Hệ thống điều khiển máy mài

Đề tài thiết kế môn học cơ sở truyền động đện điện
Tính chất của máy phát điện đợc xác định bởi hai đặc tính: đặc tính từ hoá là sự
phụ thuộc của điện áp trên hai cực của máy phát vào dòng điện tải. Các đặc tính này
nói chung là phi tuyến do tính chất của lõi sắt do các phản ứng của dòng điện phần
ứng v.v Trong tính toán gần đúng có thể tuyến tính hoá các đặc tính này:
E
F
=K
F
.
F
.
F
= K
F
.
F
.c.i
KF
Trong đó K
F
là hệ số kết cấu của máy phát.
C=
F
/i
Nếu dây quấn kích thức của máy phát đợc cấp bởi nguồn áp lý tởng U
KF
thì
i
U
r

KF
KF
KF
=
Sức điện động của máy phát trong trờng hợp này sẽ tỉ lệ với điện áp kích thích
bởi hệ số hằng K
F
, nh vậy có thể coi gần đúng máy phát điện một chiều kích từ độc
lập là một bộ khuyếch đại tuyến tính
E
F
=K
F
.U
KF
Nếu đặt R=R
ƯF
+R
ƯD
thì có thể viết đợc phơng trình các đặc tính của hệ F-Đ nh
sau:


=
K
K
U
RI
K
F

KF
(1)


=
K
K
U
R
K
M
F
KF
( )
2
(2)


=
O KF KD
KD
U U
M
U
( , )
( )
(3)
Các biểu thức (1), (2), (3) chứng tỏ rằng khi điều chỉnh dòng điện kích thích của
máy phát thì điều chỉnh đợc tốc độ không tải của hệ thống còn độ cứng đặc tính cơ
thì giữ nguyên. Cũng có thể điều chỉnh kích từ của động cơ để có dải điều chỉnh rộng

hơn.
-Các chế độ làm việc của hệ F-Đ.
Trong mạch động lực của hệ F-Đ không có phần tử phi tuyến nào nên có đặc
tính động rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc. Với sơ đồ căn bản
nh hình 10 động cơ chấp hành Đ có thể làm việc đợc chế độ điều chỉnh cả hai phía;
kích thích máy phát F và kích thích động cơ Đ, đảo chiều quay bằng cách điều chỉnh
dòng kích thích máy phát, hãm dộng khi dòng kích thích máy phát bằng không, hãm
tái sinh khi giảm tốc độ hoặc khi đảo chiều dòng kích từ, hãm ngợc cuối giai đoạn
hãm tái sinh khi đảo chiều hoặc khi làm việc ổn định với momen tải có tính chất thế
năng v.v Hệ F-Đ có các đặc tính cơ điền đầy cả 4 góc phần t của mặt phẳng toạ độ
[,M] (hình 11).
8
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17

18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
3
ở góc phần t thứ I và thứ III tốc độ quay và mômen quay của động cơ luôn cùng
chiều nhau, sẽ điện động máy phát và động cơ có chiều xung đối nhau và |E
F
| > |E|, |

C
| > ||. Công suất điện từ của máy phát và động cơ là:
P E I
P E I
P M
F F
D F
Co
= >

= <
= >





.
.
.
0
0
0
(4)
14
1
2
3
4
5
1
Đề tài thiết kế môn học cơ sở truyền động đện điện
Các biểu thức này nói lên rằng năng lợng điện vận chuyển thuận chiều từ nguồn
máy phát động cơ tải.
Nhận xét:
u điểm nổi bật của hệ F-Đ là sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả
năng qúa tải lớn. Do vậy thờng sử dụng hệ truyền động F-Đ ở các máy khai thác
trong hầm mỏ.
Nhợc 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, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp 3 lần

công suất động cơ chấp hành. Ngoài ra các máy phát một chiều có từ d, đặc tính từ
hoá có trễ nên khó khăn điều chỉnh sâu tốc độ.
2. Hệ truyền động chỉnh lu - động cơ (CL-Đ)
Hình 11. Đặc tính cơ hệ F-Đ trong chế độ động cơ
8
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
3
Trong hệ truyền động chỉnh lu điều khiển
động cơ một chiều (CL-Đ), bộ biến đổi là các
mạch chỉnh lu điều khiển có suất điện động E
đ
phụ thuộc vào giá trị của pha xung điều khiển
(góc điều khiển). Chỉnh lu có thể dùng làm
nguồn chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện
kích thích động cơ. Sơ đồ nguyên lý nh hình 12.
Với bộ biến đổi là chỉnh lu hình tia 3 pha (hình 13 a,b,c):
Trong mạch tải có điện cảm L nên i
d
thực tế là dòng điện liên tục i

d
=I
d
. Góc mở
đợc tính từ giao điểm 2 điện áp pha (phần giá trị dơng).
Giá trị trung bình của điện áp tải:
U U Sin d
U
Cos
d
= =
+
+

3
2
2
3 6
2
6
5
6
2
2

. .
(5)
Hình 12. Sơ đồ nguyên lý của hệ
truyền động chỉnh lu động cơ
Hình 13 -a) Sơ đồ nối dây; b) Sơ đồ thay thế của chỉnh lu tia ba pha c)
Đồ thị thời gian
16
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
Đề tài thiết kế môn học cơ sở truyền động đện điện
Hình 14 -a) Sơ đồ nối dây;
b) Sơ đồ thay thế của chỉnh lu cầu không đỗi xứng c) Đồ thị thời gian
Với chỉnh lu cầu một pha không đối xứng (hình 14):
U U Sin d
U
Cos
d

= = +

1
2
2
2
1
2
2






. . ( )
(6)
của dòng tải
I
U
R
d
d
=

(7)
Dòng điện chỉnh lu I
d
chính là dòng điện phần ứng động cơ điện dựa vào sơ đồ
thay thế có thể viết phơng trình đặc tính:

=
U
K
R X
K
I
d
dm
t k
dm
.
.
(8)


=
U
K
R X
K
M
d
dm
t k
dm
.
( )
.

2
(9)
Đặc tính có độ cứng =
( )
.
K
R X
dm
t k

2
còn tốc độ không tải lý tởng thì tuỳ thuộc vào
góc điểu khiển .



o
dm
U
K
Cos=
3 6
2
2
. .
(đối với chỉnh lu tia 3 pha)



o

dm
U
K
Cos= +
2
2
1
2
. .
( )
(đối với chỉnh cầu 1 pha)
Thay đổi góc điều khiển từ 0 đến , suất điện động chỉnh lu thay đổi từ +E
dmax
-E
dmax
và ta đợc họ đặc tính song song (hình 15) nhau nằm ở nửa bên phải của mặt
8
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

13
14
15
16
17
18
3
phẳng toạ độ [,I] do van không cho dòng điện phần ứng đổi chiều. Các đặc tính cơ
của hệ CL-Đ mềm hơn các đặc tính của hệ F-Đ bởi thành phần sụt áp U
k
do hiện t-
ợng chuyển mạch giữa cac van bán dẫn gây nên.
Nhận xét:
Ưu điểm nổi bật 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 khuyêch đại công suất rất cao, điều đó rất
thuận lợi cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao
chất lợng các các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống.
Nhợc điểm chủ yếu của hệ thống T-Đ là do các van bán dẫn có tính phi tuyến
mạnh, dạng điện áp chỉnh lu ra có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy
điện, và các truyền động có công suất lớn còn làm xấu dạng điện áp của nguồn và lới
xoay chiều. Hệ số công suất cos của hệ nói chung là thấp.
Kết luận:
Qua các nhận xét về hai hệ truyền động trên cùng với u nhợc điểm của chúng em
quyết định chọn hệ truyền động chỉnh lu động cơ vì nó có nhiều u điểm hơn, và
Hình 15- Đặc tính cơ của hệ CL-Đ
18
1
2
3
4

5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1
Đề tài thiết kế môn học cơ sở truyền động đện điện
truyền động cho máy mài không cần công suất lớn nên tránh đợc nhợc điểm của nó
là xấu điện áp nguồn và lới điện xoay chiều.
IV. Chọn bộ biến đổi
Sau khi đã chọn đợc hệ truyền động CL-Đ ta tiếp tục đi chọn bộ biến đổi. Vì hệ
có yêu cầu không cao về xung dòng điện ở mạch phần ứng và mạch kích từ. Nên em
chỉ xét hai bộ biến đổi: Sơ đồ cầu 1 pha và sơ đồ tia 3 pha.
1. Chỉnh lu cầu 1 pha không đối xứng
Hoạt động của sơ đồ:
8
1
1
2
3
4
5
6

7
8
3
Khi =
1
cho xung điều khiển mở T
1
trong khoảng thời gian
1

2
tiristor T
1
và
điôt D
2
cho dòng chảy qua. Khi U
2
bắt đầu đổi dấu D
1
mở ngay, T
1
tự
nhiên khoá lại, dòng i
d
=I
d
chuyển từ
T
1

sang D
1
(lúc này D
2
vẫn cho dòng
chảy qua do sức điện động tự cảm
trong L
d
tạo ra).
D
1
và D
2
cùng cho dòng chảy qua, U
d
=0
Khi =
3
=+ cho xung mở T
3
. Dòng tải i
d
=I
d
chảy qua D
1
và T
2
. Điot D
2

bị
khoá lại . . .
Trong sơ đồ này, góc dẫn dòng của Tiristor và của điôt không bằng nhau.
Góc dẫn dòng của điốt là
D
=+, còn góc dẫn dòng của tiristor là
T
=-.
Giá trị trung bình của điện áp tải:
Ud U Sin d
U
= = +

1
2
2
1
2
2






. ( cos )
của dòng tải
I
U
R

d
d
=

của dòng trong tiristor
I I d
I
T d
d
= =


1
2 2





.
.( )
của dòng trong điốt
I I d
I
T d
d
= =

+

1
2 2





.
.( )
Hình 16. Sơ đồ đấu dâu của chỉnh lu cầu
một pha bán điều khiển
20
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18

19
20
1
Đề tài thiết kế môn học cơ sở truyền động đện điện
Giá trị hiệu dụng của dòng chảy trong cuộn dây thứ cấp máy biến áp
I I d I
d d2
2
1
1= =







Nhận xét:
Sơ đồ cầu cho phép sử dụng một nửa số van là tiristor, nửa còn lại là điốt. Do đó
làm giảm đợc giá thành thiết bị biến đổi vì rẻ tiền hơn nhiều so với tiristor. Sơ đồ điều
khiển cũng trở nên đơn giản hơn.
Hình 17. Đồ thị điện áp và dòng điện của mạch chỉnh lu cầu bán điều khiển
8
1
1
2
3
4
5
6

3
2. Sơ đồ 3 pha hình tia
* Giới thiệu sơ đồ:
BA: máy biến áp cung cấp.
T
1
,T
2
,T
3
: các van chỉnh lu có điều khiển
* Nguyên lý làm việc:
Giả thiết Ld=, cho sơ đồ làm việc với một góc điều khiển bằng và cũng giả
thiết là sơ đồ đã làm việc xác lập trớc thời điểm bắt đầu xét (t=0)
Ta tạm giả thiết rằng : trớc thời điểm t=
1
=thì trong sơ đồ vanT
3
đang dẫn
dòng và các van khác còn ở trạng thái khoá, khi đó trên van T
1
sẽ có điện áp thuận (vì
u
T1
= u
a
- u
c
= u
ac

, và tại t =
1
= thì u
ac
>0 nên u
T1
>0 ). Tại t =
1
= thì T
1
có tín hiệu
điều khiển, T
1
có đủ hai điều kiện để mở nên T
1
mở và u
T1
giảm về bằng không. Do
u
T1
=0 nên u
d
=u
a
, và từ sơ đồ ta xác định đợc điện áp trên T
3
là
u
T3
=u

c
- u
a
= u
ac
, tại
1
thì u
ac
<0, tức là T
3
bị đặt điện áp ngợng nên khoá lại, van
T
2
thì vẫn khoá, do vậy trong khoảng tiếp sau
1
trong sơ đồ chỉ có van T
1
dẫn dòng,
khi T
1
dẫn dòng :
u
d
= u
a
; i
T1
= i
a

= I
d
; i
T2
=0 ; i
T1
=0 ; u
T2
= u
ba
; u
T2
=u
ca .
Đến t = 5/6 thì u
a
=u
b
, đây là thời điểm mở tự nhiên đối với T
2
, nhng T
2
cha
mở vì cha có tín hiệu điều khiển,do u
a
vẫn dơng kết hợp với tác dụng cùng chiều của
s.đ.đ tự cảm trong L
d
mà T
1

vẫn tiếp tục dẫn dòng.
Đến t = thì u
a
=0 và sau đó chuyển sang âm nhng T
2
còn cha mở nên T
1
vẫn
tiếp tục làm việc nhờ s.đ.đ tự cảm của L
d
( ở đây >30
0
).
Tại t =
2
= 5/6 + thì T
2
có tín hiệu điều khiển và do đang có điện áp thuận
nên T
2
mở, T
2
mở thì u
T2
giảm về bằng không nên u
d
= u
b
và u
T1

= u
a
- u
b
= u
ab
mà tại
2
thì u
ab
<0, tức là T
1
bị đặt điện áp ngợc nên khoá lại. Do vậy từ
2
trong sơ đồ chỉ có
van T
2
dẫn dòng, khi T
2
mở :
u
d
= u
b
u
T1
= 0 i
T3
= 0 i
T2

= i
d
= I
d
u
T1
= u
ba
u
T3
= u
cb
i
T1
= 0
Suy luận tơng tự nh vậy ta có từ t=
2
đến t=
3
thì T
3
làm việc và:
u
d
= u
c
u
T1
= 0 i
T2

= 0 i
T3
= i
d
= I
d
u
T1
= u
ac
u
T2
= u
bc
i
T3
=0
Tại u
T1
=u
1
(chậm sau thời điểm mở tự nhiên đối với T
1
1 góc điều khiển ) thì T
1
có tín hiệu điều khiển lúc này u
T1
thuận (u
T1
= u

ac
tại u
1
>0) dẫn đến T
1
mở suy ra u
T1
giảm về 0 và u
T3
= u
c
- u
a
= u
ca
.
Tại
1
: u
T3
<0 tức là T
3
bị đặt điện áp ngợc còn van T
3
vẫn cha dẫn dòng. Nh vậy
trong gia đoạn này thì trong sơ đồ chỉ có van T
1
dẫn dòng ta có:
u
d

=u
a
u
T2
=u
ba
i
T1
=

i
d
= Id
22
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
1
Đề tài thiết kế môn học cơ sở truyền động đện điện
u
T1
=0 u
T3
=u
ca
i
T2

=0;

i
T3
= 0
-Đến t= thì ua=0 và bắt đầu chuyển sang âm, ở trờng hợp này ta phải giả sử
góc > 30
0
thì tại thời điểm này van T2 vẫn cha có tín hiệu điều khiển u
ng
, u
a
có xu h-
ớng chống lại dòng qua T
1
, nhng do suất điện động tự cảm trong Ld do đó van T
1
vẫn
tiếp tục dẫn dòng.
Tại
2
: u
T1
<0 tức là T
1
bị đặt điện áp ngợc còn van T
1
khoá lại và ta có:
u
d

=u
b
u
T2
=0 i
T3
=0 i
T2
=i
d
=I
d
u
T1
=u
ba
u
T3
=u
cb
i
T1
=0
-Tại t=u
B
, T
3
có tín hiệu điều khiển U
T3
thuận dẫn đến T

3
mở và u
T3
giảm về 0,
u
T2
=u
b
-u
c
.
Tại
3
: u
T2
<0 tức là T
2
bị đặt điện áp ngợc còn van T
2
khoá lại và ta có:
u
d
=u
c
u
T2
=u
bc
i
T1

=0 i
T3
=i
d
=I
d
u
T1
=u
ac
u
T3
=0 i
T2
=0
8
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

3
Tại
4
: u
T2
<0 tức là T
2
lại có tín hiệu điều khiển T
1
mở, T
3
bị đặt điện áp ngợc
khoá lại. Sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc ban đầu.
Nhận xét :
Qua phân tích 2 bộ biến đổi trên ta thấy sơ đồ 3 pha hình tia rất phức tạp và tốn
nhiều linh kiện bán dẫn. Còn sơ đồ cầu 1 pha không đối xứng dùng ít linh kiện hơn,
mật độ phức tạp ít hơn , nên đối với yêu cầu công nghệ của máy mài ta chỉ cần dùng
sơ đồ cầu 1 pha không đối xứng.
V. Mạch bảo vệ
1. Bảo vệ cắt khẩn cấp
a. Bảo vệ ngắn mạch và qúa tải bằng dây chảy
Để bảo vệ Tiristor và điôt tránh dòng điện phá hoại chúng em dùng dây chẩy
tác động nhanh. Loại dây chảy này làm bằng lá bạc đặt trong vỏ sứ có chứa cát thạch
anh.
Hoạt động của dây chẩy chia thành hai giai đoạn (hình 15).
-Giai đoạn chảy từ t=0 đến khi bắt đầu xuất hiện hồ quang t
hq
.
-Giai đoạn hồ quang từ t
hq

đến t
c
.
Cách đặt dây chảy bảo vệ thiết bị bán dẫn mà em dùng trong sơ đồ (hình 16):
-Đặt nối tiếp từng Tiristor.
-Đặt từng pha của cuộn dây thứ cấp máy biến ấp.
b. Bảo vệ quá điện áp
Tiristor cũng rất nhậy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp định mức, ta gọi là
quá điện áp. Mà thờng do hai loại nguyên nhân sảy gây nên qúa điện áp.
Hình 15. Biều đồ hoạt động của dây
chảy
Hình 16. Cách mắc dây chảy để bảo
vệ mạch
24
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

17
18
19
20
21
22
1
Đề tài thiết kế môn học cơ sở truyền động đện điện
-Nguyên nhân nội tại: đây là sự tích tụ điện trong các lớp bán dẫn. Khi khoá
tiristor bằng điện áp ngợc các điện tích nói trên đổi ngợc hành trình, tạo ra dòng điện
ngợc trong khoảng thời gian rất ngắt .
Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngợc gây ra sức điện động cảm ứng rất
lớn trong các điện cảm, luôn luôn có, của đờng dây nguồn dẫn đến các tiristor. Vì vậy
giữa Anot và Catot của tiristor xuất hiện quá điện áp (xem hình 17).
-Nguyên nhân bên ngoài .
Những nguyên nhân ngoài thờng xảy ra ngẫu nhiên khi cắt không tải một máy
biến áp trên đờng dây, khi một cầu chì bảo vệ nhẩy, khi có sấm sét.
Để bảo vệ quá điện áp em dùng mạch RC. Mạch RC đấu song song với tiristor
nhằm bảo vệ quá điện áp do tích tự điện khi chuyển mạch gây nên. Mạch RC đấu
giữa các pha thứ cấp máy biến áp là để bảo vệ quá điện áp do cắt không tải (dòng
điện từ hoá) máy biến áp gây nên (hình 18).
2. Bảo vệ cắt có thời gian
Quá tải, cách điện giảm, quá nhiệt v.v Mạch bảo vệ phát hiện và phát tín hiệu
cảnh báo trong lúc đó mạch điều chỉnh sẽ tự thay đổi tham số điều khiển để thoát
khỏi sự cố hoặc ngời vận hành trực tiếp điều chỉnh. Nếu sau một thời gian quy định
mạch bảo vệ sẽ tác động cắt hệ thống, ngừng làm việc để giải quyết vấn đề sự cố.
Mạch bảo vệ thực hiện cắt có thời gian bằng các thiết bị nh áptômát, rơ le nhiệt.
VI. Chọn Chế độ hãm
Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngợc chiều tốc độ quay. Với
động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm: Hãm tái sinh, hãm ngợc

và hãm động năng. Việc chọn phơng pháp hãm phù hợp với công nghệ là điều rất
quan trọng.
1. Hãm tái sinh
Hình 18 Sơ đồ mắc RC để bảo vệ mạch điện.
Hình 17
8
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23

24
25
3
Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải. Khi
hãm tái sinh E>U động cơ làm việc nh một máy phát điện song song với lới. So với
chế độ động cơ, dòng và momen hãm đã đổi chiều và đợc xác định theo biểu thức:
I
U E K K
h
u u o o
=

=

<
R R

0
M
h
=KI
n
<0
Trị số hãm lớn dần lên cho đến khi cân bằng với mômen phụ tải của cơ cấu thì
hệ thống làm việc ổn định với
ođ
>
o
.
Phơng trình đặc tính cơ ở đoạn hãm tái sinh là (hình 19):

=
U
K
R
K
M
u u
( )
.
2
Đờng đặc tính cơ ở trạng thái hãm tái sinh nằm trong góc phần t thứ 2 và thứ 4
của mặt phẳng toạ độ.
26
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1
Đề tài thiết kế môn học cơ sở truyền động đện điện
Trong trạng thái hãm tái sinh, dòng điện hãm đổi chiều và công suất đợc đa trả
về lới có giá trị P=(E-U)I. Đây là phơng pháp hãm kinh tế nhất vì động cơ sinh ra

điện năng hữu ích.
Do bộ biến đổi đơn khôngcho phép dẫn dòng ngợc (mà ở chế độ hãm ngợc thỉ
dòng điện đa lên lới bị đảo chiều (xem hình 19)) nên hệ truyền động của ta không
thực hiện đợc hãm tái sinh.
2. Hãm ngợc
Trạng thái hãm ngợc của động cơ xảy ra khi phần ứng dới tác dụng của động
năng tích luỹ trong các bộ phận chuyển động hoặc do momen thế năng quay ngợc
chiều với momen điện từ của động cơ. Mômen sinh ra bởi động cơ khi đó chống lại
sự chuyển động của cơ cấu sản xuất.
Có 2 trờng hợp hãm ngợc:
a.Thêm điện trở phụ mạch phần ứng
Đa thêm điện trở phụ có trị số đủ lớn vào mạch phần ứng của động cơ sao cho
momen ngắn mạch của đặc tính biến trở nhỏ hơn mômen cản. Trờng hợp này chỉ gặp
khi tải thế năng. Các đặc tính đợc biểu diễn trên hình 19-Đoạn đặc tính hãm ngợc là
đoạn cd.
Trong đoạn hãm ngợc cd vì tốc độ đổi chiều, suất điện động E đổi dấu nên:
Dòng điện hãm:
I
U E K K
h
u u o o
=
+
=
+
R + R R + R
u f u f

M = KI
h

Hình 19. Đặc tính hãm tái sinh của
động cơ kích từ độc lập
Hình 20. Đặc tính hãm ngợc khi đa Rf vào
mạch phần ứng động cơ kích từ độc lập
8
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
3