Đề tài Thiết kế hệ truyền động chính cho máy bào giường

đồ án môn học tổng hợp hệ điện cơ Tên đề tài: Thiết kế hệ truyền động chớnh cho mỏy bào giường Các thông số kĩ thuật: - Tốc độ hành trình thuận Vth : 40 [m/ph] - Tốc độ hành trình ngược Vng : 75 [m/ph] - Chiều dài hành trình bàn Lb : 2,8 [m] - Khối lượng bàn mb : 900 [kg] - Khối lượng chi tiết mct : 800 [kg] - Lực cắt Fz : 35 [kN] - Hiệu suất định mức của cơ cấu h : 0,8 - Hệ số ma sát trượt giữa bàn và gờ trượt m : 0,075 - Bán kính quy đổi lực cắt về trục động cơ điện r = v/w : 0,028 Mômen quán tính của các bộ phận chuyển động bao gồm: chi tiết,bàn máy, động cơ và cơ cấu truyền lực. Yêu cầu nội dung: Nêu các yêu cầu về công nghệ và truyền động. Chọn phương án truyền động. Tính chọn công suất cho động cơ và mạch lực. Xây dựng cấu trúc tổng hơp của hệ. Thiết kế mạch điều khiển. Mô phỏng hệ thống sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK Phương án thiết kế: Hệ truyền động động cơ một chiều dùng phương pháp chỉnh lưu. lời nói đầu Ngày nay máy cắt gọt kim loại đặc trưng cho các ngành cơ khí chế tạo máy, gia công kim loại...có một vai trò rất to lớn trong lĩnh vực sản xuất của nền kinh tế quốc dân, cơ khí hoá có liên quan chặt chẽ đến điện khí hoá và tự động hoá. Dưới tác động của khoa học kỹ thuật hiện đại đối với các loại máy móc nói chung, đối với máy cắt gọt kim loại nói riêng ngày càng được cho phép đơn giản về kết cấu cơ khí của máy sản xuất và giảm nhẹ cường độ lao động. Máy cắt gọt kim loại được dùng 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. Nhằm mục đích hiểu biết sâu sắc môn học và nâng cao kiến thức thực tế, em được giao đề tài “Thiết kế hệ truyền động cho máy bào giường” 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 12m. 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 hiệnhành 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; thường Vth=5 á ( 75 á 120 )m/ph. Để tăng năng suất của máy,tốc độ hành trình ngược chọn lớn hơn tốc độ hành trình thuận : Vng=k. Vth (thường k = 2 á 3). Năng suất của máy phụ thuộc vào số hành trình kép trong một đơn vị thời gian : Trong đó: 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. Trong đó: L :Chiều dài hành trình của bàn máy. tdc :Thời gian đảo chiều của máy. - 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 k thì năng suất của máy tăng nhưng khi k>3 thì năng suất tăng không đáng kể vì lúc đó thời gian đảo chiều tdc 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. Xuất phát từ phương trình chuyển động trên trục làm việc: Trong đó: M – mômen động cơ lúc khởi động, Nm ; Mc – moomen cản trên trục làm việc, Nm ; JD – mômen quán tính của động cơ, kgm ; Jm – mômen quán tính của máy, kgm ; wm – tốc độ góc của trục làm việc, rad/s ; i – tỉ số truyền của bộ truyền. Ta có gia tốc của trục làm việc: Lấy đạo hàm của gia tốc và cân bằng với không ta tìm được tỉ số truyền tối ưu là: it.ư = Nếu coi Mc= 0 thì: it.ư = 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. Các yêu cầu đối với hệ thống truyền động máy bào giường a) Truyền động chính. Phạm vi điều chỉnh tốc độ truyền động chính là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất (tốc độ lớn nhất trong hành trình ngược) và tốc độ nhỏ nhất của bàn máy (tốc độ thấp nhất trong hành trình thuận). D = Trong đó: Vng.max : tốc độ lớn nhất của bàn máy ở hành trình ngược , thường Vng.max = 75 á 120 m/ph. Vth.min : tốc độ nhỏ nhất của bàn máy trong hành trình thuận, thường Vth.min = 4 á 6 m/ph. 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. b) 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 - êcu hoặc bánh răng - thanh răng. Lượng ăn dao trong một hành trình kép khi truyền động bằng hệ trục vít - êcu được tính như sau : S = wtv.t.T và đối với hệ truyền động bánh răng - thanh răng S = wbr.z.t.T Trong đó: wtv,wbr – tốc độ góc của trục vít,bánh răng, 1/s ; z – số răng của bánh răng ; t – bước răng của trục vít hoặc thanh răng, mm; T – thời gian làm việc của trục vít hoặc thanh răng, s. 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 tần số. Sau đây ta sẽ đi phân tích hai loại truyền động này từ đó chọn ra một phương án truyền động phù hợp. 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 phần ứng, đảo chiều bằng dòng kích từ. Giữ nguyên chiều dòng kích từ, đảo chiều dòng phần ứng. a) Hệ 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. b) Hệ chỉnh lưu Thyistor - 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. Hệ truyền động: Bộ biến đổi - Động cơ 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 một chiều. ở đây ta sử dụng phương án hệ truyền động động cơ một chiều dùng phương pháp chỉnh lưu. Chương III : Tính chọn thiết bị mạch lực. I. Tính chọn động cơ truyền động. 1. Phụ tải của truyền động chính Phụ tải truyền động chính (truyền động bàn máy) được xác định bởi lực kéo tổng. Nó là tổng 2 thành phần lực cắt và lực ma sát: FK= Fz+ Fms Trong đó: Fz : lực cắt, [N]. Fms : lực ma sát, [N]. a) Chế độ làm việc (hành trình thuận) : Fms = m [Fy + g(mct + mb)] Trong đó: m : hệ số ma sát gờ trượt , thường m = 0,05á 0,08, ở đây ta có m=0,075 Fy = 0,4.Fz : thành phần áp thẳng đứng của lực cắt [N] mct , mb : khối lượng chi tiết, bàn [kg] Ta có: Fms = 0,075. [ 0,4.35000 + 9,8(800 + 900)] = 2300 (N) Do đó lực kéo tổng là : FK = Fz + Fms = 35000 + 2300 = 37300 (N) b) Chế độ không tải. Khi làm việc không tải (hành trình ngược) do thành phần lực cắt bằng không nên lực ma sát bằng: Fms = m.g.( mct + mb ) Do đó lực kéo tổng là : FK = Fms = 0,075.9,8.( 800 + 900 ) = 1250 (N) 2. Tính chọn động cơ Công suất đầu trục động cơ khi cắtchính là công suất động cơ trong hành trình thuận: (kw) Trong đó : V = 40m/ph là tốc độ hành trình thuận. (kw) Mặt khác,do hệ thống truyền động điện là bộ biến đổi - động cơ điện một chiều nên động cơ phải chọn theo công suất tính toán Ptt: => (kw) Cần chọn động cơ có công suất định mức lớn hơn hoặc bằng công suất tính toán lớn nhất : Pđm ³ Pttmax => Pđm ³ 58,4 (kw) Như vậy ta có thể chọn động cơ loại: có các thông số: Pđm = 63 KW. nđm = 600 vòng/phút. Iđm = 318 A. Ikđm = 4,76A. Uđm = 220 V rcks = 33,1 W ; Rư+Rcp =0,225W; a =196; a: số đôi mạch nhánh song song . N =2; số nhánh song song của phần ứng. wcks = 950 ; wckn là số vòng dây một cực của cuộn song song. f=45.1 mVb; là từ thông hữu ích của một cực. nmax =1000vòng/phút ; nmax là tốc độ quay cực đại cho phép. J =15,3 kgm2 ; J là mômen quán tính của phần ứng . p =2; p số đôi cực ii. Tính toán thời gian quá trình chuyển động của máy Đồ thị tốc độ tối ưu của máy bào giường: V Vth Vo 0 -Vo Vng t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12 t13 t14 Có thể chia đồ thị tốc độ của động cơ thành 14 khoảng như hình vẽ trên. Trong đó: Khoảng t1 – bàn máy tăng tốc độ tới V0, không cắt gọt tương ứng với động cơ làm việc không tải(w1). Khoảng t2 – động cơ làm việc với tốc độ ổn định, không tải. Khoảng t3 – bắt đầu gia công chi tiết, động cơ làm việc với tốc độ ổn định, có tải. Khoảng t4 – giai đoạn động cơ tăng tốc độ đến wth tương ứng với tốc độ Vth của bàn máy. Khoảng t5 – giai đoạn cắt gọt,động cơ làm việc với tốc độ ổn định wth. Khoảng t6 - động cơ giảm tốc độ đến w1 ,có tải. Khoảng t7 - động cơ làm việc ổn định với tốc độ w1, có tải. Khoảng t8 – dao ra khỏi chi tiết, động cơ làm việc không tải với tốc độ w1. Khoảng t9,t10 - động cơ đảo chiều từ thuận sang ngược. Khoảng t11 - động cơ làm việc không tải với tốc độ wng tương ứng với tốc độ Vng của bàn máy. Khoảng t12 - động cơ giảm tốc độ ở chiều ngược. Khoảng t13 - động cơ làm việc ổn định với tốc độ w1. Khoảng t14 - động cơ bắt đầu đảo chiều từ ngược sang thuận,bàn máy bắt đầu thực hiện một hành trình kép mới. Thời gian của quá trình qúa độ (các khoảng t1,t4,t6,t9,t10,t12,t14) được xác định bằng công thức gần đúng: Trong đó: Mqđ,Iqđ - mômen, dòng điện động cơ trong qúa trình quá độ. Mc, Ic – mômen, dòng điện phụ tải của động cơ. w2, w1 – tốc độ ở cuối,đầu của quá trình qúa độ. Các khoảng thời gian t2,t3,t7,t8 xác định theo kinh nghiệm vận hành. Chọn t2 =t3=t7=t8=0,2 (s) Thời gian làm việc ổn định ở hành trình thuận được xác định như sau: [s] Trong đó : L5 – chiều dài bàn máy si chuyển trong khoảng thời gian t5 được xác định như sau: L5 = L - SLi Trong đó: L – chiều dài hành trình bàn máy trong hành trình thuận. SLi – tổng chiều dài hành trình bàn trong các đoạn quá trình quá độ và các đoạn bàn máy di chuyển với tốc độ v0. Nếu coi rằng trong quá trình quá độ bàn máy di chuyển với tốc độ trung bình không đổi thì : Li = Vi.ti với Vi,ti – tốc độ trung bình,đoạn thời gian thứ i. Tương tự ta xác định được t11. 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 = 0,67(m/s) Để có = 0,028 ta có thể chọn hộp số có tỷ số truyền i= 0,028/ 0,011=2,5. Chọn i=2,5. Mô men phụ tải của động cơ khi đã quy đổi về trục của động cơ: Tốc độ vào dao thường chọn V0 =10 (m/p) =10/60 =0,166 (m/s) Do đó : =0,166/0,007= 23,71 (rad/s) Mômen phụ tải động cơ khi không cắt ( hành trình ngược): Vng /==113,6 (rad/s) Mng = Png / 1960/113,6 = 17,25 (Nm). Mômen quán tính của bàn máy quy đổi về trục động cơ: Jm = (mb + mct ) .=(900 + 800).0,011= 0,206 Mômen quán tính của hệ thống: J = Jm + Jd = 0,206 + 15,3 = 15,506 (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 = 0,37m. L5 = L- Li = 2,8 – 0,37 = 2,43 (m) Do đó ta có thời gian cắt ổn định : tth==0,15+0,2+0,2+0,3+3,6+0,2+0,2+0,2+0,15=5,2 (s) Tính các khoảng thời gian trong quá trình chạy ngược: tng==0,7+1,51+0,6+0,15+0,2=3,16 (s). TCK=Tth+Tng=5,2+3,16=8,36 (s). Mđt= = (N.m) Mđông_cơ>Mđt. Như vậy động cơ chọn hoàn toàn phù hợp . iii. tính chọn bộ biến đổi Do công suất của động cơ lớn (>60kW) do đó ta phải dùng chỉnh lưu cầu 3 pha ud id 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: ua = U2sinq ub = U2sin(q - ) uc = U2sin(q - ) Góc mở a được tính từ giao điểm của các nửa hình sin Đồ thị dạng sóng khi góc mở 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. Thyristor 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. Thyristor 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 Thyristor theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1, ....Trong mỗi nhóm, khi một Thyristor 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 = = Giá trị hiệu dụng của dòng thứ cấp máy biến áp: I2 = = 0.816.Id Giá trị hiệu dụng dòng sơ cấp máy biến áp: I1 = = Công suất tính toán máy biến áp: Sba = 1,05 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. 1. Tính chọn van : Giá trị dòng trung bình chảy qua mỗi van: = 106 (A) Giá trị dòng cực đại qua mỗi van: Ivmax = Id = 318 (A) Giá trị điện áp ngược đặt lên mỗi van: Ungmax = .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 = 1,5.318= 477 (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 1000 1,3 20 1,5 4 800 1000 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 = = =259,6(A) Công suất máy biến áp: P = 3.U2.I2 = 3.100.259,6= 77,88(kVA). 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 nhằm 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 : Lựa chọn 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