Xây dựng cấu trúc và tổng điều khiển cho động cơ xoay chiều quay chi tiết máy mài mòn dùng Thyristor - Động cơ

i trong các hệ thống công nghiệp trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Tự động hoá không những làm giảm nhẹ sức lao động mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất lao động. Trong các dây chuyền sản xuất, động cơ điện xoay chiều được sử dụng rất phổ biến, việc điều khiển chúng ra sao cho phù hợp với công nghệ đặt ra là một yêu cầu rất quan trọng. Động cơ điện xoay chiều được ứng dụng rất nhiều trong các dây chuyền được điều khiển tự động, việc điều khiển các động cơ này chủ yế là thay đổi tốc độ của chúng ra sao cho phù hợp với công nghệ đặt ra tương ứng với mỗi công đoạn. Trên thực tế có nhiều phương pháp đó là khuếch đại từ - động cơ bằng Thyristor, động cơ là một trong những phương pháp có ưu điểm nổi bật như độ tác động nhanh cao, không gây ồn và dễ tự hoá do các van bán dẫn và hệ số khuếch đại công suất cao. Sau đây là phần trình bày các bước để xây dựng cấu trúc và tổng điều khiển cho động cơ xoay chiều quay chi tiết máy mài mòn dùng Thyristor - động cơ. Chương I Đặc điểm công nghệ và truyền động của máy mài I.1. Giới thiệu chung: Máy mài mòn có nhiều loại nhưng ta có thể chia làm hai loại chính là: Máy mài mòn và máy mài phẳng. Ngoài ra, còn có các máy khác nhau như: máy mài vô tâm, máy mài rãnh, máy mài cắt, máy mài răng... Trên các máy mài có thể gia công mặt phẳng, mặt trụ trong, mặt trụ ngoài, côn trong, côn ngoài mài trục khuỷu... Thường trên các máy mài có ụ chi tiết hoặc bàn để kẹp chi tiết và ụ đá mài, trên đó có trục chính với đá mài, cả hai ụ đều đặt trên bệ máy. Hình I-1 Máy mài mòn ngoài Hình I-2 Máy mài mòn trong Trên máy mài chuyển động chính là chuyển động quay của đá mài. Còn chuyển động ăn dao là di chuyển tịnh tiến của ụ đá dọc trục (ăn dao dọc trục). Chuyển động di chuyển vuông góc với chi tiết (ăn dao ngang) hoặc là chuyển động quay của chi tiết. Chuyển động phụ là di chuyển nhanh của ụ đá hoặc chi tiết. Máy mài phẳng có hai loại: Mài phẳng bằng biên đá và mặt đầu. Đặc điểm là chi tiết gắn cố định trên bàn tròn hoặc bàn chữ nhật. ở máy mài biên đá, đá mài quay tròn và chuyển động tịnh tiến qua lại. Chuyển động chính là chuyển quay của đá và chuyển động ăn dao là di chuyển của đá (ăn dao ngang). Còn chuyển động ăn dao dọc là chuyển động tịnh tiến của đá theo chiều dọc của chi tiết ở máy mài bằng mặt đầu đá, bàn có thể là tròn hoặc chữ nhật. Chuyển động quay của đá là chuyển động chính, chuyển động ăn dao ngang là chuyển động di chuyển tịnh tiến của đá. Còn chuyển động ăn dao dọc là chuyển động qua lại của bàn mang chi tiết. Tốc độ cắt: V = wđ . Rđ = 0,5d wd . 10 (m/s) Trong đó: d: là đường kính (m) wđ: là tốc độ quay của đá mài (rad/s) Thông thường chọn V = 30 á 50m/s I.2. Máy mài tròn ngoài: a) Máy mài tròn ngoài: * Các phương pháp mài mòn: Mài tròn ngoài các mặt trụ có thể thực hiện bằng phương pháp chạy dao dọc, chạy dao hướng kính va chạy dao bậc. - Mài mòn ngoài chạy dao dọc: Chi tiết được gá trên các mũi tâm tĩnh và có chuyển động quay tròn cùng chuyển động dọc trục với vận tốc S dọc (m/ph). Cuối mỗi hành trình kép hoặc mỗi đường chạy dao đá mài được dịch chuyển theo phương vuông góc với đường tâm chi tiết một lượng bằng lượng sâu cắt (lượng chạy dao hướng kính). Phương pháp này được sử dụng để mài các chi tiết có chiều dài lớn, chiều sâu cắt mài không nên lớn hơn 0,05mm, khi mài tinh chiều sâu cắt mài nên chọn bé hơn nữa để nâng cao năng suất mài thường tăng thêm lượng chạy dao dọc. * Mài với chiều sâu lớn: Đây là một dạng của phương pháp mài chạy dọc sử dụng khi gia công các chi tiết ngắn, độ cứng vững cao, lượng dư gia công lớn tới 0,4mm trong một hành trình. Quá trình cắt do phần côn của đá thực hiện là chính, còn phần trụ đá sẽ làm sạch bề mặt gia công. Đôi khi người ta sử dụng phương pháp mài bằng hai đá đồng thời, đá mài thô được chọn với độ hạt lớn và độ cứng cao hơn so với đá mài tinh, để thuận lợi cho quá trình sửa, đá mài giữa các viên đá người ta đặt một tấm lót dày 5-6mm. Khi mài bằng phương pháp này, đá mài phải thoát hết ra khỏi bề mặt chi tiết. Mài với chiều sâu lớn thường được thực hiện với lượng chạy dao dọc (100-300mm/ph) và hoàn thành ngay sau một hành trình dọc. b) Mài chạy dao hướng kính: Phương pháp này người ta sử dụng khi mài thô và mài tinh các mặt trụ. Quá trình mài được thực hiện bằng một viên đá mài rộng bản, chiều dày đá thường lớn hơn 1-1,5mm so với chiều dài mặt gia công. Chi tiết chạy dọc dao, lượng chạy dao hướng kính thực hiện liên tục hoặc gián đoạn. Để nâng cao độ chính xác và độ nhám bề mặt gia công, đá mài có thêm dịch chuyển dọc trục khoảng 3mm sang phải và sang trái giống như chuyện động lắc. Phương pháp mài chạy dao dọc hướng kính có ưu điểm sau: - Chạy dao thực hiện liên tục nên năng suất cao - Có thể mài được các chi tiết có prophin phức tạp - Trên một trục chính có thể lắp ráp vài viên đá để mài nhiều đoạn trên một chi tiết đồng thời. c) Mài chạy dọc gián đoạn: Phương pháp này là hình thức kết hợp giữa chạy dao dọc và chạy dao hướng kính, phần trùng lặp của các đoạn vào khoảng 5-10mm. Tuy vậy, giữa các đoạn vẫn có thể xuất hiện các bậc, do vậy người ta không cắt hết toàn bộ lượng dư trên cùng một đoạn mà để lại một lượng vào khoảng 0,02-0,08mm để mài bằng phương pháp chạy dao dọc với lượng chạy dao lớn. Phương pháp này khá hiệu quả, khi gia công các chi tiết dài, số lượng lớn, hình dáng giống nhau, đoạn có đường kính lớn trên các trục, bậc thường được mài trước, nếu chiều dài các bậc khác nhau thì chiều dày đá được chọn bằng đoạn có chiều dài bé nhất. I.3. Đặc điểm và yêu cầu truyền động điện và trang bị điện máy mài. Sử dụng động cơ không đồng bộ Roto lồng sóc, không đảo chiều quay ở các máy cỡ nặng để duy trì tốc độ cắt là không đổi khi mòn đá hay kích thước gia công thay đổi. Hầu như không yêu cầu điều chỉnh tốc độ nên động cơ có phạm vi điều chỉnh tốc độ là D = (2 á 4)1 với công suất không đổi. ở các máy trung bình và nhỏ V = 50 á 60m/s nên đá mài có đường kính lớn, tốc độ quay của đá khoảng 1000vòng/phút, ở những máy có đường nhỏ thì tốc độ đá rất cao. Động cơ truyền động là các động cơ đặc biệt, đá mài gắn trên trục động cơ có tốc độ 24.000 á 28.000 vòng/phút hoặc lên tới 150.000 á 200.000 vòng/phút. Nguồn động cơ là các bộ biến tần, có thể là các máy phát tần số cao (BBT) hoặc các bộ biến tần tĩnh. Quán tính lớn, mô men cản tĩnh trên trục động cơ thường là 15 á 20% mô men định mức. Mô men quán tính của đá và cơ cấu truyền lực lại lớn 500 á 600% mô men quán tính của động cơ, do đó cần hãm cưỡng bức động cơ quay đá. Truyền động ăn dao: Phạm vi điều chỉnh tốc độ D = 10/1 sử dụng hệ truyền động một chiều, điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp (đối với máy cỡ lớn). Với máy cỡ nhỏ và trung bình sử dụng động cơ không đồng bộ Roto lồng sóc thay đổi tốc độ bằng thay đổi số đôi cực. Với chuyển động ăn dao dọc với máy cỡ lớn sử dụng hệ truyền động quay 1 chiều với D = (20 á 25)/1. Máy nhỏ, trung bình sử dụng truyền động thuỷ lực. Truyền động ăn dao ngang hầu hết các máy sử dụng hệ truyền động thuỷ lực. Truyền động phụ: Sử dụng động cơ không đồng bộ Roto lồng sóc Đối với máy mài tròn 3A161 dùng để gia công mặt trụ các chi tiết có chiều dài dưới 1000mm và đường kính dưới 280mm, đường kính đá mài lớn nhất là 60mm, với thông số sau: động cơ ĐM (P = 7kw, w = 930vòng/phút). Quay đá mài ĐT (P = 1,7kw, w = 930 vòng/phút, bơm dầu cho hệ thống thuỷ lực để thực hiện ăn dao ngang của ụ đá, ăn dao dọc của bàn máy và di chuyển nhanh của ụ đá ăn vào chi tiết hoặc ra khỏi chi tiết. ĐB: Động cơ bơm nước làm mát ĐC: Động cơ quay chi tiết. I.4. Đặc tính cơ bản của máy mài: Đặc tính của cơ cấu sản xuấ được khái quát bằng phương trình Trong đó: Mw: Mô men ứng với tốc độ w = 0 Mđm: Mô men ứng với tốc độ định mức wđm Mc: Mô men ứng với tốc độ w q: Số mũ phụ thuộc vào loại cơ cấu sản xuất với máy mài nói riêng và máy cắt gọt kim loại nói chung, q thường nhận hai giá trị q = 1 (ứng với truyền động chính Mc = 1/w và p = Const) và q = 0 (ứng với truyền động ăn dao Mc = Mđ = Const). Trong thực tế, đặc tính cơ cấu của sản xuất không giữ được cố định theo một quy luật trong toàn bộ phạm vi điều chỉnh tốc độ mà thay đổi theo điều kiện công nghệ hoặc điều kiện tự nhiên. Đối với truyền động chính của máy mài mòn, nói chung công suất không đổi (p = Const) khi tốc độ thay đổi còn mô men tỷ lệ ngược với tốc độ Mc = 1/w. Như vậy, ở tốc độ thấp mô men có thể lớn nên kích thước các bộ phận cơ khí phải chọn lớn lên, điề đó không có lợi. Mặt khác, thực tế sản xuất cho thấy rằng các tốc độ thấp chỉ dùng cho các chế độ làm việc nhẹ (Fz và pz phải nhỏ) vì vậy ở vùng tốc độ thấp, người ta giữ mô men không thay đổi còn công suất thay đổi theo quan hệ bậc nhất với tốc độ. Đối với truyền động ăn dao nói chung, mô men không thay đổi khi điều chỉnh tốc độ. Tuy nhiên, ở vùng tốc độ thấp, lượng ăn dao nhỏ, lực cắt Fz bị hạn chế bởi chiều sâu cắt tới hạn t. Trong vùng này, khi tốc độ ăn dao giảm, lực ăn dao và mô men ăn dao cũng giảm theo. ở vùng tốc độ cao, tương ứng với tốc độ Vz của truyền động chính cũng phải lớn, nếu giữ Fad lớn như cũ thì công suất truyền động sẽ quá lớn, do đó cho phép giảm nhỏ lực ăn dao vùng này, mô men truyền động ăn dao cũng giảm theo. F2 O Vgh V VZ Fad O V1 V2 Vad a.Truyền động chính b. Truyền động ăn dao Hình I.3: Đồ thị đặc tính phụ tải của máy mài Một hệ thống truyền động điện có điều chỉnh gọi là tốt nếu đặc tính điều chỉnh của nó giống đặc tính cơ của máy. Khi đó, động cơ được sử dụng hợp lý nhất tức là có thể làm việc đồng tải ở mọi tốc độ. Nhờ đó, hệ thống truyền động đạt được các chỉ tiêu năng lượng cao. Nói cách khác, có thể lựa chọn động cơ có kích thước nhỏ nhất cho máy. Đặc tính điều chỉnh của truyền động điện là quan hệ giữa công suất hoặc mô men của động cơ với tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập, khi điều chỉnh điện áp. M.P M O Wmin Vgh Vmax W W P Hình I.4: Quan hệ M(w) và p(w) của động cơ 1 chiều kích từ độc lập Phần ứng và giữa từ thông máy không đổi ta sẽ có: M = K.f . Iu = Const; p = M.w = w Khi điều cỉnh từ thông, giữa điện áp phần cứng không đổi thì M = K.f = 1/w; p = Mw = Const Kết hơpợ cả hai phương pháp điều chỉnh ta có đồ thlị như hình 1-2. Đặc tính điều chỉnh ở vùng này có dạng giống đặc tính cơ của truyền động chính. Một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng một hệ thống truyền động điện là độ ổn định độ Dw% đường đặc tính cơ càng cứngthì độ ổn định tốc độ càng cao. Nói chung, truyền động ăn dao yêu cầu Dw% Ê (5 á 10%) còn truyền động chính yêu cầu Dw% (5 á 15%). Chương II Đặc điểm công nghệ và nguyên lý làm việc của sơ đồ trang bị điện máy mài 3A161 Đặc điểm công nghệ: Máy mài tròn 3A161 được dùng để gia công mặt trụ của các chi tiết có chiều dài, dưới 1000mm và đường kính dưới 280mm. Đường kính đá mài lớn nhất là 600mm. II.1. Tìm hiểu về sơ đồ điện máy mài 3A161. Máy mài 3A161 có sơ đồ điện như sau: Hình vẽ * Sơ đồ gồm 2 phần chính - Phần mạch động lực: Bao gồm 4 động cơ: ĐM, ĐT, ĐB, ĐC Trong đó các động cơ ĐM, ĐT, ĐB là các động cơ không đồng bộ roto lồng sóc. Cả ba động cơ được cung cấp điện áp xoay chiều 3 pha, được đóng cắt nhờ cầu dao CD. + Động cơ ĐM: Được bảo vệ ngắn mạch nhờ cầu chì (CC1) và đượcbảo vệ quá tải nhờ rơ le nhiệt (1RN) + Động cơ ĐT: Được bảo vệ ngắn mạch nhờ cầu chì (CC3) và bảo vệ quá tải nhờ rơle nhiệt (2RN). + Động cơ ĐC: Là động cơ điện 1 chiều được cung cấp điện nhờ KĐT và được bảo vệ ngắn mạch nhờ cầu chì (CC2) và bảo vệ quá tải nhờ rơ le nhiệt (3RN). - Phần mạch điều khiển: Sử dụng nguồn 220V nhờ biến áp (2BA) 2BA được bảo vệ ngắn mạch nhờ cầu chì (CC2). Toàn bộ mạch điều khiển được bảo vệ ngắn mạch bởi cầu chì CC4. II.2. Các truyền động cho máy mài 3A161: 1. Động cơ ĐM: là động cơ quay đá mài Ký hiệu trên sơ đồ Công suất KW Tốc độ Vòng/phút Điện áp V ĐM 7 930 380 Bảng II.1. Bảng thông số kỹ thuật của động cơ ĐM 2. Động cơ ĐT: Là động cơ bơm dầu cho hệ thống thuỷ lực để thực hiện ăn dao ngang của U đá, ăn dao dọc của bàn máy. Di chuyển nahnh của ụ đá ăn vào chi tiết hoặc ra khỏi chi tiết. Ký hiệu trên sơ đồ Công suất KW Tốc độ Vòng/phút Điện áp V ĐT 1,7 930 380 Bảng II.2. Bảng thông số kỹ thuật động cơ ĐT 3. Động cơ ĐB: Thực hiện chuyển động phụ, bơm nước làm mát Ký hiệu trên sơ đồ Công suất KW Tốc độ Vòng/phút Điện áp V ĐB 0,125 2800 380 Bảng II.3. Bản thông số kỹ thuật động cơ ĐB 4. Động cơ ĐC: Động cơ quay chi tiết, đóng mở các van thuỷ lực Ký hiệu trên sơ đồ Công suất KW Tốc độ Vòng/phút Điện áp V ĐC 0,76 250á 2800 220 Bảng II.4: Bảng thông số kỹ thật động cơ ĐC II.3. Nguyên lý làm việc của sơ đồ: Sơ đồ cho phép điều khiển máy ở chế độ thử máy và chế độ làm việc tự động. ở chế độ thử máy các contăctor từ 1CT á 3CT được đóng ở vị trí 1. Mở máy động cơ ĐT nhờ nút ấn MT sau đó có thể khởi động đồng thời ĐM và ĐB bằng nút ấn MN. Động cơ ĐC được khởi động bằng nút ấn MC. ở chế độ làm việc tự động thì các contăctor từ 1CT á 3CT được đóng sang vị trí 2. Quá trình làm việc của máy gồm 3 giai đoạn; * Đưa nhanh ụ đá vào chi tiết gia codong nhờ truyền động thuỷ lực đóng các động cơ ĐC, ĐB. * Mài thô rồi tự động chuyển sang mài tinh nhờ tác động của các contactor. * Tự động đưa nhanh ụ đá ra khỏi chi tiết và cắt điện các động cơ ĐC-ĐB. Khi các contăctor 1CT, 2CT, 3CT ở vị trí 2 di chuyển nhanh ụ đá vào chi tiết. Khi ụ đá đã đi đến vị trí cần thiết thì công tắc hành trình 1KT tác động đóng mạch cho cuộn dây contăctor KC, KB và các động cơ ĐC, ĐB được khởi động. Đồng thời, truyền động thuỷ lực của máy được khởi động và quá trình gia công chi tiết bắt đầu. Khi kết thúc giai đoạn mài thô, công tác hành trình 2KC tác động đóng mạch cuộn dây rơ le 1RTr tiếp điểm của nó đống tiện cho cuộn dây nam châm 1NC để chuyển đổi van thuỷ lực, làm giảm tốc độ ăn dao của ụ đá và giai đoạn màitinh bắt đầu. Khi kích thước chi tiết đã đạt yêu cầu thì CTHT 3KT tác động đóng mạnh cuộn dây Rơle 2TRr. Tiếp điểm rơle đống điện cho cuộn dây nam châm 2NC. Để chuyển đổi van thuỷ lực đưa nhanh ụ đá về vị trí ban đầu. Sau đó công tác 1KT phục hồi cắt điện contăctor KC, KB. Động cơ được cắt điện và được hàm động năng nhờ contăctor H. Khi tốc độ động cơ đủ thấp, tiếp điểm rơle kiểm tra tốc độ RKt mở ra, cắt điện cuộn dây contăctor H. II.4. Sơ đồ máy mài tròn 3A161 (hệ khuếch đại từ động cơ. KĐT-Đ) và đặc tính cơ. * Khái niệm về khuếch đại từ: Khuếch đằit (KĐT) là khí cụ điện mà tín hiệu đầu ra được khuếch đại nhờ cuộn kháng bằng cách thay đổi dòng điện điều khiển. II.4.1. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo: It Zt wt wđk Iđk XC R Hình II.4. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo Trên mạch từ không có khe hở, không khí được quấn quanh 2 cuộn dây: Cuộn điều khiển (wđk) và cuộn làm việc (WT). Cuộn WT được đấu nối tiếp với phụ tải và đầu vào của nguồn điện xoay chiều, còn cuộn dây điều khiển Wđc được đấu nối tiếp với biến trở R và điện kháng chăn XC để hạn chế ảnh hưởng của dòng xoay chiều và nối với nguồn điện cứ 1 chiều. Khi không có dòng điều khiển (Iđk = 0) điện kháng cuộn dây tải (WT) là: S: Tiết diện mạch từ Ltb: Chiều dài trung bình của mạch từ MFC: Độ từ thẩm thấu của vật liệu sắt từ Khi Iđk = 0 mạch từ chưa bão hoà độ từ thẩm của sắt từ MFC = DB/DH là khá lớn. Vì vậy điện kháng Xth lớn gấp nhiều lần tải XT >> ZA cho nên dòng trong mạch tải rất bé. Khi cứ dòng điện 1 chiều với trị số định mức Iđk = Iđkđm vùng làm việc chuyển tới vùng bão hoà của đường cong từ hoá cho nên MFC = DB/DH dẫn đến điện cảm cuộn dây bị giảm đột ngột, XT << Zt. Vì vậy, dòng IT chỉ phụ thuộc vào ZT hai trường hợp xét trên là 2 trường hợp tới hạn, chế độ không tải Iđk = 0, IT = Io mà trường hợp bão hoà đk = Iđkđm. Khi tăng dần Iđk dòng tải tăng dần từ Io đến Iđm đặc tính điều khiển của KĐT, phương trình cơ bản của KĐT. ITWT = Iđ. Wđk It Idm I0 Iđkđm Hình II.6. Đặc tính điều khiển của KĐT b) Nguyên lý làm việc: Hình II.7 Khuếch đại từ gôm 2 cuộn kháng có từ hoá đầu nối tiếp nhau phía cuộn xoay chiều với cùng cực tính còn phía cuộn điều khiển đấu ngược cực tính để loại từ điện áp xoay chiều cảm ứng sang cuộn điều khiển. Kích thước của hai lõi thép và thông số các cuộn dây cùng loại (cuộn tải Wt, cuộn điều khiển Wđk), cuộn phản hồi Wph, cuộn dịch chuyển Wdc là hoàn toàn giống nhau, chức năng của cuộn dịch chuyển chuyển dịch đặc tính (vào ra) san phản hồi còn gọi là (phản hồi ngoài) thay đổi độ dốc của đặc tính vào ra. Khi tăng dòng phản hồi quá lớn, nhánh có phản hồi dương của đặc tính ra trở nên dốc đứng. It Icd = 0 Iph = 0 Iđk It Iđk Iph = 0 Icd<0 Icd>0 It Iđk Icd = 0, Iph = 0 phản hồi âm phản hồi dương Hình II.8- Đặc tính vào ra II.4.3. Khuếch đại từ - Động cơ KĐT - ĐM Động cơ quay chi tiết được cung cấp từ KĐT. KĐT nối theo sơ đồ cầu ba pha kết hợp với điốt chỉnh lưu, có 6 cuộn làm việc (CD), 3 cuộn điều khiển CK1, CK2, CK3, cuộn CK3 được nối với điện áp chỉnh lưu 3CL tạo ra sức từ hoá chuyển dịch, CK1 vừa là cuộn chủ đạo, vừa là phản hồi âm điện áp phần ứng điện áp chủ đoạ Ucd lấy trên biến trở 1BT, còn điện áp phản hồi lấy trên phần ứng động cơ điện áp đặt vào cuộn dây CK1. UCK1 = Ucđ = Uth = Ucd - KUư Cuộn CK2 là cuộn phản hồi dương dòng điện phần ứng động cơ nó được nối vào điện áp thứ cấp của biến dòng BD qua bộ chỉnh lưu 2CL vì dòng điện sơ cấp biến dòng tỷ lệ với dòng điện phần ứng động cơ (I1 = 0,15Iư) nên dòng điện trong cuộn CK2 cũng tỷ lệ với dòng điện phần ứng. Sức từ hoá phản hồi được điều chỉnh nhờ biến trở 2BT. Tốc độ động cơ được điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp chủ đạo Ucđ (nhờ biến trở 1BT) để làm cứng đặc tính cơ ở vùng tốc độ thấp, khi giảm Ucđ cần phải tăng hệ số phản hồi dòng vì vậy người ta đặt sẵn khâu liên động cơ khí giữa hai con trượt của 2BT và 1BT. Để thành lập đặc tính của động cơ ta dựa vào phương trình điện áp tổng trên cuộn CK1 và CCK1. UCK12 = Ucd-Uư+Kqđ2.UCK2 = Ucđ-Uư + Kqđ2.Ki.Iư Trong đó: UCK2 = Kqđ2.Ki.Iư là điện áp trên cuộn CK2 quy đổi về CK1 Sức điện động của khuếch đại từ: EKĐT = KKĐT . UCK1 Trong đó: KKĐT: Hệ số khuếch đại điện áp của KĐT Phương trình cân bằng điện áp trong mạch phần cứng: EKĐT = Kfw + Iư.Rư.e Từ các phương trình trên ta có phương thức đặc tính tĩnh động cơ Dạng đặc tính cơ là: W W01 = Wđm W02 W03 W04 Ucd1 = Ucđdm Ucd2 Ucd3 Ucd4 Ucđ1 > Ucđ2 > Ucđ3 > Ucđ4 Hình II.9 - Đặc tính cơ Chương II Thiết kế thay thế hệ truyền động quay chi tiết cho máy mài 3A161 Máy mài 3A161 được chế tạo vào khoảng những năm 1960 do Liên Xô sản xuất. Hệ thống này có những nhược điểm chính sau: * Tổn thất nhiều vật tư, kỹ thuật * Kồng kềnh, tốn diện tích lắp đặt * Dài điều chỉnh và chất lượng điều chỉnh của lộ hạn chế * Hệ số quán tính lớn Ngày nay với sự ra đời của các bộ biến đổi khác ưu việt hơn hệ KĐT - ĐC hầu như là không sử dụng và trong thiết kế nữa. Chương này là thiết kế thay thế hệ KĐT - ĐC bằng hệ thống chỉnh lưu Thyristor - Động cơ (T - Đ). III.1. Các phương án điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều: Căn cứ vào phương trình đặc tính của động cơ ta có: Có ba phương án điều chỉnh tốc độ động cơ 1 chiều * Phương án điều chỉnh điện áp U * Phương pháp điều chỉnh từ thông f * Phương pháp điều chỉnh điện trở phụ Rf Trong đó có 2 phương pháp điều chỉnh hiện đại và đảm bảo chất lượng tốt là phương pháp điều chỉnh điện áp U và điều chỉnh từ thông f. + - I E Rf KĐT + - BBĐư Đ KĐT BBĐk Uk Hình III-1 Hình III-2 Sơ đồ khối hệ truyền động điện một chiều có dạng như hình vẽ (hình 1-2). Trong đó: BBĐư: Là bộ biến đổi phần ứng BBĐk: Là bộ biến đổi kích từ Bộ biến đổi phần ứng có khả năng điều chỉnh điện áp ra U Bộ biến đổi kích từ có khả năng điều chỉnh điện áp ra Ukt có thể điều chỉnh cả điện áp và từ thông. II.1.1. Phương pháp điều chỉnh điện áp: Rb Rư I Eb Eư U Hình III-3 Từ thông của động cơ được giữ ở giá trị từ thông định mức. Sơ đồ thay thế truyền động điện ở hình (Hình 3-3) trong đó có bộ biến đổi phần ứng được thay thế bằng Eb, Rb. Giá trị của điện áp U được tính bằng công thức. U = EB - I.RB Phương trình đặc tính cơ điện là: (1) Mà (2) Thay (2) vào (1) ta có phương trình đặc tính cơ Tốc độ không tải: Phương trình đặc tính cơ tự nhiên có U bằng hằng số không phụ thuộc vào dòng điện I, trong đó công suất của động cơ nhỏ so với công suất. Phương trình: Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên là: Độ cứng đặc tính cơ cấp từ bộ biến đổi: Như vậy: Đặc tính bộ biến đổi dốc hơn đặc tính cơ tự nhiên. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh sức điện động Eb. Khi sức điện động Eb giảm dẫn đến tốc độ không tải w0 giảm Dw bằng hằng số. Dải điều chỉnh tốc độ phụ tải định mức Trong đó (wmax) tương ứng có được khi: EBđm (Udm) wmax ằ wdm phụ tải định mức w w01 w02 w03 0 Eb1 Eb2 Eb3 w1 w2 w3 IC I TN Eb1 + Eb2 + Eb3 BBĐ-Đ Hình III-4 Khi điều chỉnh điện áp U (Eb) dẫn đến điều chỉnh điện áp nhỏ ơn điện áp định mức. Khi U < Uđm đ w < wdm Tăng D dẫn đến wmin giảm Độ trượt tốc độ. (3) Giảm điện áp U dẫn đến tốc độ wo giảm khi đó độ sụt tốc độ uyệt đối Dw bằng hằng số làm cho độ trượt tốc độ 1% tăng dần đến ổn định kém. Trong công thức (3) có: Dw là độ sụt tốc độ tuyệt đối là độ sụt tốc độ tương đối Momen cho phép của động cơ bằng hằng số và không phụ thuộc vào w. Khi điều chỉnh điện áp U, momen cho phép là hằng số. Do đó phương pháp điều chỉnh điện áp U được gọi là phương pháp điều chỉnh momen hằng số. Phương pháp điều chỉnh điện áp phù hợp với tải. w wđm wmin Mf Hình III-5 III.1.2. Phương pháp điều chỉnh từ thông: Điều chỉnh tốc độ động cơ nhỏ hơn giá trị định mức trong khi giữ điện áp ở giá trị định mức. Phương trình đặc tính động cơ có dạng (4) Thay đổi từ thông f bằng điều chỉnh dòng kích từ IK. Quan hệ từ thong f theo dòng kích từ là đường cong từ hoá. Giả thiế động cơ làm việc ở vùng không bão hoà. f = Ik; f = a . Ik Thay f = a . Ik vào (4) ta có: Hình III-6 Thay đổi dòng kích từ dẫn đến thay đổi tốc độ w Dòng kích từ giảm dần đến tốc độ không tải w0 tăng và độ sụt tốc độ tuyệt đối Dw tăng. Dòng điện giảm phần ứng Iư = const Khi từ thông định mức thì dòng kích từ bằng dòng kích từ định mức dẫn đến tốc độ w sấp sỉ bằng tốc độ định mức. Giảm từ thông f nhỏ hơn từ thông định mức làm cho tốc độ w tăng lớn hơn tốc độ định mức wđm. Do đó phương pháp điều chỉnh từ thông là phương pháp điều chỉnh trên cơ bản. Dải điều chỉnh tốc độ. Tốc độ lớn nhất max phụ thuộc độ bền cơ Thông thường = (a á 3) đm. Momen cho phép động cơ khi điều chỉnh từ thông là: Đặt K' = Uđm - (Ru+Rb) I2dm ị Mf (w) = Mf tỷ lệ ngược với w: Pf = Mf . w bằng hằng số không phụ thuộc vào tốc độ w. Do đó phương pháp điều chỉnh từ thông là phương pháp điều khiển công suất hằng. w wmax wđm Mf M, P Hình III-7 Phương pháp điều chỉnh từ thông phù hợp với tải III.1.3. Phương pháp điều chỉnh hai vùng từ thông và điện áp. * Điều chỉnh điện áp: Điều chỉnh điện áp nhỏ hơn điện áp định mức, từ thông bằng từ thông định mức và tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức. * Điều chỉnh từ thông: Điều chỉnh điện áp bằng điện áp định mức, tốc độ lớn hơn tốc độ định mức và từ thông nhỏ hơn từ thông định mức. Dải điều chỉnh tốc độ khi điều chỉnh có 2 vùng. Trong đó: là dải điều chỉnh từ thông là dải điều chỉnh điện áp Momen cho phép w = wmin á wdm. Do đó quá trình điều chỉnh điện áp là điều chỉnh Mf bằng hằng số. Momen cho phép w = wđm á wmax. Vậy quá trình điều chỉnh từ thông là quá trình điều chỉnh Mf = 1/w. w wmax wdm wmin Mf 0 Hình III-7 M III.2. Các phương án, sơ đồ mạch chỉnh lưu III.2.1. Sơ đồ cầu một pha đối xứng: It 1,3 T1 T2 T3 T4 C + - L Ud Hình III-9a Id R a) Xét ở chế độ chỉnh lưu (Lc = 0) Khi q = q1 cho xung điều khiển mở 2 Thyristor T1, T2. Khi T1, T3 mở điện áp chỉnh lưu bằng điện áp nguồn xoay chiều. Hai Thyristor này sẽ tự nhiên bị khoá lại khi điện áp xoay chiều bằng 0. Khi q = p + a cho xung điều khiển mở 2 Thyristor T2, T4 thì điện áp chỉnh lưu bằng điện áp nguồn xoay chiều. Hình vẽ III-9b Điện áp chỉnh lưu được xác định theo công thức. Dòng điện tải: * Khi tải là R + L Phương trình điện áp của nguồn mạch tải là: vì dòng tải là dòng liên tục id = Id Mà: Trị hiệu dụng của dòng thứ cấp máy biến áp là: b) Xét hiện tượng trùng dẫn (Lc ạ 0) T1 T3 T2 T4 C + - L Ud Hình III-10a Id R e2 Hình vẽ III-10b Nếu chuyển gốc tạo độ từ 0 sang q2 ic1: Làm tăng dòng trong T4 và giảm dòng T3 ic2: Làm tăng dòng trong T2 và giảm dòng trong T1. Khi kết thuác giai đoạn trùng dẫn, khi q = m.iT1,3 = 0. Vậy ta có phương trình chuyển mạch như sau: c) Nhận xét: ở sơ đồ cầu, dòng tải chảy qua 2 van nối tiếp vì vậy tổn thất về điện áp, công suất trên các van sẽ lớn hơn so với sơ đồ có điểm giữa. III.2.2. Chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng. a) Sơ đồ: hình III-11 b) Hoạt động: Khi = 1 cho xung điều khiển mở T1. Trong khoảng 1 = 2 Thysitor T1 và D2 cho dòng chảy qua. Khi U2 bắt đầu đổi dấu D2 mở ngay, T1 tự nhiên bị khoá lại, dòng id = Id chuyển từ T1 sang D1 và D2 cũng cho dòng chảy qua Ud = 0. Khi = 3 = p + a cho xung mở T2 dòng tải id = Id chảy qua D1 và T2, D2 bị khoá lại. Góc trùng dẫn của Thyristor và điot không bằng nhau. Góc dẫn dòng của điot là l = p - a trị trung bình điện áp là. Trị trung bình của dòng tải là: Trị trung bình của dòng trong Thyristor là: Trị hiệu dụng của dòng chảy trong cuộn dây thứ cấp máy biến áp c) Nhận xét: ở sơ đồ cầu một pha không đối xứng thì hệ số cosj cao hơn so với sơ đồ cầu đối xứng. Sơ đồ cầu 1 pha không đối xứng không cho phép làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc. Sơ đồ cầu cho phép sử dụng một nửa số van là Thyristor, nửa còn lại là điot. Do đó giảm được giá thành thiết bị biến đổi vì điot rẻ hơn nhiều so với Thyristor. Sơ đồ điều khiển cũng trở nên đơn giản hơn. III.2.3. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha dùng Thyristor. Sơ đồ gồm 6 Thyristor chia làm 2 nhóm: * Nhóm catốt chung T1, T3, T5. * Nhóm anôt chung T2, T4, T6. Hình III-12a Hình III-12b Điện áp các pha thứ cấp máy biến áp a) Hoạt động của sơ đồ như sau: Giả thiết T5, T6 đang cho dòng điện chảy qua Ui = U2c; UG = U2b. Khi cho xung điều khiển mở T1. Thyristor này sẽ mở vì U2a > 0 làm cho T5 bị khoá lại vì U2a > U2c. Lúc này T6, T1 cho dòng chảy qua. Điện áp trên tải là: Ud = Uab = U2a - U2b Khi cho xung điều khiển mở T2 mà U2a > U2b. Khi T2 mở làm cho T6 bị khoá lại. Điện áp trên mạch tải là: Ud = UF - UG. Trị trung bình của điện áp tải là: * Xét ở chế độ trùng dẫn Lc ạ 0 Giả thiết T1, T2 đang dẫn dòng khi = 1 cho xung điều khiển mở T3 do hiện tượng trùng dẫn nên dòng iT3 không thể đột ngột tăng từ 0 đến Id và dòng iT1 cũng không thể giảm đột ngột từ Id ị 0 lúc này cả 3 Thyristor T1, T2, T3 đều dẫn dòng. Ta có iT1 = iT2 = Id. Khi = 2, T3 dẫn dòng U2a, U2b ngắn mạch, dòng ic từ U2b đến U2a. iT1 = Id - ic iT3 = ic Phương trình chuyển mạch. Tại gốc q2. Nhận xét: Dòng tải bao giờ cũng từ điểm có điện áp cao xuống điểm có điện áp thấp. Trị tức thời của điện áp tải bằng hiệu trị tức thời điện áp của hai pha đang cấp cho dòng tải. Giả thiết khi q = q3 kết thúc giai đoạn trùng dẫn. Ta có phương trình: III.2.4. Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng: Hình III-14a Hình III-14b Hình III-14c Hoạt động của sơ đồ như sau: Trong khoảng từ 0 đến q1, T5, D6 cho dòng tải id = Id chảy qua D6 đặt điện thế U2b lên anốt D2. Khi q = q1 cho xung điều khiển mở T1 Trong khoảng q2 đ q3 T1, D2 cho dòng tải Id chảy qua. D2 đặt điện thế U2c lên anốt D4. Khi q ³ q3 điện thế K ở D4 và U2a bắt đầu nhỏ hơn U2c, D4 mở dòng tải Id chảy qua D4 và T1, Ud = 0. Nhận xét: Góc mở a có thể biến thiên từ 0 đến p. Điện áp chỉnh lưu có thể điều chỉnh được từ giá trị lớn đến giá trị 0. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng là đơn giản và rẻ tiền nhưng cần có bộ lọc tốt vì điện áp chỉnh lưu có chứa nhiều sóng hài. III.2.5. Sơ đồ chỉnh lưu Thyristor 3 pha hình tia: a) Sơ đồ: Hình III-15a Hình III-15b Hoạt động của sơ đồ. L = Ơ Lc = 0 Góc a được tính từ giao điểm các đường hình sin, Lc được gọi là điện cảm chuyển mạch. Trị trung bình của điện áp tải là: Trị trung bình của dòng tải qua T1 là: Xét hiện tượng trùng dẫn Lc ạ 0 Giả thiết: Khi T1 đang cho dòng chạy qua iT1 = Id khi q = qd cho xung điều khiển mở T2. Cả 2 Thyristor T1, T2 đều cho dòng chảy qua thì iT1 = Id - ic; (ic = iT2). Ta có phương trình chuyển mạch. (1) (2) Tại gốc q2. (3) Thay (3) vào (2) ta được. Khi = m; iT1 = 0; ic = iT2 = Id do đó ta có phương trình chuyển mạch. Khi q2 Ê q Ê q3 Trong giai đoạn trùng dẫn, điện áp tải Ud nhỏ hơn so với trường hợp lý tưởng. Khi Lc ạ 0 ị Ud = Ud - DUm. III.3. Lựa chọn sơ đồ thiết kế. Qua quá trình phân tích các cơ đồ chỉnh lưu ta thấy các cơ đồ chỉnh lưu cầu một pha đối xứng, 1 pha không đối xứng tia, 3 pha, cầu 3 pha không đối xứng ta nhận thấy rằng sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha là loại được sử dụng rộng rãi trong thực tế là: - Cho phép đấu thẳng vào lưới điện ba pha - Độ đập nhỏ (5%) nếu dùng biến áp thì ít gây méo lưới điện hơn các loại trên. - Và hệ số công suất cao hơn đối xứng (nếu là sơ đồ chỉnh lưu không đối xứng). Qua các ưu điểm trên, ta chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha làm sơ đồ thiết kế. Hình III-16 Chương IV tính toán thiết kế mạch lực IV.1. Sơ đồ mạch lực: Hình IV-1 * Các tham số tính toán: Công suất tải một chiều yêu cầu: Pđ = 760w Điện áp tải một chiều: Uđ = 220v Dòng điện định mức: Iđ = 4,1 - 5,2A Tốc độ định mức: nđm = 2400v/p Độ dao động điện áp cho phép của nguồn ± 5%Uđm Độ dao động tần số của nguồn: ± 0,2Hz Yêu cầu độ đập mạch của điện áp ra: Kđm = 2% á 5%, chọn Kđm=2% IV.II. Tính toán bộ lọc: Hệ số san bằng của bộ lọc: (Vì hệ số đập mạch của chỉnh lưu cầu 3 pha là 0,057) Giá trị điện cảm cần có của bộ lọc Trong đó: Tần số của điện áp nguồn là: w1 = 2pf = 314rad/s Thay các giá trị vào ta được Tính toán kích thước lõi thép của cuộn lọc C C a b h H C Kích thước cơ sở: Ta chọn a = b = 3cm Chọn c = 0,8 . a = 0,8 . 3 = 2,4cm h = 2a = 2 . 3 = 6cm Tiết diện lõi thép Sth = a . b = 3 . 3 = 9cm2 Độ dài trung bình đường sức từ. Lth = 2 . (a + b + c) = 22,8cm Độ dài trung bình dây quấn. Lbq = 2.(a + b) + p . c = 2. (3 + 3) + 3,14 . 2,4 = 19,54cm Thể tích lõi thép: Vth =._.