Thiết kế hệ thống truyền động cho cân băng định lượng

tả quá trình công nghệ và yêu cầu đối với hệ truyền động cân băng định lượng 1 . Mô tả quá trình công nghệ của cân băng định  lượng Cân băng định lượng là cơ cấu tác động liên tục thuộc nhóm máy nâng vận chuyển. Là thiết bị vận tải liên tục dùng để chuyên chở hàng dạng hạt, cục ( cát, đá dăm, than, thóc gạo ...) hoặc các vật liệu thể rắn ( gỗ , hòm , thép thỏi ) theo phương nằm ngang hoặc theo mặt phẳng nghiêng ( góc nghiêng không lớn hơn 30o ). Nó đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất, là cầu nối giữa các hạng mục, công trình sản xuất riêng biệt giữa các phân xưởng trong một nhà máy, giữa các máy sản xuất trong một dây chuyền sản xuất. Hệ truyền động cân băng định lượng gồm có: + Động cơ + Hộp số + Puli chủ động + Băng tải + Phễu + Cơ cấu cân định lượng Động cơ quay tang chủ động thông qua hộp số và Puli chủ động , nhờ ma sát mà băng tải chuyển động . Tang bị động tự do quay do ma sát với băng . Để khắc phục độ võng của băng người ta đặt các con lăn và chúng cũng tự do quay do ma sát với băng . Vật liệu từ phễu nhờ băng tải được chuyển đến đổ ở máng phối liệu. Khối lượng của vật liệu được cơ cấu cân định lượng cân chính xác theo lượng đặt ban đầu. Năng suất của băng tải được tính theo biểu thức: [ kg/s ] hay: [ tấn/h ] trong đó: ả : khối lượng tải theo cjiều dài [kg/m ] v : tốc độ di chuyển của băng [m/s] Khối lượng của băng tải theo chiều dài được tính theo công thức: trong đó: g : khối lượng riêng của vật liệu [ tấn/m3 ] S : tiết diện cắt ngang của vật liệu trên băng [ m2 ] 2 . Các thông số kỹ thuật, đặc điểm công nghệ và yêu cầu đối với hệ truyền động băng tải phối liệu 2.1 . Các thông số kỹ thuật Hệ truyền động sử dụng động cơ điện một chiều. Lực kéo 600 N Tốc độ cực đại 1,5 m/s Tốc độ cực tiểu 0,075 m/s Đường kính trục 300 mm Hộp số i =10 ; h = 80% 2.2.Đặc điểm công nghệ và yêu cầu đối với hệ  truyền động a . Loại phụ tải Đặc tính cơ của máy sản xuất thường có dạng trong đó: Mco - Mômen ứng với tốc độ v = 0 Mđm - Mômen ứng với tốc độ wđm Mc - Mômen ứng với tốc độ v Với băng tải a = 0. Do đó ta có Mc = Mđm = const . Ta thấy rằng tải của hệ truyền động băng tải phối liệu hầu như ít thay đổi trong quá trình làm việc. Hệ truyền động này là hệ làm việc ở chế độ dài hạn. Ta có đồ thị công suất và momen cản tĩnh của truyền động điều chỉnh tốc độ với Mc = const như sau: w wmax Pc Mc wmin Pmax Mc ,Pc b . Chiều quay của băng Băng tải nhận vật liệu từ phễu và vận chuyển đến nơi phối liệu nên chuyển động của nó là theo một chiều bắt buộc và không có đảo chiều quay. Nếu đảo chiều quay của băng tải thì do quán tính nguyên vật liệu sẽ rơi vãi, không bảo đảm được yêu cầu phối liệu. Ngoài ra khi đảo chiều thì có một số phần của vật liệu không chuyển qua được thiết bị cảm biến để cân chính xác. c . Giản đồ phụ tải Các thông số chính của hệ truyền động Vận tốc lớn nhất, nhỏ nhất vmin = 0,075 ( m/s ) vmax = 1,5 ( m/s ) Vận tốc của trục quay Vận tốc của trục quay qui đổi với i = 10 Từ phương trình động học của truyền động điện ta có giản đồ phụ tải 0 1 2 3 MC t + Đoạn 01 là đoạn băng tải được khởi động. Vì băng tải làm việc ở chế độ dài hạn, số lần đóng cắt ít. Các yêu cầu về khởi động động cơ là không nặng nề. Ta có thể cho băng tải khởi động đến tốc độ làm việc và ổn định ở tốc độ đó rồi mới cho nguyên vật liệu rơi xuống băng từ phễu. + Đoạn 12 là đoạn băng tải làm việc với tải Mc không đổi. Biến thiên dw/dt chỉ có trong giai đoạn tốc độ biến thiên tức đoạn 01 và 23. + Đoạn 23 là đoạn giảm tốc và dừng băng tải. Ta cũng có thể cho băng tải dừng tự do, hoặc dừng tự do có dùng thêm phanh hãm. d . Các yêu cầu về khởi động và hãm Hệ truyền động băng tải phối liệu khi khởi động với gia tốc lớn sẽ làm tăng lực đàn hồi gây biến dạng băng và làm đứt băng. Để hạn chế điều này ta phải sử dụng khâu giảm tốc khi khởi động. Để động cơ có thể khởi động được sau khi mất điện trong quá trình làm việc thì chọn động cơ có mômen khởi động đủ lớn. Khi dừng thì không yêu cầu dừng chính xác, nhưng cũng tránh cho hệ dừng với gia tốc lớn gây hư hỏng, đứt băng. Hệ truyền động băng tải thường làm việc liên tục ít khi phải dừng nên không cân fthiết kế bộ giảm tốc. Cũng không cần thiết kế phanh hãm vì khi kết thúc công việc ta sẽ để cho băng dừng tự do. e . Sơ đồ động học Sơ đồ động học của hệ truyền động cân băng định lượng có dạng đơn giản như sau : Trong đó: Động cơ điện Hộp tốc độ Trục chính để lắp vào máy quay băng tải g . Hệ truyền động nhiều động cơ Khi có nhiều băng tải làm việc nối tiếp trong một dây truyền đòi hỏi phải đồng bộ hoá tốc độ của các động cơ truyền động và đặt các khoá liên động cần thiết bảo đảm thứ tự tác động. Khi đó tốc độ động cơ phải bằng nhau trong mọi trường hợp để tránh các lực đàn hồi trên băng. h . Độ chính xác Độ chính xác về tốc độ là yêu cầu quan trọng , được đánh giá bởi sai lệch tĩnh: i . Dải điều chỉnh Chương II tính chọn công suất động cơ 1 . Xác định các thông số cần thiết Tốc độ lớn nhất và nhỏ nhất Mô men cản qui đổi về trục động cơ: 2 .Tính công suất động cơ Để tính chọn công suất động cơ trong trường hợp truyền động có điều chỉnh tốc độ, ta cần xác định các yêu cầu cơ bản sau: Đặc tính phụ tải truyền động Pc(w), Mc(w): Phụ tải truyền động yêu cầu điều chỉnh tốc độ với M = const. Khi đó, công suất yêu cầu cực đại Pmax = Mđm.wmax Đặc tính phụ tải Phạm vi điều chỉnh tốc độ wmax và wmin Dải điều chỉnh tốc độ: D =wmax/wmin = 20 : 1 Phương pháp điều chỉnh và bộ biến đổi trong hệ thống truyền động Dự dịnh dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển (thyristor). Loại động cơ truyền động Yêu cầu dùng động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha roto lồng sóc Đặc điểm của truyền động băng tải là giữ M = const trong phạm vi điều chỉnh tốc độ. Do đó, ta có yêu cầu công suất cực đạI: Ta chọn loại động cơ PH-68 của Nga với các thông số sau Thông số Giá trị Công suất định mức Pđm 2,2kW Số đôi cực 2.pc 4 Dòng từ hoá isd 5A Từ thông định mức yđm 0,25Wb Điện trở stato Rs 1,26 W Điện trở roto Rr 0,2W Điện cảm từ hoá Lm 50mH Mômen quán tính J 0,017 kgm2 Điện cảm rò phía stato Lss 4,7mH Điện cảm rò phía roto Lrs 4,7mH Xác định các thông số động cơ Điện cảm phần ứng Lư = Trong đó kL là hệ số lấy giá trị 5,5 á 5,7 đối với máy không bù và kL= 1,4 á 1,9 đối với máy có bù; p là số đôi cực. kFđm = Mômen quán tính phần ứng : J = 0,125(kg.m2) Hằng số thời gian cơ học Tc = Hằng số thời gian mạch phần ứng Tư = Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Chương III Chọn phương án truyền động Chọn phương án truyền động là dựa trên các yêu cầu công nghệ và kết quả tính chọn công suất động cơ, từ đó tìm ra một loạt các hệ truyền động có thể thoả mãn yêu cầu đặt ra. Bằng việc phân tích, đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật các hệ truyền động này, kết hợp tính khả thi cụ thể mà ta có thể lựa chọn được một vài phương án hoặc một phương án duy nhất để thiết kế. Lựa chọn phương án truyền động tức là phải xác định được loại động cơ truyền động một chiều hay xoay chiều, phương pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặc tính tải, sơ đồ nối bộ biến đổi đảm bảo yêu cầu truyền động. Từ những phân tích về đặc điểm công nghệ, yêu cầu truyền động của băng tảI và nhiệm vụ thiết kế (dùng động cơ đIện một chiều), để điều chỉnh tốc độ động cơ quay puli chủ động, ta phải điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ, giữ từ thông không đổi. Với phương án điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp phần ứng và giữ từ thông động cơ không đổi thì ta có các phương án truyền động sau: Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (Hệ F-Đ). Hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển thyristor- động cơ một chiều ( Hệ T-Đ). Hệ thống điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều ( Hệ XA-Đ). 1 . Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (F-Đ) a . Cấu trúc hệ F-Đ Hệ thống máy phát - động cơ (hệ F-Đ hay Ward-Léonard) là hệ truyền động điện mà bộ biến đổi điện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập. Máy phát điện này thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha ĐK quay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi. Sơ đồ nguyên lý hệ F-Đ Sơ đồ nguyên lý một hệ F-Đ được thể hiện trên hình vẽ. Động cơ Đ truyền động quay chi tiết của máy mài M được cấp điện từ máy phát F. Động cơ sơ cấp kéo máy phát F với tốc độ không đổi là động cơ điện không đồng bộ ĐK. Khi điều chỉnh dòng điện kích từ máy phát iKF thì điều chỉnh được tốc độ không tải của hệ thống còn độ cứng đặc tính cơ được giữ nguyên. b . Đặc điểm của hệ F-Đ Các chỉ tiêu chất lượng của hệ truyền động F-Đ về cơ bản tương tự như các chỉ tiêu hệ điều chỉnh điện áp dùng bộ biến đổi nói chung. Ưu điểm nổi bật nhất của hệ F-Đ là sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn. Do vậy thường sử dụng hệ F-Đ ở các máy khai thác trong công nghiệp mỏ. Nhược điểm quan trọng nhất của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quay, trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, hiệu suất thấp (không quá 75%), công suất lắp đặt máy ít nhất gấp ba lần công suất động cơ chấp hành. Ngoài ra, do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ. Với những hệ truyền động điện đòi hỏi dải điều chỉnh rộng hơn và cần điều chỉnh sâu hơn, ổn định tốc độ tốt hơn thì phải thay máy phát F bằng các nguồn áp máy điện khác như các máy điện khuếch đại (MKĐ) và có các phản hồi nâng cao chất lượng. Các đặc điểm khác Phạm vi điều chỉnh tốc độ được nâng lên (cỡ 30:1). Điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong phạm vi điều chỉnh. Việc điều chỉnh tiến hành trên mạch kích từ máy phát nên tổn hao nhỏ. Hệ điều chỉnh đơn giản, có thể thực hiện hãm điện dễ dàng. Vốn đầu tư ban đầu và diện tích lắp đặt lớn. 2.Hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển - động cơ một chiều Tốc độ động cơ điện một chiều có thể được điều chỉnh trong phạm vi rộng và bằng phẳng nhờ hệ chỉnh lưu - động cơ (hay hệ truyền động van một chiều) trong đó các bộ chỉnh lưu là điều khiển được. Các van điều khiển có thể là đèn thyraton, đèn thuỷ ngân, thyristor. Hiện nay, do công nghệ chế tạo bán dẫn công suất phát triển nên các thyristor được sử dụng rộng rãi để tạo ra các bộ chỉnh lưu có điều khiển bởi những tính chất ưu việt: gọn nhẹ, tổn hao ít, quán tính nhỏ, tác động nhanh, công suất khống chế nhỏ... Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển - động cơ một chiều (CL-Đ), bộ biến đổi có sức điện động Eđ phụ thuộc giá trị của pha xung điều khiển (góc điều khiển a). Chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng kích từ động cơ. Tùy theo yêu cầu cụ thể của truyền động mà có thể dùng các sơ đồ chỉnh lưu thích hợp (chỉnh lưu cầu, chỉnh lưu tia ...). Các bộ chỉnh lưu thyristor dùng trong truyền động điện một chiều tạo thành hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ (hệ T-Đ). a . Hệ truyền động thyristor-động cơ (T-Đ) Hệ truyền động T-Đ là hệ truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc lập, điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng hoặc thay đổi điện áp đặt vào phần kích từ của động cơ thông qua các bộ biến đổi chỉnh lưu dùng thyristor. Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động T-Đ b . Đặc tính cơ của hệ T-Đ Trong hệ T-Đ, nguồn cấp cho phần ứng động cơ là bộ chỉnh lưu thyristor. Dòng điện chỉnh lưu cũng chính là dòng điện phần ứng động cơ. Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và các tính chất của tải. Trong truyền động điện, tải của chỉnh lưu thường là cuộn kích từ (L-R) hoặc mạch phần ứng động cơ (L-R-E). Phương trình đặc tính cơ cho hệ T-Đ ở chế độ dòng điện chỉnh lưu liên tục: Độ cứng của đặc tính cơ là trong đó R là tổng trở toàn mạch phần ứng động cơ (gồm điện trở phần ứng động cơ Rư và điện trở các phần tử trong mạch nối tiếp với phần ứng động cơ). Đặc tính cơ hệ T-Đ. Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào góc điều khiển a: . Tuy nhiên, tốc độ không tải lý tưởng này chỉ là giao điểm của trục tung với đoạn thẳng của đặc tính cơ kéo dài. Thực tế, do có vùng dòng điện gián đoạn, tốc độ không tải lý tưởng của đặc tính là lớn hơn. Họ đặc tính cơ của hệ thống trong trường hợp này như trên hình 4-3 khi điều chỉnh ở vùng dưới tốc độ định mức. Các đặc tính cơ của hệ truyền động T-Đ mềm hơn hệ F-Đ vì có sụt áp do hiện tượng chuyển mạch giữa các thyristor. Góc điều khiển a càng lớn thì điện áp đặt vào phần ứng động cơ càng nhỏ. Khi đó, đặc tính cơ hạ thấp và ứng với một mômen cản Mc, tốc độ động cơ sẽ giảm. Lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ: khi phụ tải nhỏ thì các đặc tính cơ có độ dốc lớn (phần nằm trong vùng gạch chéo). Đó là vùng dòng điện gián đoạn. Góc điều khiển càng lớn (khi điều chỉnh sâu) thì vùng dòng điện gián đoạn càng rộng và việc điều chỉnh tốc độ gặp nhiều khó khăn hơn. Trong thực tế tính toán hệ T-Đ, ta chỉ cần xác định biên giới vùng dòng điện gián đoạn, là đường phân cách giữa hai vùng dòng điện liên tục và gián đoạn. Biên giới giữa vùng dòng điện gián đoạn và liên tục có dạng đường ellipse với các trục là các trục toạ độ của đặc tính cơ: Dễ dàng nhận thấy độ rộng của vùng dòng điện gián đoạn sẽ giảm nếu ta tăng giá trị điện cảm L và tăng số pha chỉnh lưu p. Song khi tăng số xung p thì mạch lực chỉnh lưu cũng tăng độ phức tạp và cả mạch điều khiển cũng phức tạp hơn. Còn khi tăng trị số L sẽ dẫn tới làm xấu quá trình qúa độ (tăng thời gian quá độ) và làm tăng trọng lượng, kích thước của hệ thống. Biên giới này được mô tả bởi đường cong nét đứt trên hình 4-3. c . Đặc điểm hệ truyền động Thyristor - động cơ Ưu điểm nổi bật nhất của hệ T-Đ là độ tác động nhanh cao, không gây ồn và dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất cao. Điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lượng các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống. Hệ thống T-Đ có khả năng điều chỉnh trơn với phạm vi điều chỉnh rộng. Hệ có độ tin cậy cao, quán tính nhỏ, hiệu suất lớn. Nhược điểm chủ yếu của hệ T-Đ là do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lưu ra có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy điện và ở các truyền động có công suất lớn còn làm xấu dạng điện áp của nguồn và lưới xoay chiều. Hệ số công suất cosj của hệ nói chung là thấp nhất là khi điều chỉnh sâu. 3 . Hệ thống truyền động điều chỉnh xung áp – động cơ một chiều (XA-Đ) Hệ truyền động điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều (XA-Đ) sử dụng bộ điều chỉnh xung áp một chiều, trong đó các bộ khoá điện tử đóng vai trò cơ bản. Bộ điều chỉnh xung điện áp một chiều được sử dụng khi có sẵn nguồn một chiều cố định mà cần phải điều chỉnh được điện áp ra tải. Các bộ băm xung một chiều hoạt động theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn với tải một cách chu kỳ theo một số luật khác nhau. Phần tử thực hiện nhiệm vụ đó là các van bán dẫn. Song do chúng làm việc trong mạch một chiều nên khi dùng loại thyristor thông thường nó không được khoá lại một cách tự nhiên ở giai đoạn âm của điện áp nguồn như khi làm việc với nguồn xoay chiều. Do đó, buộc phải có một mạch chuyên dụng để khoá thyristor gọi là "mạch khoá cưỡng bức", gây nhiều khó khăn trong thực tế. Vì vậy, hiện nay ta cố gắng sử dụng các loại van điều khiển cả đóng và ngắt như transistor bipolar, MOSFET và IGBT ở những dải công suất mà các van này chịu được. Riêng với mạch công suất lớn vẫn phải dùng thyristor. Trong hệ truyền động điện, các bộ điều chỉnh xung áp một chiều chủ yếu áp dụng cho các động cơ điện một chiều có phụ tải dạng kéo (tàu điện, xe điện...). Sơ đồ nguyên lý một hệ truyền động XA-Đ Nguyên tắc của các hệ truyền động XA-Đ là thay đổi tốc độ động cơ qua điện áp đặt vào phần ứng động cơ một chiều. Điện áp này là một điện áp ra của bộ XA tính theo giá trị trung bình : Uư = sUng, trong đó: Uư là điện áp phần ứng động cơ,Ung là điện áp một chiều cần băm , s là hệ số lấp đầy xung: với tt, tk là thời gian thông và khoá của bộ khoá điện tử. Do đó, khi điều chỉnh tốc độ động cơ qua điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, cần thay đổi hệ số s của bộ XA. Hệ số này có thể thay đổi bằng 3 phương pháp: thay đổi tt, T hoặc cả hai. 4. Hệ Truyền Động xoay chiều có điều chỉnh tốc độ. Hệ truyền động này dùng động cơ không đồng bộ 3 pha. Loại động cơ này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, chiếm tỉ lệ rất lớn so với động cơ khác. Ngày nay do sự phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử - tin học động cơ không đồng bộ mới khai thác được hết các ưu điểm của mình. Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động chỉnh lưu - triristo. Không giống như động cơ một chiều, động cơ KĐB có cấu tạo phần cảm và phần ứng không tách biệt. Từ thông động cơ cũng như mô men động cơ sinh ra phụ thuộc nhiều vào tham số. Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động diện động cơ không đồng bộ là hệ điều chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến mạnh . Trong công nghiệp thường sử dụng bốn hệ điều chỉnh tốc độ : a. Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi Tiristo Nguyên tắc của phương pháp này là mô men của động cơ KĐB tỷ lệ với bình phương điện áp stato. Do đó có thể điều chỉnh được mô men và tốc độ của động cơ bằng cách điều chỉnh giá trị điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số b. Điều chỉnh điện trở mạch rô to Phương pháp này được thực hiện theo nguyên tắc điều chỉnh trơn điện trở rô to bằng các van bán dẫn. Ưu điểm của phương pháp này là dễ tự động hoá việc điều chỉnh. Điện trở trong mạch rô to của động cơ KĐB : Rr = Rrd + Rf Trong đó : Rrd : điện trở dây quấn rô to Rf : điện trở ngoài mắc thêm vào mạch stato Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rô to thì mô men tới hạn của động cơ không thay đổi và độ trượt tới hạn tỉ lệ bậc nhất với điện trở Mô men Si : Độ trượt khi điện trở mạch rô to là Rrd Nếu giữ cho Ir = const thì M = const và không phụ thuộc tốc độ động cơ . Vì thế mà có thể ứng dụng phương pháp điều chỉnh điện trở mạch rô to cho truyền động có mô men tải không đổi . Phương pháp điều chỉnh trơn điện trở mạch rô to bằng phương pháp xung : Re là điện trở tương đương trong mạch rô to được tính theo thời gian đóng td và thời gian ngắt tn của một khoá bán dẫn cho phép một điện trở R0 vào mạch hay không . c. Phương pháp điều chỉnh công suất trượt Đối với các hệ truyền động công suất lớn, tổn hao DPs là lớn. Vì vậy để diều chỉnh được tốc độ vừa tận dụng được công suất trượt người ta dùng các sơ đồ điều chỉnh công suất trượt. 5. Hệ truyền động điện động cơ KĐB dùng phương pháp điều chỉnh tần số Động cơ không đồng bộ ba pha (KĐB) được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất trung bình và chiếm tỷ lệ rất lớn so với các động khác. Trong thời gian gần đây, do sự phát triển cao của công nghệ chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử - tin học, động cơ KĐB mới khai thác các ưu điểm của mình. Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động T-Đ. Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý hệ TĐĐ-ĐK điều chỉnh tần số. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi tần số nguồn cho phép mở rộng phạm vi sử dụng động cơ KĐB trong nhiều ngành công nghiệp. Nó cho phép mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và nâng cao tính chất động học của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói chung và động cơ KĐB nói riêng, có thể ứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc như các truyền động của nhóm máy dệt, băng tải, bánh lăn ... hoặc cho cả các thiết bị đơn lẻ nhất là những cơ cấu có yêu cầu tốc độ cao như máy ly tâm, máy mài... Đặc biệt là hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi nguồn cung cấp sử dụng cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc sẽ có kết cấu đơn giản vững chắc, giá thành hạ và có thể làm việc trong nhiều môi trường. Nhược điểm cơ bản của hệ thống này là sơ đồ mạch điều khiển rất phức tạp. Đối với hệ thống này, động cơ không nhận điện từ lưới chung mà từ một bộ biến tần. Bộ biến tần này có khả năng biến đổi tần số và điện áp ra một cách độc lập với nhau. Thường sử dụng hai loại biến tần trong việc điều chỉnh tốc độ là biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp (có sử dụng khâu trung gian một chiều). Hệ truyền động điện có thể sử dụng bộ biến tần trực tiếp hoặc gián tiếp ba pha, cũng có thể dùng bộ biến đổi một chiều-xoay chiều thay đổi tần số một pha hay ba pha. 3.1 Biến tần trực tiếp (cycloconverter) Có sơ đồ cấu trúc đơn giản hình 2.5 a. Điện áp vào xoay chiều u1 (tần số f1) chỉ cần qua một mạch van là chuyển ngay ra tải với tần số khác. Vì vậy, loại biến tần này có hiệu suất biến đổi năng lượng cao do chỉ có một lần biến đổi điện năng và cho phép thực hiện hãm tái sinh năng lượng mà không cần có mạch điện phụ. Đồng thời, cũng có thể dễ dàng thực hiện điều chỉnh điện áp và tần số đầu ra của biến tần trực tiếp với dạng sóng điện áp gần hình sin. Tuy nhiên, sơ đồ mạch van khá phức tạp, số lượng van lớn đối với mạch ba pha. Việc thay đổi tần số ra f2 khó khăn và phụ thuộc vào tần số vào f1, số pha đầu vào của nguồn và số khoảng dẫn của các van ở mỗi nhóm van. Vì thế, hiện nay chủ yếu sử dụng loại biến tần này với phạm vi điều chỉnh tần số f2 Ê f1. Mặc dù về nguyên tắc, có thể tạo biến tần với f2 ³ f1 nhưng mức độ phức tạp sẽ tăng lên rất nhiều. Biến tần trực tiếp hay được dùng cho truyền động điện công suất lớn, tốc độ làm việc thấp, thí dụ để cung cấp cho các động cơ rotor lồng sóc, các động cơ rotor dây quấn cấp bởi hai nguồn, các động cơ đồng bộ... Hình 2. 5. Cấu trúc biến tần trực tiếp (a) và Biến tần gián tiếp(b) 3.2. Biến tần gián tiếp (có khâu trung gian ) – nghịch lưu độc lập Sơ đồ cấu trúc được trình bày trên hình 2.5b. Trong loại biến tần này, điện áp xoay chiều đầu tiên được chuyển thành điện áp một chiều nhờ bộ chỉnh lưu, sau đó đi qua bộ lọc rồi mới trả về điện áp xoay chiều với tần số f2. Việc biến đổi năng lượng hai lần làm giảm hiệu suất biến tần. Song, loại biến tần này cho phép thay đổi dễ dãng tần số ra f2 không phụ thuộc vào tần số vào f1 trong một dải rộng cả trên và dưới f1 vì tần số ra chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển. Hơn nữa, với sự ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kỹ thuật vi xử lý và dùng van lực là các loại transistor đã cho phép phát huy tối đa các ưu điểm của loại biến tần này. Vì vậy, đa số các biến tần hiện nay là biến tần nghịch lưu độc lập với nguồn cung cấp là nguồn dòng hoặc nguồn áp. Tuy nhiên, nếu sử dụng van thyristor vẫn còn một số khó khăn nhất định khi giải quyết vấn đề khoá van. Biến tần nguồn dòng: Trong các hệ truyền động điện điều chỉnh động cơ xoay chiều, nguồn dòng thường được sử dụng cho các hệ thống công suất lớn và có sơ đồ cầu ba pha, trong đó các van bán dẫn là các van điều khiển hoàn toàn. Sơ đồ đơn giản, làm việc tin cậy, được sử dụng rộng rãi để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha rotor lồng sóc.Biến tần nguồn dòng có ưu điểm là tăng được công suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản mà vẫn thực hiện hãm tái sinh động cơ. Khi làm việc với tải là động cơ xoay chiều thì điện áp tải có xuất hiện các xung nhọn tại các thời điểm chuyển mạch dòng điện chuyển mạch giữa các pha. Trong thực tế, thường sử dụng các van điều khiển không hoàn toàn, vì vậy cần có các mạch khoá cưỡng bức các van đang dẫn, bảo đảm chuyển mạch dòng điện giữa các pha một cách chắc chắn trong phạm vi điều chỉnh tần số và dòng điện đủ rộng. Biến tần nguồn áp: Nghịch lưu điện áp có đặc điểm dạng điện áp ra tải được định hình sẵn còn dạng dòng điện ra tải lại phụ thuộc vào tính chất tải. Nguồn áp được tạo ra bằng một bộ chỉnh lưu với đầu ra được nối song song với một tụ điện có giá trị đủ lớn để đảm bảo điện áp nguồn ít bị thay đổi và để trao đổi công suất phản kháng với điện cảm tải của động cơ. Điện áp ra của nghịch lưu điện áp không có dạng hình sin mà đa số là dạng xung chữ nhật. Việc điều chỉnh tần số điện áp ra trên tải được thực hiện dễ dàng bằng điều khiển qui luật mở van của phần nghịch lưu. Phương pháp điều khiển này thay đổi dễ dàng tần số mà không phụ thuộc vào lưới điện. Đặc điểm của phương pháp điều khiển động cơ KĐB roto lồng sóc bằng thiết bị biến tần nguồn áp Với điện áp không đổi ,khi điều chỉnh tần số từ thông trong máy sẽ thay đổi theo .Cụ thể là khi tăng tần số thì từ thông trong máy sẽ giảm ,khi đố muốn giũ mômen không đổi thì phải tăng dòng điện lên,làm cho động cơ quá tải về dòng.Ngược lại hi giảm tần số thì từ thông trong trong máy tăng len và mạch từ bị bão hoà,điều đó dẫn đến tăng dòng từ hoá ,tăng tổn hao sắt từ và đốt nóng máy điện. Vì vạy khi điều chỉnh tần số cần phải điều chỉn cả điện apsddawtj vào dây quấn stato để đạt được chế độ làm việc tối ưu.Đối với hệ thống biến tần ngồn áp thường có yeu cầu giữ cho khả năng quá tải về momen là không đổi: conts Với đặc tính cơ can máy sản xuất là: Ta có luật điều chỉn điện áp: muốn xác định được luật điều chỉnh nayfta phái xác định được đặc tính cơ can máy sản xuất .Việc đó thường khó và không chính xác. Phương pháp điều khiển véc tơ mà ta chọn làm phương án thiết kế sẽ đáp úng được mọi điều kiện vơi chế độ làm việc tối ưu nhất Kết luận : Trong hệ thống truyền động điện điều khiển tần số, phương pháp điều khiển theo từ thông rôto có thể tạo ra cho động cơ các đặc tính tĩnh và động tốt. Các hệ thống điều khiển điện áp/ tần số và dòng điện/ tần số trượt đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệ Để truyền động cho hệ thống cân băng định lượng ta sử dụng phương pháp điều chỉnh tần số cho động cơ điện KĐB roto lồng sóc bằng thiết bị biến tần nguồn áp Điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ Một số hệ thống yêu cầu chất lượng điều chỉnh động cao thì các phương pháp điều khiển kinh điển khó đáp ứng được. Hệ thống điều khiển định hướng theo từ trường còn gọi là điều khiển vectơ, có thể đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh trong chế độ tĩnh và động.Nguyên lý điều khiển vectơ dựa trên ý tưởng điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ tương tự như điều khiển động cơ một chiều. Phương pháp này đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh của hệ thống trong quá trình quá độ cũng như chất lượng điều khiển tối ưu mômen. Việc điều khiển vectơ dựa trên định hướng vectơ từ thông rôto có thể cho phép điều khiển tách rời hai thành phần dòng stator, từ đó có thể điều khiển độc lập từ thông và mômen động cơ. Kênh điều khiển mômen thường gồm một mạch vòng điều chỉnh tốc độ và một mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng điện sinh mômen. Kênh điều khiển từ thông thường gồm một mạch vòng điều chỉnh dòng điện sinh từ thông. Do đó hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ có thể tạo được các đặc tính tĩnh và động cao, có thể so sánh được với động cơ một chiều. Nguyên lý điều khiển vectơ: Dựa trên ý tưởng điều khiển động cơ không đồng bộ tương tự như điều khiển động cơ một chiều. Động cơ một chiều có thể điều khiển độc lập dòng điện kích từ và dòng phần ứng để đạt được mômen tối ưu theo công thức tính mômen : M=KFIư = KIktIư Trong đó : Ikt, Iư - dòng điện kích từ và dòng điện phần ứng. F - từ thông động cơ . Mạch điều khiển và nghịch lưu Iư Iư Uư ĐM CKT Ids* Iqs* ĐK Hình 1-1: Sự tương tự giữa điều khiển động cơ một chiều và điều khiển vectơ Tương tự ở điều khiển động cơ không đồng bộ, nếu ta sử dụng công thức: M = KmyrIqs = KmIdsIqs (khi chọn trục d trùng với chiều vectơ từ thông rôto) Thì có thể điều khiển M bằng cách điều chỉnh độc độc lập các thành phần dòng điện trên hai trục vuông góc của hệ tọa độ quay đồng bộ với vectơ từ thông rôto Lúc này vấn đề điều khiển động cơ không đồng bộ tương tự điều khiển động cơ điện một chiều. ở đây thành phần dòng điện Ids đóng vai trò tương tự như dòng điện kích từ động cơ một chiều (Ikt) và thành phần dòng Iqs tương tự như dòng phần ứng động cơ một chiều (Iư) . Các thành phần có thể tính được nhờ sử dụng khái niệm vectơ không gian. Với ý tưởng định nghĩa vectơ không gian dòng điện của động cơ được mô tả ở hệ tọa độ quay với tốc độ ws, các đại lượng dòng điện điện áp, từ thông sẽ là các đại lượng một chiều. Ids2 is1 yr Ids1 q d qs1 is2 qs2 Iqs Iqs1 is1 yr Ids q d qs1 is2 qs2 Iqs2 Hình 1-2:Điều khiển độc lập hai thành phần dòng điện: mômen và kích từ III.Thiết kế mạch lực: Sơ đồ mạch lực của hệ truyền động như sau: Mạch lực bao gồm: + Khối chỉnh lưu: 6 Điôt. + Khối nghịch lưu: 6 Transistor, 6 Điôt ngược + Khối lọc: tụ C, cuộn cảm L. 1.Tính chọn van điều khiển: Dùng kiểu điều khiển khi góc dẫn là 180 độ, tải là động cơ đấu sao. Đồ thị dẫn của van và dạng dòng, áp ra tải như sau: Tải đấu sao, góc dẫn của van là 180 độ, tại bất kỳ thời điểm nào cũng có ba van dẫn. Tính toán các giá trị: Dòng điện cơ sở : Trị số hiệu dụng dòng điện pha: Dòng điện trung bình tiêu thụ từ nguồn: a.Đối với mạch chỉnh lưu: Coi bộ sụt áp trên bộ lọc bằng 0. Dòng điện đầu ra của bộ chỉnh lưu Id=8,77 A Điện áp ra của bộ chỉnh lưu: Ud= En=466,7 V Do mạch cầu ba pha nên dòng trung bình qua các Thyristor là Id/3=2,92 A Điện áp ngược đặt lên Thyristor Ung=2,45*Ul. Mặt khác ta có: Ud=2,34*Ul => Ul ằ200 V; ị Ung = 490 V Chọn loại Thyristor C15 do hãng G.E của Mỹ chế tạo có các thông số sau: Mã hiệu tiristor Ung V Itb A toff ms di/dt A/ms C15 25á600 5,1 30 60 b.Đối với nghịch lưu: Ta có dòng điện pha A: + q = 0 á p/3 + q = p/3 á 2p/3 + q = 2p/3 á p Trong khoảng từ 0 á p/3 ứng với q1 thì Ia=0 Dòng điện trung bình đi qua Transistor sẽ là: = 4,351(A) Điện áp ngược đặt lên Transistor: Từ đó ta chọn Transistor có các thông số sau đây: Mã hiệu VCE V VCE0 V VCE,sat V IC A I A tf ms ton ms ts ms pm W BUX 47A 1000 450 1,5 9 1,2 0,8 1 3 125 Trong khoảng 0 á q1 thì Thyr không dẫn, toàn bộ dòng sẽ đi qua Diot, như vậy biểu thức chọn Diot như sau: = 7,259(A) Do đó ta chọn loại Diôt B-10 do Liên Xô(cũ) chế tạo có các thông số sau: Itb = 10 (A) Ung= 100á1000(V) DU = 0,7(V) b . Tính chọn biến áp nguồn BAN BAN đấu theo kiểu D/Y. Điện áp lưới UL = 380V. Giá trị hiệu dụng điện áp thứ cấp máy biến áp (nối D/Y) = 128 (V) Tỷ số máy biến áp: k = = 3 Dòng thứ cấp máy biến áp nguồn: I2 = = 6,94(A) Dòng hiệu dụng sơ cấp BAN: I1 = I2 = 21,23 ằ 6,94(A) Công suất máy biến áp: S = 3.U2.I2 =._.