mc động cơ. Sơ đồ khối của mạch vũng điều chỉnh dũng điện như (hỡnh 3 - 5), trong đú Ri là bộ điều chỉnh dũng điện, BĐ là bộ biến đổi một chiều, Si là xenxơ dũng điện. Xenxơ dũng điện cú thể thực hiện bằng cỏc biến dũng ở mạch xoay chiều hoặc bằng điện trở sun hoặc cỏc mạch dũng điện cỏch ly trong một chiều. Hàm truyền của mạch vũng dũng điện: FI(p) = pT1 K )p(I )p(U fi i - I Hàm truyền của bộ biến đổi Thyristor: FBBT(p) = pT1 K )p(U )p(U ĐB ĐB kĐ αd trong đú TBĐ - hằng số thời gian của bộ biến đổi Thyristor Tư - hằng số thời gian của phần ứng Ti - hằng số thời gian của xenxơ dũng điện Rư - điện trở mạch phần ứng Trong trường hợp hệ thống truyền động điện cú hằng số thời gian cơ học rất lớn hơn hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng thỡ ta cú thể coi sức điện động của động cơ khụng ảnh hưởng quỏ trỡnh điều chỉnh của mạch vũng dũng điện (tức là coi E = 0 hoặc E = 0). 1/R- 1+pT- - E Uiđ Ri Hình 3-5. Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện -Ui Ki 1+p.Tfi )T.p1)(T.p1( K kĐvo CL Si α.Ud Ud I- BĐ 48 Hàm truyền của mạch dũng điện (hàm truyền của đối tượng điều chỉnh) là như sau: Fk(p) = 1T1pTT.p1T.p1 R/K.K fi-kĐvo -iCL Trong đú cỏc hằng số thời gian TĐk, Tvo, Tfi là rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ Tư. Đặt Ts = TĐk + Tvo + Tfi thỡ cú thể viết lại: Fk(p) = )pT1)(pT1( R/K.K -s -iLC Đặt Tsi << Tư : ỏp dụng tiờu chuẩn tối ưu mụđun ta tỡm được hàm truyền của bộ điều chỉnh dũng điện cú dạng khõu PI. Ri(p) = i n T 1pT Tn = Tư ; Ti = 2KTsi pT 1 1 T.K.K2 R.T p.T2. R K.K 1T Ri(p) -siiCL -- si - iCL - Đặt KRi = siiCL -- T.K.K.2 R.T Từ cỏc thụng số động cơ: Pđm = 2,2(kw); Uđm = 240(v); Iđm = 10(A); nđm = 1500 (v/p); Tacú: + Tốc độ gúc: đm = 157 55,9 1500 55,9 n 60 n..2 dm (rad/s) K. đm = (Uưđm – Rư .Iưđm)/ đm = (240 – 1,2 . 10) : 157 = 1,45 (Wb) + Điện trở mạch phần ứng được tớnh gần đỳng như sau: với hiệu suất 90% Rư = 0,5 (1 - ).Uđm/ Iđm = 0,5(1 - 0,9) 240/10 = 1,2 ( ) + Lư điện cảm phần ứng động cơ được tớnh theo cụng thức Umanxki- Linđvil: L- = . Uđm.60 2. .p.nđm.Iđm = 0,25. 240.60 2. .2.1500.10 = 0,038(H) = 38 (mH) 49 Hằng số chọn bằng 0,25 + Hằng số thời gian của phần ứng: Tư = Lư/ Rư = 38/1,2 = 31,67 (ms) 0,0316 (s) Mụmen quỏn tớnh của cỏc phần chuyển động quy đổi về trục động cơ: M(p) – Mc(p) = Jp (p) => J = (M(p) – Mc(p)/ p (p) trong trường hợp Mc = 0 => J p = M(p)/ =K đm/ = 1,45 : 157 = 0,0092 + Hằng số thời gian của bộ biến đổi: Tvo = 005,0 50.2.2 1 mf2 1 (s) + Hằng số thời gian của mạch điều khiển chỉnh lưu chọn bằng: Tđk = 0,001(s) + Hệ số biến đổi của mạch chỉnh là: KCL = dk d dk d U cos).p(U U U KCL = 20 12 240 + Hệ số hàm truyền phản hồi dũng điện Ki: V 1 V 2 V4 V 3 M Hình 3 -6. Sơ đồ mạch lực với cảm biến dòng D1 D2 D4 D 3 Rd C K ~ 50 Kfi = 2,1 10 12 )p(I )p(U dm- I Hằng số thời gian của khõu phản hồi dũng điện chọn bằng: Tfi = 0,001 (s) Do đú hàm truyền của khõu phản hồi dũng điện. => Ffi(p) = p.001,01 2,1 Sơ đồ điều khiển thuộc bộ điều chỉnh dũng điện. Chọn R1 = R2 ta cú. ω.CR 1 R U R U R U 3 3 kĐ 2 i 1 id Vậy hàm truyền của bộ điều chỉnh được tớnh như sau. ωω ω .R.C 1 1 R R .C.R CR1 UU U 31 3 1 3 iid kĐ + - Uiđ Ui R1 R2 R3 C -Uđk Hình 3-8. Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng điện - E Uiđ Hình 3 -7. Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện -Ui 1,2 1+0,001p Si 20 I- 001,01p005,01 1 p0316,01 83,0 p0316,0 p0316,01 51 ỏp dụng tiờu chuẩn mụđun tối ưu ta tỡm được hàm truyền của bộ điều chỉnh dũng điện cú dạng khõu PI paT. R K.K p.T1 )p(R s - fiCL - i Trong đú Ts = Tđk + Tvo + Ti = 0,001 + 0,001 + 0,005 = 0,007; lấy hằng số a bằng 2. CRT2. R K.K 1s - iCL Tư = R3.C Chọn C = 2.10 -6 => R3 = Tư/ C = 0,0316 : 2.10 -6 = 0,0158.10 6 = 15800 ( ) Mặt khỏc : M14,0)(10.14,0007,0.2. 10.2.2,1 2,1.20 T2. C.R K.K R2 R1 6 6s - iCL 3.1.4. Tổng hợp hệ mạch vũng tốc độ. Hệ thống điều chỉnh tốc độ là hệ thống mà đại lượng được điều chỉnh là tốc độ gúc của động cơ điện, cỏc hệ này rất thường gặp trong thực tế kỹ thuật. Hệ thống điều chỉnh tốc độ được hỡnh thành từ hệ thống điờu chỉnh dũng điện. Cỏc hệ thống này cú thể là đảo chiều hoặc vụ sai cấp hai. Nhiễu chớnh của hệ là mụmen tải Mc. K KI BĐ Đ I -Ui -U Ui đ i Uđk RI a) R S FT Hình 3-9. Sơ đồ khối mạch điều chỉnh tốc độ CK Uđ 52 Tuỳ theo yờu cầu của cụng nghệ mà cỏc bộ điều chỉnh tốc độ R cú thể được tổng hợp theo hai tớn hiệu điều khiển hoặc theo nhiễu tải Mc. Trong trường hợp chung hệ thống phải cú đặc tớnh điều chỉnh tốt cả từ phớa tớn hiệu điều khiển lẫn từ phớa tớn hiệu nhiễu loạn. Kết cấu cơ bản của một hệ truyền động đảo chiều như trờn hỡnh (3 - 25). Để đảo chiều quay, trong hệ thống sử dụng hai bộ biến đổi BĐ1 và BĐ2 nối song song ngược. Cỏc mỏy phỏt xung FX1 và FX2 phỏt xung điều khiển hai bộ biến đổi này. Cỏc bộ điều chỉnh dũng điện Ri1 và xenxơ dũng Si1, Ri2 và xenxơ dũng điện Si2 tạo thành mạch vũng điều chỉnh dũng điện. Phần tử phi tuyến HCD là phần tử hạn chế dũng điện trong quỏ trỡnh quỏ độ. Xenxơ tốc độ S đúng vai trũ khõu phản hồi tốc độ. Sơ đồ khối chức năng được trỡnh bày trờn hỡnh ( 3 - 26 ). + Hệ thống điều chỉnh tốc độ: Tương tự như tổng hợp mạch vũng dũng điện bỏ qua sđđ của động cơ. )pT1(pT21 1 . K 1 )p(U )p(I ssiĐi Trong tớnh toỏn tiếp theo, ta cú thể thay cụng thức trờn bởi biểu thức gần đỳng tớnh hàm truyền của mạch vũng dũng điện. Đ U đ R Hình 3-10. Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ -U S Ri HCD MC -Ui Uk I FX BĐ Si Uđ Uiđ 53 pT21 1 . K 1 )p(U )p(I siĐi Sơ đồ cấu trỳc của hệ điều chỉnh tốc độ như trờn hỡnh (3 - 26 ), trong đú S là xen xơ tốc độ cú hàm truyền là khõu quỏn tớnh với hệ số truyền K và hằng số thời gian (lọc ) T cú giỏ trị nhỏ, khi đú đặt 2T’s = 2Ts + T , đối tượng điều chỉnh cú hàm truyền: )1p'T2(p 1 . K.R )p(S s - ωo ci ω .T.KK Theo tiờu chuẩn mụđun tối ưu, cú thể xỏc định được hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ là khõu tỉ lệ Kp a'T2 1 . K.R )p(R 2s- ω ci ω .T.KK Thường lấy a2 = 2. Từ những bước tớnh trờn ta cú: Ki = K = 1,45 ; Tc = 0,35 K = U / ; Chọn khi : = đm U = 10 (V) R- K .Tcp U đ R Hình 3-11. Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ -U K 1 + p.T S pT21 K1 s i .K 1 HCD M -Ic I 54 Từ đú => K = 157 10 =0,064 T = 0,001 Thay số ta cú cấu trỳc mạch vũng tốc độ như sau : 3.2. thiết kế mạch lực. 3.2.1. Lựa chọn sơ đồ thiết kế. 3.2.2. Tớnh chọn thyristor. Tớnh chọn van dựa vào cỏc yếu tố cơ bản như điện ỏp ngược cực đại của van, dũng điện định mức của van. Từ sơ đồ thiết kế cầu một pha và cỏc thụng số động cơ ta cú: Điện ỏp ngược của van là: 1,2 0,5075p U đ 88 Hình 3-12. Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh tốc độ -U 0,064 1 + 0,001p S p14,01 83,0 69,0 HCD M -Ic I V1 V2 V4 V3 M Hình 3-13. Sơ đồ mạch lực 55 Ulv = knv . U2 (3 - 1) Với U2 = Ud/ kư = 266,67 thay vào (3-1) ta cú: V377 9,0 240 .2 k U .kU - d nvlv (3 - 2) Trong đú: + Ud, U2, Ulv - điện ỏp phần ứng động cơ điện, điện ỏp nguồn xoay chiều, điện ỏp ngược của van. + knv , kư - cỏc hệ số điện ỏp ngược, điện ỏp phần ứng động cơ điện. Để chọn van theo điện ỏp hợp lý thỡ điện ỏp ngược của van cần chọn phải lớn hơn điện ỏp làm việc tức điện ỏp ngược cực đại: (với kdtU - hệ số dự trữ) Unv = kdtU . Ulv = 1,8 . 377 = 678,6 (V) (3 - 3) Dũng điện làm việc của van là: Ilv = Ihd = khd . Id = 10/ 2 = 7.1 (A) (3 - 4) Trong đú: Ihd ,Id - Dũng điện hiệu dụng của van và dũng điện tải. khd - Hệ số xỏc định dũng điện hiệu dụng. Để thyristor cú thể làm việc an toàn, khụng bị chọc thủng về nhiệt chỳng ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý tức cú cỏnh toả nhiệt với đầy đủ diện tớch toả nhiệt, khụng quạt đối lưu khụng khớ. Theo điều kiện toả nhiệt đó chọn tiến hành tớnh thụng số dũng điện định mức của van cần cú: Iđmv = ki . Ilv = 4 . 7,1 = 28,4 (A) (3-5) Với cỏc thụng số định mức cơ bản đó chọn ở trờn, tra bảng thụng số cỏc van thyristor chọn cỏc van cú thụng số điện ỏp ngược max (Unv), dũng điện định mức (Iđmv) lớn hơn gần nhất với thụng số đó tớnh được ở trờn. Tra bảng ta được thyristor loại: HT40/ 08OJ4 cú cỏc thụng số định mức: Dũng điện định mức của van : Iđmv = 40 (A) Điện ỏp ngược cực đại của van : Unv = 800 (V) Độ sụt ỏp trờn van : Umax = 1,65 (V) 56 Dũng điện dũ cực đại : Ir = 6 (mA) Điện ỏp điều khiển : Uđk = 3 (V) Dũng điện điều khiển : Iđk = 100 (mA) Đỉnh xung dũng điện : Ipik = 900 (A) Tốc độ biến thiờn điện ỏp : dU/ dt = 200 V/s Thời gian chuyển mạch : tcm = 150 s Nhiệt độ làm việc cực đại cho phộp : Tmax = 125 o C 3.2.3. Thiết kế cuộn khỏng san bằng lD. Cuộn khỏng lọc LD được mắc nối tiếp vào mạch phần ứng động cơ với mục đớch làm giảm dũng điện giỏn đoạn, làm giảm xung dũng một chiều đồng thời cải thiện điều kiện chuyển mạch của động cơ điện. Với : Ud = 220 V Id = 10 A f = 50 Hz Vậy giỏ trị mong muốn của điện cảm lọc được tớnh theo cụng thức: Trong đú: Rư : là tổng trở của mạch phần ứng. mdt : số lần đập mạch của điện ỏp chỉnh lưu trong chu kỳ. Với sơ đồ cầu 1 pha điều khiển thỡ mđm = 2 W1 : tần số gúc của điện ỏp xoay chiều. ksb : hệ số san bằng. Với : 5,9 07,0 667,0 k k k dmr dmv sb kđmv : hệ số đập mạch vào (kđmv = 0,667 ) kđmr : hệ số đập mạch ra ( kđmr = 0,07 ) Rư = Uư / Iư = 220 : 10 = 22 L = R- mđm . W1 . 1k 2 sb 57 h a c a/2 H b Hình 3-14. Kích th-ớc lõi thép của cuộn lọc một chiều => HL 33,015,9 50.2.2 22 2 Xỏc định kớch thước lừi thộp. 23,610.33,0.6,2I.L.6,2a 4 2 4 2 d (cm) Chọn : a = 6,5 (cm) Lấy : b = 1,23 . a = 8 (cm) c = 0,92 . a = 6 (cm) h = 3 . a = 19,5 (cm) Tiết diện lừi thộp : Sth = a . b = 6,5 . 8 = 52 ( 2cm ) Diện tớch cửa sổ : Scs = h . c = 19,5 . 6 = 117 (cm 2 ) Độ dài trung bỡnh của đường sức : Lth = 2( a + h + c ) = 2 . (6.5 + 19,5 + 6) = 64 (cm) Độ dài trung bỡnh dõy quấn : ldq = 2( a + b ) + . c = 2 .(6,5 + 8) + 3,14 .6 = 47,84 (cm)