Thiết kế hệ truyền động cho máy bào giường

để gia công các chi tiết kim loại bằng cách hớt các lớp kim loại thừa, để sau khi gia công các chi tiết có hình dáng gần đúng yêu cầu (gia công thô) hoặc thoả mãn hoàn toàn yêu cầu đặt hàng với độ chính xác nhất định về kích thước và độ bóng cần thiết của bề mặt gia công (gia công tinh). Có thể phân loại máy cắt kim lọai như sau: -Tuỳ thuộc vào quá trình công nghệ đặc trưng bởi phương pháp gia công dạng dao, đặc tính chuyển động v.v..., các máy cắt được chia thành các máy cơ bản: tiện, phay, bào, khoan - doa, mài và các nhóm máy khác như gia công răng, ren, vít v.v... -Theo đặc điểm của quá trình sản xuất, có thể chia thành các máy vạn năng chuyên dùng đặc biệt. Máy vạn năng là các máy có thể thực hiện được các phương pháp gia công khác nhau như tiện, khoan, gia công răng..., để gia công các chi tiết khác nhau về hình dáng, kích thước. Các máy chuyên dùng là các máy dùng để gia công các chi tiết có cùng hình dáng nhưng có kích thước khác nhau. Máy đặc biệt là các máy chỉ dùng để thực hiện gia công các chi tiết có cùng hình dáng kích thước. -Theo kích thước và trọng lượng chi tiết gia công trên máy, có thể chia máy cắt kim loại thành các máy bình thường ( trọng lượng chi tiết 100 á10.103 kg), các máy cỡ lớn ( trọng lượng chi tiết 10.103 á 30.103 kg), các máy cỡ nặng (trọng lượng chi tiết 30.103 á 100.103 kg) và các máy rất nặng (trọng lượng chi tiết lớn hơn 100.103 kg). -Theo độ chính xác gia công, có thể chia thành máy có độ chính xác bình thường, cao và rất cao. Việc tăng năng suất máy và giảm giá thành thiết bị của máy là hai yêu cầu chủ yếu đối với hệ thống chuyền động điện và tự động hoá nhưng chúng luôn mâu thuẫn nhau. Một bên đòi hỏi sử dụng các hệ thống phức tạp, một bên lại yêu cầu hạn chế số lượng thiết bị chung trên máy và số thiết bị cao cấp. Vậy việc lựa chọn một hệ thống truyền động điện và tự động hoá cho thích hợp là một bài toán khó. Đựơc sư đồng ý của hai thầy giáo Nguyễn Văn Liễn và Bùi Quốc Khánh, trong tài liệu thiết kế môn học Tổng hợp hệ điện cơ này sẽ trình bày về thiết kế hệ thống truyền động chính của máy bào giường 7210 có các số liệu ban đầu như sau: - Tốc độ hành trình thuận ( tốc độ cắt ): vthuận= 40 m/phút vnghịch=75 m/phút - Khối lượng bàn máy và chi tiết gia công : mb+mct = 900+800 =1700kg. - Bán kính qui đổi lực cắt : r = 0,028. - Hiệu suất định mức của cơ cấu : h = 0,8. - Chiều dài hành trình bàn : Lb= 2,8m - Lực cắt Fz= 35kN . Do thời gian thực hiện ngắn và hạn chế về mặt kiến thức nên trong tài liệu thiết kế này không thể không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong được sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và những ý kiến đóng góp của các bạn. Sinh viên Lê Ngọc Thành Vinh. Chương I : Yêu cầu công nghệ. Máy bào giường là loại máy công cụ dùng để gia công bề mặt chi tiết.Chiều dài bàn máy có thể từ 1,5m đến 2m.Tuỳ thuộc vào chiều dài bàn máy và lực kéo có thể chia máy bào giường làm 3 loại : Máy cỡ nhỏ: Lb< 3m , Fk = 30 á 50 KN Máy cỡ trung bình : Lb = 4 á 5m , Fk = 50 á 70 KN Máy cỡ lớn : Lb > 5m , Fk > 70 KN Truyền động chính của máy bào là truyền động tịnh tiến qua lại của bàn máy.Trong quá trình làm việc bàn máy di chuyển qua lại theo chu kỳ.Mỗi chu kỳ gồm hai hành trình thuận và ngược. Hành trình ngược bàn máy chạy về vị trí ban đầu không cắt gọt nên gọi là hành trình không tải. Cứ sau khi kết thúc hành trình ngược thì bàn dao lại di chuyển theo chiều ngang một khoảng gọi là lượng ăn dao.Truyền động phụ là di chuyển nhanh của xà,bàn dao,nâng đầu dao trong một hành trình không tải. Đồ thị tốc độ tối ưu của máy bào giường Hoạt động của nó như sau : Giả thiết bàn máy đang ở đầu hành trình thuận và được tăng tốc đến tốc độ vo = 5 á 15 m/p ( tốc độ vào dao ) trong khoảng thời gian t1. Sau khi chạy ổn định với tốc độ vo trong khoảng thời gian t2 thì dao cắt vào chi tiết (dao cắt vào chi tiết với tốc độ thấp để tránh làm sứt chi tiết ). Bàn máy tiếp tục chạy với tốc độ ổn định vo cho hết thời gian t2 thì tăng tốc độ đến vth ( tốc độ cắt gọt ). Trong thơì gian t5 bàn máy chuyển động với tốc độ vth và thực hiện gia công chi tiết. Gần hết hành trình thuận, bàn máy sơ bộ giảm tốc độ đến vo. Sau đó bàn máy đảo chiều sang hành trình ngược đến tốc độ vng,thực hiện hành trình không tải, đưa bàn máy về vị trí ban đầu. Gần hết hành trình ngược bàn máy giảm tốc độ sơ bộ đến tốc độ vo, đảo chiều sang hành trình thuận, thực hiện một chu kỳ khác. Bàn dao được di chuyển bắt đầu từ thời điểm bàn máy đảo chiều từ hành trình ngược sang hành trình thuận và kết thúc di chuyển trước khi dao cắt vào chi tiết. Tốc độ hành trình thuận vth được xác định tương ứng bởi chế độ cắt vth=5 á ( 75 á 120 )m/p. Để tăng năng suất của máy,tốc độ hành trùnh ngược chọn lớn hơn tốc độ hành trình thuận : vng=k. vth=(2 á 3)vth Năng suất của máy phụ thuộc vào số hành trình kép trong một đơn vị thời gian : n=l /Tck=l /(tth+tng) ;Tck : thời gian của một chu kì làm việc của bàn máy. tth,tng :Thời gian bàn máy chuyển động ở hành trình thuận và ngược L :Chiều dài hành trình của bàn máy. n = tdc :Thời gian đảo chiều của máy. k : Tỉ số giữa tốc độ hành trình ngược và thuận. Khi chọn vth thì năng suất phụ thuộc vào hệ số k và thời gian đảo chiều tdc.Khi tăng thì năng suất của máy tăng nhưng khi k>3 thì năng suất tăng không đáng kể vì lúc đó thời gian đảo chiều lại tăng. Nếu chiều dài bàn máy Lb>3m thì tdc ít ảnh hưởng đến năng suất mà chủ yếu là k . Khi Lb nhỏ vth lớn vth= 75 á 120 m/p thì tdc ảnh hưởng nhiều đến năng suất. Do vậy một trong những đIều chú ý khi thiết kế truyền động chính của máy bào giường là phấn đấu giảm thời gian quá độ. Một trong những biện pháp đó là xác định tỉ số truyền tối ưu của cơ cấu truyền động của động cơ đến trục làm việc,đảm bảo máy khởi động với gia tốc cao nhất. Itu= M : Momen của động cơ lúc khởi động. Mc :Momen cản trên trục làm việc Jm , Jd :Momen quán tính của máy và động cơ. Nếu coi Mc= 0 thì: Itu= Tuy nhiên thời gian quá trình quá độ không thể giảm nhỏ quá được vì bị hạn chế bởi: -Lực động phát sinh trong hệ thống -Thời gian quá trình quá độ phải đủ lớn để di chuyển đầu dao. 1.2.Các yêu cầu đối với hệ thống truyền động máy bào giường 1.2.1.Truyền động chính. Phạm vi điều chỉnh tốc độ truyền động chính là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất và thấp nhất của bàn máy. D = vmax/vmin= vngmax/vthmin Trong chế độ xác lập,độ ổn định tốc độ không lớn hơn 5% khi phụ tải thay đổi từ không định mức đến định mức. Quá trình quá độ khởi động , hãm yêu cầu xảy ra êm,tránh va chạm trong bộ truyền với tác động cực đại. Hệ thống truyền động là hệ truyền động có đảo chiều quay. 1.2.2.Truyền động ăn dao. Truyền động ăn dao làm vệc có tính chất chu kì,trong mỗi hành trình kép làm việc một lần Phạm vi điều chỉnh lượng ăn dao D = ( 100 á 200)/1. Cơ cấu ăn dao yêu cầu làm việc với tần số lớn, có thể đạt tới 1000 lần/giờ Hệ thống di chuyển đầu dao cần phải đảm bảo theo hai chiều cả ở chế độ di chuyển làm việc và di chuyển nhanh. Truyền động ăn dao có thể thực hiện bằng nhiều hệ thống cơ khí, điện khí, thuỷ lực, khí nén...Thông thường sử dụng rộng rãi hệ thống đIện cơ : động cơ điện và hệ thống truyền động trục vít - ecu hoặc bánh răng - thanh răng. Chương II : Phân tích và chọn phương án truyền động. Động cơ trong truyền động chính là loại động cơ có điều chỉnh tốc độ và đảo chiều quay. Như vậy để thực hiện truyền động cho máy bào giường ta có thể có hai phương án chính sau đây: Dùng hệ truyền động : Bộ biến đổi - động cơ điện một chiều có đảo chiều quay Dùng hệ truyền động : Bộ biến đổi - động cơ điện xoay chiều có điều chỉnh tốc độ. Sau đây ta sẽ đi phân tích hai loại truyền động này từ đó chọn ra một phương án truyền động phù hợp. 2.1:Hệ truyền động: Bộ biến đổi - động cơ điện một chiều. Động cơ điện một chiều thực hiện đảo chiều bằng hai nguyên tắc sau: Giữ nguyên chiều dòng phản ứng,đảo chiều bằng dòng kích từ. Giữ nguyên chiều dòng kích từ ,đảo chiều dòng phản ứng. 2.1.1:Hệ thống truyền động máy phát - động cơ điện một chiều. Hệ thống truyền động này thường dùng cho máy cỡ trung bình Lb= 3 á 5m,Fk= 50 á 70 KN.Dải điều chỉnh D= ( 6 á 8)/1. Ưu điểm : Hệ thống này không có phần tử phi tuyến nên có đặc tính tốt , linh hoạt khi chuyển trạng thái , khả năng quá tải lớn. Điều chỉnh động cơ được cả hai phía : Điều chỉnh dòng kích từ máy phát F và dòng kích từ động cơ Đ. Có thể thực hiện được các chế độ làm việc :Động cơ , hãm tái sinh , hãm động năng và hãm ngược. Nhược điểm: - Dùng nhiều động cơ nên tốn kém chi phí lắp đặt,gây tiếng ồn - Máy phát một chiều có từ dư nên đặc tính từ hoá có trễ khó điều chỉnh sâu tốc độ. 2.1.2:Hệ chỉnh lưu Thyiristo - Động cơ điện một chiều. Thường dùng cho máy cỡ nặng Lb> 5m,Fk> 70KN. Dải điều chỉnh D = (8 á 25 )/1. Ưu điểm : Độ tác động nhanh, không gây tiếng ồn và đặc biệt dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất cao. 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 động của hệ thống. Nhược điểm : Dùng các van bán dẫn có tính phi tuyến nên dạng điện áp chỉnh lưu ra có biên độ đập mạnh cao gây tổn thất phụ trong máy điện .Trong các truyền động công suất lớn còn làm xấu dạng điện áp của nguồn xoay chiều. Hệ số cosj thấp. 2.2.Hệ truyền động:Bộ biến đổi - Động cơ điện xoay chiều. Hệ truyền động này dùng động cơ không đồng bộ ba pha . Loại động cơ này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp . Sự phát trển của công nghệ chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử tin học, động cơ không đồng bộ ba pha mới được khai thác hết các ưu điểm của mình. Nó trở thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động chỉnh lưu Thyristor - Động cơ. Chương III : Tính chọn thiết bị mạch lực. I. Tính chọn động cơ truyền động. 1.1. Phụ tải truyền động chính. Phụ tải truyền động chính được xác định bởi lực kéo tổng. Nó là 2 thành lực cắt và lực ma sát: F= F+ F F: lực cắt F: lực ma sát a. Chế độ làm việc hành trình thuận . F= : hệ số ma sát gờ trượt , thường =0,05đến 0,08. ở đây ta chọn =0,075 thành phần áp lực lên dao cắt : khối lượngbàn : khối lượng chi tiết Ta có: F=0,075[0,4.3500+10(900+800)] = 2325 Do đó: F=F+F = 35000 + 2325 =37325 b. Chế độ không tải. Khi làm việc không tải, F=F = 0 Do đó F=F=0,075.10(900+800) = 1275 1.2. Tính chọn động cơ. Công suất đầu trục động cơ khi cắt: (kw) Trong đó V =40m/ph là tốc độ hành trình thuận Công suất đầu trục động cơ khi quay ngược không tải có tốc độ không tải V=75m/ph là: (kw) Do đó phải chọn động cơ có Pđm >Pttmax =(kw) Mặt khác , hệ thống phương án truyền động đă chọn là hệ truyền động động cơ một chiều dùng phương pháp chỉnh lưu. Đồng thời , trong thực tế, để động cơ làm việc an toàn , người ta phải dự trữ một hệ số an toàn cho đông cơ: Kat = 1,05 đến 1,1 ở đây ta chọn hệ số an toàn là: Kat= 1,1 Do đó: Pttđc = 1,1.Pđc =64,14(kw) Như vậy ta có thể chọn động cơ loại: có các thông số: Pđm=70(kw) ; nđm =600 (vòng/phút) ; Iđm =361(A) ; Rư + Rcp = 0,0262 ; Rcks=24(W ) ; Ikt = 6,55(A) ; nmax = 1200 (vòng/phút) ; Số thanh dẩn tác dụng của phần ứng 210; Số nhánh song song của phần ứng : 2; Số vòng dây 1 cực của cuộn song song : 750; Từ thông hữu ích của 1 cực : 48,8; Mô men quán tính của phần ứng : J = 18 kg.m2; Khối lượng của động cơ : Q(kg) = 1370 (kg) ; II.Tính toán thời gian quá trình chuyển động của máy Đồ thị tốc độ tối ưu của máy bào giường: V 0 Vo Vng Vth -Vo t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12 t13 t14 Thời gian các khoảng t1, t4, t6, t9, t10, t12, t14 được xác định bằng công thức: Các khoảng thời gian t2, t3 ,t7, t8 được xác định theo kinh nghiệm vận hành. Chọn t2=t3=t7=t8=0,2(s); Trong đó: Mqđ = (2 á2,5) Mđm là mô men động cơ trong quá trình quá độ. Tốc độ bàn khi cắt ứng với tốc độ chạy định mức của động cơ ta có bán kính quy đổi lực cắt về trục động cơ: Vth = 40/60 = 0,667(m/s) Để có = 0,028 ta có thể chọn hộp số có tỷ số truyền i= 0,028/ 0,011=3 Mô men phụ tải của động cơ khi đã quy đổi về trục của động cơ: Tốc độ vào dao thường chọn Vo =10 (m/p) =10/60 =0,166 (m/s) Do đó : = 15,1 (rad/s) Mômen phụ tải động cơ khi không cắt ( hành trình ngược): Vng /=113,64 (rad/s) Mng = Png / 2000/113,64 = 17,6 (Nm) Mômen quán tính của bàn máy quy đổi về trục động cơ Jm = Jb + Jct (Bỏ qua mômen quán tính bộ truyền) Jm = (mb + mct ) . .=(900 + 800).0,011.0,011 = 0,201 Mômen quán tính của hệ thống: J = Jm + Jd = 0,201 + 18 = 18,201 (kg.m2) Từ đồ thị tốc độ ta xác định các khoảng thời gian Trong khoảng thời gian t6 momen quá độ của động cơ đã đảo chiều: Để tính t5 ta tìm tổng chiều dài hành trình bàn trong các đoạn quá trình quá độ và di chuyển với V0: Do đó Li = 0,3605 L5 = L- Li = 2,8 – 0,3605= 2,4395(m) Do đó ta có thời gian cắt ổn định : Tính các khoảng thời giản trong quá trình chạy ngược: III .Tính chọn bộ biến đổi ud id Do công suất của động cơ lớn (>30kW) do đó ta phải dùng chỉnh lưu cầu 3 pha Người ta điều chỉnh điện áp trung bình của tải bằng cách điều chỉnh góc mở a của các thyristor. Xét sơ đồ cầu 3 pha gồm 6 thyristor chia thành 2 nhóm: Nhóm catot chung: T1 , T3 và T5 . Nhóm anot chung: T4 , T6 và T2 . Điện áp các pha thứ cấp máy biến áp: va = U2sinq vb = U2sin(q - ) vc = U2sin(q - ) Góc mở a được tính từ giao điểm của các nửa hình sinus.(Hình II.2) Utb ig3 i4 ia i1 ig1 ig2 Udây(max) Ud 0 0 Hình II.2.Đồ thị dạng sóng khi góc mở a nhỏ Hoạt động của sơ đồ: Giả thiết T5 và T6 đang cho dòng chảy qua. VF = vc , VG = vb . Khi q = q1 = + a cho xung điều khiển mở T1. Tiristor này mở vì va > 0. Sự mở của T1 làm cho T5 bị khóa lại một cách tự nhiên vì va > vc . Lúc này T6 và T1 cho dòng chảy qua. Điện áp trên tải: ud = uab = va - vb Khi q = q2 = + a cho xung điều khiển mở T2. Tiristor này mở vì khi T6 dẫn, nó đặt vb lên anot T2. Khi q = q2 thì vb > vc . Sự mở của T2 làm cho T6 bị khóa lại một cách tự nhiên vì vb > vc. Các xung điều khiển lệch nhau p/3 được lần lượt đưa đến cực điều khiển của các tiristor theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1, ....Trong mỗi nhóm, khi một tiristor mở nó sẽ khóa ngay tiristor dẫn dòng trước nó: Thời điểm q1 = + a mở T1 khóa T5 Thời điểm q2 = + a mở T2 khóa T6 Thời điểm q3 = + a mở T3 khóa T1 Thời điểm q4 = + a mở T4 khóa T2 Thời điểm q5 = + a mở T5 khóa T3 Thời điểm q6 = + a mở T6 khóa T4 Giá trị trung bình của điện áp tải: Ud = = (theo TL-1) Giá trị hiệu dụng của dòng thứ cấp máy biến áp: I2 = = 0.816.Id (theo TL-1) Giá trị hiệu dụng dòng sơ cấp máy biến áp: I1 = = (theo TL-1) Công suất tính toán máy biến áp: S = (theo TL-1) với S1 = 3.U1.I1 = 1,047.Pd S2 = 3.U2.I2 = 1,047.Pd Thay số liệu vào ta có : S = = 1,047.Pd Nhận xét : Điện áp chỉnh lưu có số lượng xung gấp đôi so với sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha. Số van thường dung nhiều nên sụt áp trên các van là đáng kể, với yêu cầu dòng tải nhỏ - điện áp chỉnh lưu lớn thì ta thường dùng sơ đồ này. Sử dụng được hết công suất biến áp. 3.1. Tính chọn van : Giá trị dòng trung bình chảy qua mỗi van: = 120,3 (A) Giá trị dòng cực đại qua mỗi van: Ivmax = Id = 361 (A) Giá trị điện áp ngược đặt lên mỗi van: Ungmax = 2,45.U2 = 2,45.100 = 245 (V) Từ những tính toán trên, với chế độ làm mát bằng quạt gió thì các thông số cần của mỗi van trong mạch chỉnh lưu cầu ba pha là: Ungt ³ 1,6. Ungmax = 1,6 .245 = 392 (V) It ³ 1,5. Imax = 1,5.361 = 541,5 (A) Ta có thể chọn van T-800 của Liên Xô(cũ) để chịu được các điều kiện dòng và áp trong mạch. Các thông số của van được cho trong bảng sau: Itb Utm DU Toff Ig Ug A V V ms A V A/ms V/ms 800 300-600 1,3 20 1,5 4 150 200 3.2. Tính chọn máy biến nguồn Máy biến áp nguồn dùng để tạo điện áp U2 phù hợp với điện áp động cơ và cách ly phần mạch lực bộ biến đổi với lưới điện. Máy biến áp công suất cỡ chục kVA thuộc loại máy biến áp công suất nhỏ, sụt áp trên điện trở tương đối lớn (khoảng 4%) còn sụt áp trên điện kháng ít hơn (khoảng 1,5%). Điện áp sụt trên hai thyristor nối tiếp khoảng 2V. Điện áp chỉnh lưu không tải: Udo = 220.1,055 + 2 = 234V Giá trị hiệu dụng điện áp thứ cấp máy biến áp (nối D/Y): = 100 (V) Tỷ số máy biến áp: k = = 3,8 Dòng thứ cấp máy biến áp: I2 = = 294,75(A) Công suất máy biến áp: P = 3.U2.I2 = 3.100.294,75 = 88,4 (kVA). 3.3. Bảo vệ sự cố trên hệ thống truyền động điện. Mạch bảo vệ được thiết lập để đảm bảo an toàn và tránh gây tổn thất cho người vận hành và thiết bị. Do vậy, quan điểm khi xây dựng mạch bảo vệ là phải có biện pháp phòng chống các sự cố và các trạng thái làm việc bất thường xảy ra nhămg hạn chế tổn thất ở mức độ thấp nhất. Mặt khác, các phần tử bán dẫn công suất trong bộ biến đổi cũng phải được bảo vệ chống những sự cố bất ngờ, những nhiễu loạn nguy hiểm như ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, quá điện áp hoặc quá dòng điện qua van, quá nhiệt trong thiết bị biến đổi. Bảo vệ cắt khẩn cấp trên mạch động lực: Như ngắn mạch ở bộ biến đổi hệ thống truyền động, mất kích từ động cơ, quá tốc độ, quá dòng, quá điện áp phần ứng, đánh lửa gây ngắn mạch ở vành góp, ngắn mạch một số vòng dây của máy biến áp nguồn... Mạch bảo vệ thực hện cắt khẩn cấp bằng các thiết bị đóng cắt truyền thống như cầu chì, áptômát, rơle.. kết hợp với bảo vệ ở mạch điều khiển như khoá thyristor, cắt nguồn nuôi, khoá các bộ điều chỉnh... Thiết bị bảo vệ dòng điện ngắn mạch bên sơ cấp biến áp của bộ biến đổi, ngắn mạch bên phía thứ cấp của biến áp nguồn nhưng nằm ngoài bộ biến đổi, ngắn mạch bên trong hệ truyền điện (bộ biến đổi và động cơ) sử dụng cầu chì. Để bảo vệ mất từ thông, sử dụng rơle bảo vệ mất từ thông. Sử dụng rơle bảo vệ quá nhiệt để bảo vệ quá nhiệt động cơ, máy biến áp... Bảo vệ trong bộ biến đổi a. Bảo vệ quá nhiệt. Khi thyristor được điều khiển mở cho dòng chảy qua van, công suất tổn thất bên trong sẽ đốt nóng chúng, trong đó mặt ghép là nơi bị đốt nóng lớn nhất. Ngoài ra, quá trình chuyển mạch van cũng gây ra tổn thất điện năng. Do các thiết bị bán dẫn nói chung rất nhạy cảm với nhiệt độ, mọi sự quá nhiệt độ trên van dù chỉ diễn ra trong thời gian ngắn cũng có thể phá hỏng van, nên để bảo vệ quá nhiệt trên van, ta sử dụng các biện pháp làm mát cưỡng bức. Biện pháp làm mát thông dụng nhất là quạt không khí xung quanh cánh tản nhiệt (làm mát bằng gió). Đối với thiết bị bán dẫn công suất lớn hơn, ta có thể cho nước trực tiếp chảy qua cánh tản nhiệt (làm mát bằng nước) hoặc ngâm cả thiết bị bán dẫn vào dầu biến thế. Trong đồ án này, việc thiết kế bảo vệ quá nhiệt cho thyristor thực hiện bằng phương pháp làm mát cưỡng bức bằng gió với hệ số bảo vệ quá nhiệt trên van là ki=1,5 và ku=1,6. b. Bảo vệ quá điện áp trên van. Để bảo vệ quá áp trên van, ta sử dụng mạch RC, bảo vệ từng thyristor: Mạch đấu song song với van dùng để bảo vệ quá điện áp do các nguyên nhân nội tại gây ra – sự tích tụ điện tích trong lớp bán dẫn trong quá trình làm việc của van sẽ tạo ra dòng điện ngược khi khoá van trong khoảng thời gian rất ngắn, do đó làm xuất hiện suất điện động cảm ứng rất lớn trên các điện cảm đường dây nối. Mạch RC đấu giữa các nguồn pha dùng để bảo vệ quá áp do các nguyên nhân bên ngoài mang tính ngẫu nhiên – hiện tượng sấm sét, một cầu chì bảo vệ bị nhảy, cắt không tải máy biến áp... Các trị số linh kiện bảo vệ được chọn dựa vào các trị số kinh nghiệm: C = 1mF và R = 1KW. Sơ đồ bảo vệ mạch chỉnh lưu cầu ba pha có đầy đủ các phần tử bảo vệ quá dòng và quá áp. Chương IV : Thiết Kế mạch điều khiển. I. Yêu cầu của mạch điều khiển. Phát xung vào cực điều khiển của van, đảm bảo van mở nhanh nhạy chính xác và điều khiển góc mở của van để điều chỉnh điện áp cho nguồn cấp vào phần ứng của động cơ. Từ đó ta có sơ đồ tổng quát của mạch điều khiển như sau: ĐP đa hài trạng thái So sánh tạo xung Phản hồi dòng điện PPX KĐX Biến áp xung Xung chùm Để điều khiển vị trí xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên thyristor, ta sử dụng nguyên tắc điều khiển “ arccos ”. Theo nguyên tắc này, ta sử dụng hai điện áp: Điện áp đồng bộ us vượt trước uAK = Umsinwt của thyristor một góc p/2, us =Umcoswt. Điện áp điều khiển ucm là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ qua các bộ điều chỉnh tốc độ và dòng điện Rw và Ri. Nếu đặt us vào cổng đảo và ucm vào cổng không đảo của khâu so sánh thì khi us = ucm ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra khi khâu này lật trạng thái: ucm = Umcosa. Do đó a = arccos. Như vậy, khi điều chỉnh ucm từ trị số ucmmin đến ucmmax ta có thể điều chỉnh được góc điều khiển a = (amin á amax). II. Khâu tạo điện áp đồng pha và đa hài. Mạch này có chức năng tạo ra điện áp trùng pha với điện áp nguồn, ở mạch này ta dùng khuếch đại thuật toán mA 741 để biến dạng điện áp chỉnh lưu T.Đ.A.R.C III. Khâu tạo điện áp răng cưa. Điện áp tựa là một dạng điện áp răng cưa biến đổi tuyến tính tạo ra, nhờ có sự phóng nạp của tụ C mắc theo kiểu tích phân. Phần tử chính của mạch này là tụ điện C và khuếch đại thuật toán mA 741. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ: Khi UB>0 diot D3 khoá do bị ngược cực tính. Lúc này chỉ có tác động qua R4-C1 nạp cho tụ C1 với một dòng không đổi có giá trị Điện áp khi nạp: tn: thời gian cần thiết để nạp tụ C1 Khi UĐP<0: Diot D3 thông tụ C1 phóng điện dòng i2 chảy từ C1 qua R5-D3 và có độ lớn i2=5á10 i1 cho tới khi t=tp thì điện áp trên tụ trở về “0” và tụ C1 lại tiếp tục nạp theo chu kỳ mới. IV. Mạch so sánh và tạo xung. Nguyên lý: Mạch này có nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu Uđk và UT tại những thời điểm UT=Uđk sẽ phát ra các xung thông qua R9 và được chia thành các xung nhỏ nhờ chùm xung đưa đến R10 đến cực gốc của transistor Tr1 kích mở nó. Phần tử chính của mạch là khuếch đại thuật toán có chức năng so sánh và tạo xung. Chọn khuếch đại thuật tán mA 741 có các thông số kỹ thuật: -Hiệu điện thế giữa cổng “đảo” và “không đảo” U = ±30V. -Điện áp nguồn nuôi : Unguồn nuôi=±3V đến 22V. -Pt=100mW. -Ko=5.104. -du/dt=0,5V/mm. -Nhiệt độ làm việc từ -55á125oC. -Zra=60W. -Zvào=300kW. -Ira=±25mA. Khi nguồn cung cấp là ±15V thì: Ura=±12V nếu Rt>10kW Ura=±10V nếu Rt³2kW V. Khâu tạo xung chùm. Ta dùng bộ phát xung “ sinus chữ nhật”. Trong sơ đồ này OA thực hiện so sánh hai tín hiệu Uc và Ur =K*V2 D1 D2 R1 R2 R3 R4 C C R3 R4 R Uc Ur Ta sẽ có : T=2,2.R.C =1,1.C.(R1+R2) T1=1,1.C.R1 ; T2=1,1.R2.C VI. Khâu khuếch đại xung và biến áp xung. Điện áp ra từ bộ so sánh + tín hiệu từ mạch tạo xung chùm tạo thành tín hiệu logic dùng để điều khiển sự đóng mở của transistor. Khi Tr2 khóa ta nhận được một xung ra ở thứ cấp BAX. VII. Khâu phản hồi tốc độ: Uw Tốc độ truyền động là đại lượng có vai trò quan trọng quyết định tới chất lượng động và tĩnh của truyền động, thường người ta hay dùng máy phát tốc 1 chiều, xoay chiều và các bộ đo tốc độ xung số Máy phát tốc 1 chiều tương tự như một máy phát 1chiều nhưng điện áp của nó phụ thuộc vào tốc dộ động cơ chứ không phụ thuộc vào điện áp tải và lưới do đó nó có nhiệm vụ đo lường tốc độ, lấy tín hiệu là điện áp phản hồi về duy trì tốc độ theo điều kiện đặt trước. Do đó khâu này có tính chất động và tĩnh của hệ thống Yêu cầu điện áp máy phát tốc 1 chiều chứa ít thành phần xoay chiều tần số cao không bị trễ nhiều về giá trị và dấu so với đại lượng đo của động cơ. Nên máy phát tốc phải có từ thông không đổi trong toàn vùng điều chỉnh tốc độ. Ta cần hạn chế tổn thất mạch từ bằng việc sử dụng vật liệu từ trở hẹp và lá thép kỹ thuật mỏng . Điện áp đầu ra của máy phát tốc: Uw =Kw . w- Rư . I - Uct - Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền máy phát tốc Kw hệ số tỷ lệ Kw = Uw/w ; Uw = 10V tfw là hằng số thời gian của bộ lọc và <5ms Chọn tfw = 0,001s = 1ms Hàm truyền máy phát tốc: VIII. Các bộ điều chỉnh Rw và Ri. Bộ điều chỉnh là một trong những phần tử quan trọng nhất trong hệ điều chỉnh tự động truyền động điện vì nó đảm bảo chất lượng động và tĩnh của hệ thống. Bộ điều chỉnh có hai nhiệm vụ: Khuếch đại tín hiệu sai lệch nhỏ của hệ Tạo hàm điều khiển đảm bảo chất lượng động và tĩnh của hệ thống. Trong hệ thống ta sử dụng hai bộ điều chỉnh: bộ điều chỉnh tỷ lệ P dùng điều chỉnh tốc độ và bộ điều chỉnh tỷ lệ - tích phân PI để điều chỉnh dòng điện. Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện: Hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ: 126,97 Chọn R = KW; R2 = W; R3 = W; C = mF. Để tạo mạch lọc F, ta nối thêm tụ Ck = 5mF song song với điện trở R3. IX. Mạch hạn chế dòng Mạch hạn chế dòng dùng để hạn chế lượng đặt dòng điện và hạn chế tín hiệu điều khiển Udk không vượt quá đỉnh của điện áp so sánh với Udk tức là không lớn hơn 10V. X. Khâu tạo điện áp nguồn cung cấp Nguồn điện áp một chiều dùng trong mạch tạo xung điều khiển thường là nguồn điện áp ổn định trước những dao động bất thường của lưới điện xoay chiều. Vì vậy, phải sử dụng mạch ổn áp. Chương V: Tổng hợp mạch điều khiển. I. Mô hình hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện. Mục tiêu cơ bản của hệ điều chỉnh tự động truyền động điện là phải đảm bảo giá trị yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh mà không phụ thuộc vào tác động của các đại lượng nhiễu lên hệ điều chỉnh. Hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện động cơ quay chi tiết máy bào giường có cấu trúc được trình bày trên hình 8 gồm : động cơ truyền động M quay chi tiết máy bào giường Mx và thiết bị biến đổi năng lượng - chỉnh lưu cầu ba pha BĐ (được gọi là phần lực), các thiết bị đo lường ĐL và các bộ điều chỉnh R (được gọi là phần điều khiển). Tín hiệu điều khiển hệ thống được gọi là tín hiệu đặt THĐ và ngoài ra còn có các tín hiệu nhiễu loạn NL tác động lên hệ thống. Động cơ truyền động được sử dụng là động cơ một chiều kích từ độc lập và được cấp năng lượng từ bộ biến đổi chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển. Bộ biến đổi có chức năng biến đổi năng lượng điện thích ứng với động cơ truyền động và mang thông tin điều khiển để điều khiển các tham số đầu ra của bộ biến đổi (như công suất, điện áp, dòng điện, tần số...). Tín hiệu điều khiển được lấy ra từ bộ điều chỉnh R. Các bộ điều chỉnh R (regulator) nhận tín hiệu thông báo sai lệch về trạng thái làm việc của truyền động thông qua so sánh giữa tín hiệu đặt THĐ và tín hiệu đo lường các đại lượng truyền động. Để đảm bảo chất lượng của hệ, ta sử dụng các mạch vòng điều chỉnh dòng điện và tốc độ. Sự biến thiên của các tín hiệu đặt gây ra các sai lệch không tránh được trong quá trình quá độ và cũng có thể gây sai lệch trong chế độ xác lập. Trên cơ sở phân tích các sai lệch điều chỉnh, ta có thể chọn được các bộ điều chỉnh, các mạch bù thích hợp để nâng cao chính xác của hệ thống. II. Mô tả toán học động cơ điện một chiều: Điện cảm phần ứng Lư =0,003(H) = 3 (mH ) 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 = 0,67 Mômen quán tính J = Jđ + Jm = 0,201 + 18= 18,201 (kg.m2) Hằng số thời gian cơ học Tc =1,062 (s) Hằng số thời gian mạch phần ứng Tư =0,115 (s) << Tc Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: = 328,36 – 0,06M Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: = 328,36 – 0,039Iư III.Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản của hệ thống, xác định mômen kéo của động cơ và thực hiện các chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc... Hệ thống truyền động điện động cơ quay chi tiết máy bào giường có hằng số thời gian cơ học Tc rất lớn so với hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng Tư nên ta có thể coi sức điện động của động cơ không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện. Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh dòng điện được thể hiện trên hình 9.2, trong đó F là mạch lọc tín hiệu, Ri là bộ điều chỉnh dòng điện, BĐ là bộ chỉnh lưu cầu ba pha, Si là sensor dòng điện. Tf, Tđk, Tvo , Tư , Ti là các hằng số thời gian của mạch lọc, mạch điều khiển chỉnh lưu, sự chuyển mạch chỉnh lưu, phần ứng và sensor dòng điện. Rư là điện trở mạch phần ứng và KCL, Ki là hệ số khuếch đại của chỉnh lưu và sensor dòng điện. KCL = = 23,4; = 0,009 ; Tf =Ti =Tđk = 0,001 (s) << Tư ; Tư = 0,115 (s); Tvo == 0,00167(s) Hàm truyền của mạch dòng điện ( hàm truyền của đối tượng điều chỉnh): Đặt Ts = Tf + Tđk + Tvo + Ti = 0,00467 << Tư = 0,115 thì có thể viết lại hàm truyền ở dạng gần đúng như sau: áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module, ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện có dạng khâu tỷ lệ – vi phân PI, trong đó đã chọn Ts = Ts =0,00467s (chọn a =2): Từ đó ta có bộ điều chỉnh dòng điện có dạng khâu PI: R2 R1 R1 Uid Ui C2 Ta có Tư =R2.C2 Chọn C2 =10 mF khi đó ta có: Hàm truyền của mạch vòng sẽ là: Quá trình quá độ sẽ kết thúc sau thời gian Tqđ = 8,4Ts = 0,039(s) và độ quá điều chỉnh là 4,57% (Imax = 18,3A). Nếu xét đến ảnh hưởng của sức điện động động cơ thì do tính chất cản dịu của nó mà trong nhiều có thể không xảy ra quá điều chỉnh dòng điện. IV. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ Sensor tốc độ : và hằng số thời gian lọc Tw = 0,001 (s). Theo kết quả tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện, ta có hàm truyền của mạch vòng dòng điện là: Để thuận tiện trong tính toán tiếp theo, ta bỏ qua thành phần 2 để thu được biểu thức gần đúng của hàm truyền mạch vòng điều chỉnh dòng điện hệ thống: Đặt = 0,00517, khi đó đối tượng điều chỉnh có hàm truyền: Theo tiêu chuẩn tối ưu module, ta có thể xác định được hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ là khâu tỷ lệ P, (lấy hệ số a2 = 2): 490,7 Hàm truyền của mạch vòng điều chỉnh tốc độ là: Mạch vòng tốc độ này là vô sai cấp 1 đối với tín hiệu điều khiển và là hữu sai đối với tín hiệu nhiễu. Hệ số khuếch đại của bộ điều chỉnh tốc độ Kp có thể điều chỉnh thông qua tham số a2. Kết quả mô phỏng mạch vòng dòng điện: Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ ._.