Thiết kế hệ thống truyền động cho cân băng định lượng

Đồ án môn học tổng hợp hệ điện cơ
Thiết kế hệ thống truyền động
cho cân băng định l ợng

Phễu
Vật liệu

F

Cơ cấu cân định lợng

Puli chủ động

Hộp số

Động cơ

Động cơ điện một chiều
- Số liệu :
+ Lực kéo 600N
+ Tốc độ cực đại 2 m/s
+ Tốc độ cực tiểu 0,75 m/s
+ Đờng kính trục 0.3 m
1


+ Hộp số i = 10 ; = 0.8
- Yêu cầu :
+ Nêu yêu cầu công nghệ của truyền động
+ Tính chọn công suất động cơ
+ Chọn phơng án truyền động

+ Xây dựng sơ đồ điều khiển
+ Tổng hợp hệ

Chơng I
Mô tả quá trình công nghệ và yêu cầu đối với hệ
truyền động cân băng định l ợng

1 . Mô tả quá trình công nghệ của cân băng định lợng
Cân băng định lợng là cơ cấu tác động liên tục thuộc nhóm máy nâng
vận chuyển. Là thiết bị vận tải liên tục dùng để chuyên chở hàng dạng hạt, cục
( cát, đá dăm, than, thóc gạo ...) hoặc các vật liệu thể rắn ( gỗ , hòm , thép thỏi
) theo phơng nằm ngang hoặc theo mặt phẳng nghiêng ( góc nghiêng không
lớn hơn 30o ). Nó đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất, là cầu nối
giữa các hạng mục, công trình sản xuất riêng biệt giữa các phân xởng trong
một nhà máy, giữa các máy sản xuất trong một dây chuyền sản xuất.
Hệ truyền động cân băng định lợng gồm có:
+ Động cơ
+ Hộp số
+ Puli chủ động
+ Băng tải
+ Phễu

2


+ Cơ cấu cân định lợng
Động cơ quay tang chủ động thông qua hộp số và Puli chủ động , nhờ
ma sát mà băng tải chuyển động . Tang bị động tự do quya do mats với băng .
Để khắc phục độ võng của băng ngời ta đặt các con lăn và chúng cũng tự do
quay do ma sát với băng . Vật liệu từ phễu nhờ băng tải đợc chuyển đến đổ ở

máng phối liệu. Khối lợng của vật liệu đợc cơ cấu cân định lợng cân chính xác
theo lợng đặt ban đầu.
Năng suất của băng tải đợc tính theo biểu thức:

Q = .v

[ kg/s ]

hay:

Q=

3600..v
= 3,6..v [ tấn/h ]
1000

trong đó:
: khối lợng tải theo cjiều dài [kg/m ]
v : tốc độ di chuyển của băng [m/s]
Khối lợng của băng tải theo chiều dài đợc tính theo công thức:

= S . .10 3
trong đó:
: khối lợng riêng của vật liệu [ tấn/m3 ]
S : tiết diện cắt ngang của vật liệu trên băng [ m2 ]

2 . Các thông số kỹ thuật, đặc điểm công nghệ và yêu cầu đối với hệ
truyền động băng tải phối liệu
2.1 . Các thông số kỹ thuật
Hệ truyền động sử dụng động cơ điện một chiều.

Lực kéo 600 N
Tốc độ cực đại 2 m/s
Tốc độ cực tiểu 0,75 m/s
Đờng kính trục 300 mm
Hộp số i = 10 ; = 80%
2.2 . Đặc điểm công nghệ và yêu cầu đối với hệ truyền động
a . Loại phụ tải

3


Đặc tính cơ của máy sản xuất thờng có dạng

M c = M co + ( M dm

w
M co )
w
dm

Mco

- Mômen ứng với tốc độ = 0

Mđm

- Mômen ứng với tốc độ wđm

Mc

- Mômen ứng với tốc độ

trong đó:








Với băng tải = 0. Do đó ta có Mc = Mđm = const . Ta thấy rằng tải của
hệ truyền động băng tải phối liệu hầu nh ít thay đổi trong quá trình làm việc.
Hệ truyền động này là hệ làm việc ở chế độ dài hạn.
Ta có đồ thị công suất và momen cản tĩnh của truyền động điều chỉnh
tốc độ với Mc = const nh sau:
w

wmax
Pc

wmin

b . Chiều quay của băng

Mc
Pmax

Mc ,Pc

Băng tải nhận vật liệu từ phễu và vận chuyển đến nơi phối liệu nên
chuyển động của nó là theo một chiều bắt buộc và không có đảo chiều quay.
Nếu đảo chiều quay của băng tải thì do quán tính nguyên vật liệu sẽ rơi vãi,
không bảo đảm đợc yêu cầu phối liệu. Ngoài ra khi đảo chiều thì có một số
phần của vật liệu không chuyển qua đợc thiết bị cảm biến để cân chính xác.

c . Giản đồ phụ tải
4


Các thông số chính của hệ truyền động
Vận tốc lớn nhất, nhỏ nhất
vmin = 0,75 ( m/s )
vmax = 1,5 ( m/s )
Vận tốc của trục quay
v min
0,75
=
= 0,5( rad / s)
R
0,15
v
1,5
w' max = max =
= 10( rad / s)
R
0,15
Vận tốc của trục quay qui đổi với i = 10
w' min =

wmax = w' max .i = 10.10 = 100(rad / s )
wmin = w' min .i = 0,5.10 = 5( rad / s )
Từ phơng trình động học của truyền động điện
M =M c +J

dw
dt

ta có giản đồ phụ tải

MC
1

2

3

t

0

+ Đoạn 01 là đoạn băng tải đợc khởi động. Vì băng tải làm việc ở chế
độ dài hạn, số lần đóng cắt ít. Các yêu cầu về khởi động động cơ là
không nặng nề. Ta có thể cho băng tải khởi động đến tốc độ làm việc và
ổn định ở tốc độ đó rồi mới cho nguyên vật liệu rơi xuống băng từ phễu.
+ Đoạn 12 là đoạn băng tải làm việc với tải M c không đổi. Biến thiên
dw/dt chỉ có trong giai đoạn tốc độ biến thiên tức đoạn 01 và 23.
+ Đoạn 23 là đoạn giảm tốc và dừng băng tải. Ta cũng có thể cho băng
tải dừng tự do, hoặc dừng tự do có dùng thêm phanh hãm.
5

d . Các yêu cầu về khởi động và hãm
Hệ truyền động băng tải phối liệu khi khởi động với gia tốc lớn sẽ làm
tăng lực đàn hồi gây biến dạng băng và làm đứt băng. Để hạn chế điều này ta
phải sử dụng khâu giảm tốc khi khởi động.
Để động cơ có thể khởi động đợc sau khi mất điện trong quá trình làm
việc thì chọn động cơ có mômen khởi động đủ lớn.
Khi dừng thì không yêu cầu dừng chính xác, nhng cũng tránh cho hệ
dừng với gia tốc lớn gây h hỏng, đứt băng. Hệ truyền động băng tải thờng làm
việc liên tục ít khi phải dừng nên không cân fthiết kế bộ giảm tốc. Cũng
không cần thiết kế phanh hãm vì khi kết thúc công việc ta sẽ để cho băng
dừng tự do.
e . Sơ đồ động học
Sơ đồ động học của hệ truyền động cân băng định lợng có dạng đơn
giản nh sau :

Wc

Wd
i
n

Pc

Mc

puli chủ động kéo
máy sản xuất

Trong đó:
1- Động cơ điện
2- Hộp tốc độ
3- Trục chính để lắp vào máy quay băng tải

g . Hệ truyền động nhiều động cơ
Khi có nhiều băng tải làm việc nối tiếp trong một dây truyền đòi hỏi
phải đồng bộ hoá tốc độ của các động cơ truyền động và đặt các khoá liên

6


động cần thiết bảo đảm thứ tự tác động. Khi đó tốc độ động cơ phải bằng nhau
trong mọi trờng hợp để tránh các lực đàn hồi trên băng.
h . Độ chính xác
Độ chính xác về tốc độ là yêu cầu quan trọng , đợc đánh giá bởi sai
lệch tĩnh:

% =

w wt
w
100% = d
100%
wdm
wd

i . Dải điều chỉnh
D = w max : w min = 1,5 : 0,75 = 2 : 1

Chơng II

tính chọn công suất động cơ

1 . Xác định các thông số cần thiết:
Tốc độ lớn nhất và nhỏ nhất
v max
.i = (1,5 / 0,015) * 10 = 100(rad / s)
R
= ( max * v min ) / v max = 5(rad / s)

max =
min

Mô men cản qui đổi về trục động cơ:

M cqd =

F.R 600.0,15
=
= 11,25( Nm)
i.
10.0,8

7


2 .Tính công suất động cơ:
Để tính chọn công suất động cơ trong trờng hợp truyền động có điều
chỉnh tốc độ, ta cần xác định các yêu cầu cơ bản sau:

Đặc tính phụ tải truyền động
Pc(), Mc(): Phụ tải truyền động yêu cầu điều chỉnh tốc độ với M =

const. Khi đó, công suất yêu cầu cực đại Pmax = Mđm.max


M c = const
max

min
0

M

c

Đặc tính phụ tải



Phạm vi điều chỉnh tốc độ max và min
Dải điều chỉnh tốc độ:



D =max/min = 2 : 1

Phơng pháp điều chỉnh và bộ biến đổi trong hệ thống truyền động

Dự dịnh dùng phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng sử dụng chỉnh lu
cầu ba pha có điều khiển (thyristor).


Loại động cơ truyền động

Yêu cầu dùng động cơ một chiều kích từ độc lập.
Đặc điểm của truyền động băng tải là giữ M = const trong phạm vi
điều chỉnh tốc độ. Do đó, ta có yêu cầu công suất cực đại:
Pmax = M cqd * max = 11,25 * 100 = 1125( w)
Pdm = 1,25 * Pmax = 1125 * 1,25 = 1400( w) = 1,4(kw)

Ta chọn loại động cơ H-68 của Nga với các thông số sau
Pđm = 1,45 (kW)
8


Uđm = 220 (V)
Iđm = 8,5 (A)
nđm = 2100 (vòng/phút)
R = R + Rcp =2,49()
đm = 4,8 (mWb)
Ikt = 0,57 (A)
Jđ = 0,125 (kg.m2)
2p = 4
Xác định các thông số động cơ


Điện cảm phần ứng

U



220

dm
L = k L . I . p.n = 5,6. 8,5.2.2100 = 0,0345( H ) = 34,5(mH )
dm
dm



Trong đó kL là hệ số lấy giá trị 5,5 ữ 5,7 đối với máy không bù và



kL= 1,4 ữ 1,9 đối với máy có bù; p là số đôi cực.





kđm =

U dm . I dm .R 220 - 8,5.2,49
=
= 0,9
dm
219,9

Mômen quán tính phần ứng : J = 0,125(kg.m2)
R .J

(2,49 + 0,182).0,125
= 0,412(s)
(0,9) 2




Hằng số thời gian cơ học Tc = (k ) 2 =
dm



ư
Hằng số thời gian mạch phần ứng T = R = 2,49 = 0,014( s )

L



0,0345

Phơng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:


=

Uư
R

M = 244,4 3,07 M
k (k ) 2

9


Chơng III
Chọn phơng án truyền động

Chọn phơng án truyền động là dựa trên các yêu cầu công nghệ và kết
quả tính chọn công suất động cơ, từ đó tìm ra một loạt các hệ truyền động có
thể thoả mãn yêu cầu đặt ra. Bằng việc phân tích, đánh giá các chỉ tiêu kinh tế,
kỹ thuật các hệ truyền động này, kết hợp tính khả thi cụ thể mà ta có thể lựa
chọn đợc một vài phơng án hoặc một phơng án duy nhất để thiết kế.
Lựa chọn phơng án truyền động tức là phải xác định đợc loại động cơ truyền
động một chiều hay xoay chiều, phơng pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với
đặc tính tải, sơ đồ nối bộ biến đổi đảm bảo yêu cầu truyền động.
Từ những phân tích về đặc điểm công nghệ, yêu cầu truyền động của
băng tảI và nhiệm vụ thiết kế (dùng động cơ đIện một chiều), để điều chỉnh
tốc độ động cơ quay puli chủ động, ta phải điều chỉnh điện áp phần ứng động
cơ, giữ từ thông không đổi.
Với phơng án điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp phần ứng và giữ từ
thông động cơ không đổi thì ta có các phơng án truyền động sau:
Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (Hệ F-Đ).
Hệ thống truyền động chỉnh lu điều khiển thyristor- động cơ một chiều (
Hệ T-Đ).
Hệ thống điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều ( Hệ XA-Đ).

1 . Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (F-Đ):
a . Cấu trúc hệ F-Đ
Hệ thống máy phát - động cơ (hệ F-Đ hay Ward-Léonard) là hệ truyền
động điện mà bộ biến đổi điện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập.
Máy phát điện này thờng do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha ĐK quay
và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi.

10


~
ĐK
F

I
U

i KF
F
U

đku

U

Đ

U

đk

i KĐ

M

kF

kĐ


M

~

Sơ đồ nguyên lý hệ F-Đ

Sơ đồ nguyên lý một hệ F-Đ đợc thể hiện trên hình vẽ. Động cơ Đ
truyền động quay chi tiết của máy mài M đợc cấp điện từ máy phát F. Động cơ
sơ cấp kéo máy phát F với tốc độ không đổi là động cơ điện không đồng bộ
ĐK. Khi điều chỉnh dòng điện kích từ máy phát iKF thì điều chỉnh đợc tốc độ
không tải của hệ thống còn độ cứng đặc tính cơ đợc giữ nguyên.
b . Đặc điểm của hệ F-Đ
Các chỉ tiêu chất lợng của hệ truyền động F-Đ về cơ bản tơng tự nh các
chỉ tiêu hệ điều chỉnh điện áp dùng bộ biến đổi nói chung. Ưu điểm nổi bật
nhất của hệ F-Đ là sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng
quá tải lớn. Do vậy thờng sử dụng hệ F-Đ ở các máy khai thác trong công
nghiệp 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, hiệu suất thấp (không
quá 75%), công suất lắp đặt máy ít nhất gấp ba lần công suất động cơ chấp

hành. Ngoài ra, do các máy phát một chiều có từ d, đặc tính từ hoá có trễ nên
khó điều chỉnh sâu tốc độ. Với những hệ truyền động điện đòi hỏi dải điều
chỉnh rộng hơn và cần điều chỉnh sâu hơn, ổn định tốc độ tốt hơn thì phải thay
máy phát F bằng các nguồn áp máy điện khác nh các máy điện khuếch đại
(MKĐ) và có các phản hồi nâng cao chất lợng.
Các đặc điểm khác
Phạm vi điều chỉnh tốc độ đợc nâng lên (cỡ 30:1). Điều chỉnh tốc độ
bằng phẳng trong phạm vi điều chỉnh. Việc điều chỉnh tiến hành trên mạch

11


kích từ máy phát nên tổn hao nhỏ. Hệ điều chỉnh đơn giản, có thể thực hiện
hãm điện dễ dàng.
Vốn đầu t ban đầu và diện tích lắp đặt lớn.
2 . Hệ thống truyền động chỉnh lu điều khiển - động cơ một chiều:
Tốc độ động cơ điện một chiều có thể đợc điều chỉnh trong phạm vi
rộng và bằng phẳng nhờ hệ chỉnh lu - động cơ (hay hệ truyền động van một
chiều) trong đó các bộ chỉnh lu là điều khiển đợc. Các van điều khiển có thể là
đèn thyraton, đèn thuỷ ngân, thyristor. Hiện nay, do công nghệ chế tạo bán
dẫn công suất phát triển nên các thyristor đợc sử dụng rộng rãi để tạo ra các
bộ chỉnh lu có điều khiển bởi những tính chất u việt: gọn nhẹ, tổn hao ít, quán
tính nhỏ, tác động nhanh, công suất khống chế nhỏ... Trong hệ thống truyền
động chỉnh lu điều khiển - động cơ một chiều (CL-Đ), bộ biến đổi có sức điện
động Eđ phụ thuộc giá trị của pha xung điều khiển (góc điều khiển ). Chỉnh
lu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng kích từ động
cơ. Tùy theo yêu cầu cụ thể của truyền động mà có thể dùng các sơ đồ chỉnh lu thích hợp (chỉnh lu cầu, chỉnh lu tia ...). Các bộ chỉnh lu thyristor dùng trong
truyền động điện một chiều tạo thành hệ thống truyền động Thyristor - Động
cơ (hệ T-Đ).
a . Hệ truyền động thyristor-động cơ (T-Đ)

Hệ truyền động T-Đ là hệ truyền động động cơ điện một chiều kích từ
độc lập, điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần
ứng hoặc thay đổi điện áp đặt vào phần kích từ của động cơ thông qua các bộ
biến đổi chỉnh lu dùng thyristor.
~

U
~

U

Đ
đk

đk

i KĐ

M

M

Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động T-Đ

12


b . Đặc tính cơ của hệ T-Đ
Trong hệ T-Đ, nguồn cấp cho phần ứng động cơ là bộ chỉnh lu thyristor.
Dòng điện chỉnh lu cũng chính là dòng điện phần ứng động cơ. Chế độ làm

việc của chỉnh lu phụ thuộc vào phơng thức điều khiển và các tính chất của tải.
Trong truyền động điện, tải của chỉnh lu thờng là cuộn kích từ (L-R) hoặc
mạch phần ứng động cơ (L-R-E).
Phơng trình đặc tính cơ cho hệ T-Đ ở chế độ dòng điện chỉnh lu liên
tục:
=

E do cos
R

M
k dm
( k dm ) 2
2

Độ cứng của đặc tính cơ là = k dm trong đó R là tổng trở toàn
R
mạch phần ứng động cơ (gồm điện trở phần ứng động cơ R và điện trở các
phần tử trong mạch nối tiếp với phần ứng động cơ).
Tốc độ không tải lý tởng phụ thuộc vào góc điều
khiển :
o =

E do cos
.
k dm



Tuy nhiên, tốc độ

không tải lý tởng này chỉ là
giao điểm của trục tung với
đoạn thẳng của đặc tính cơ
kéo dài. Thực tế, do có vùng
dòng điện gián đoạn, tốc độ
không tải lý tởng của đặc
M
0
Đặc tính cơ hệ T-Đ.
tính là lớn hơn.
Họ đặc tính cơ của hệ thống
trong trờng hợp này nh trên hình 4-3 khi điều chỉnh ở vùng dới tốc độ định
mức. Các đặc tính cơ của hệ truyền động T-Đ mềm hơn hệ F-Đ vì có sụt áp do
hiện tợng chuyển mạch giữa các thyristor. Góc điều khiển càng lớn thì điện

13


áp đặt vào phần ứng động cơ càng nhỏ. Khi đó, đặc tính cơ hạ thấp và ứng với
một mômen cản Mc, tốc độ động cơ sẽ giảm.
Lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ: khi phụ tải nhỏ thì các đặc tính cơ
có độ dốc lớn (phần nằm trong vùng gạch chéo). Đó là vùng dòng điện gián
đoạn. Góc điều khiển càng lớn (khi điều chỉnh sâu) thì vùng dòng điện gián
đoạn càng rộng và việc điều chỉnh tốc độ gặp nhiều khó khăn hơn.
Trong thực tế tính toán hệ T-Đ, ta chỉ cần xác định biên giới vùng dòng
điện gián đoạn, là đờng phân cách giữa hai vùng dòng điện liên tục và gián
đoạn. Biên giới giữa vùng dòng điện gián đoạn và liên tục có dạng đờng
ellipse với các trục là các trục toạ độ của đặc tính cơ:
(
U 2m

ILe
E
)2 + (
)2 = 1
p



sin
U 2 m sin cos

p
p
p

Dễ dàng nhận thấy độ rộng của vùng dòng điện gián đoạn sẽ giảm nếu
ta tăng giá trị điện cảm L và tăng số pha chỉnh lu p. Song khi tăng số xung p
thì mạch lực chỉnh lu cũng tăng độ phức tạp và cả mạch điều khiển cũng phức
tạp hơn. Còn khi tăng trị số L sẽ dẫn tới làm xấu quá trình qúa độ (tăng thời
gian quá độ) và làm tăng trọng lợng, kích thớc của hệ thống. Biên giới này đợc
mô tả bởi đờng cong nét đứt trên hình 4-3.
c . Đặc điểm hệ truyền động Thyristor - động cơ
Ưu điểm nổi bật nhất của hệ T-Đ là độ tác động nhanh cao, không gây
ồn và dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất
cao. Điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh
nhiều vòng để nâng cao chất lợng các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của
hệ thống. Hệ thống T-Đ có khả năng điều chỉnh trơn với phạm vi điều chỉnh
rộng. Hệ có độ tin cậy cao, quán tính nhỏ, hiệu suất lớn.
Nhợc điểm chủ yếu của hệ T-Đ là do các van bán dẫn có tính phi tuyến,

dạng điện áp chỉnh lu ra có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy
điện và ở các truyền động có công suất lớn còn làm xấu dạng điện áp của
nguồn và lới xoay chiều. Hệ số công suất cos của hệ nói chung là thấp nhất
là khi điều chỉnh sâu.
3 . Hệ thống truyền động điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều (XA-Đ):

Hệ truyền động điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều (XA-Đ) sử
dụng bộ điều chỉnh xung áp một chiều, trong đó các bộ khoá điện tử đóng vai

14


trò cơ bản. Bộ điều chỉnh xung điện áp một chiều đợc sử dụng khi có sẵn
nguồn một chiều cố định mà cần phải điều chỉnh đợc điện áp ra tải.
Các bộ băm xung một chiều hoạt động theo nguyên tắc đóng ngắt
nguồn với tải một cách chu kỳ theo một số luật khác nhau. Phần tử thực hiện
nhiệm vụ đó là các van bán dẫn. Song do chúng làm việc trong mạch một
chiều nên khi dùng loại thyristor thông thờng nó không đợc khoá lại một cách
tự nhiên ở giai đoạn âm của điện áp nguồn nh khi làm việc với nguồn xoay
chiều. Do đó, buộc phải có một mạch chuyên dụng để khoá thyristor gọi là
"mạch khoá cỡng bức", gây nhiều khó khăn trong thực tế. Vì vậy, hiện nay ta
cố gắng sử dụng các loại van điều khiển cả đóng và ngắt nh transistor bipolar,
MOSFET và IGBT ở những dải công suất mà các van này chịu đợc. Riêng với
mạch công suất lớn vẫn phải dùng thyristor.
Trong hệ truyền động điện, các bộ điều chỉnh xung áp một chiều chủ
yếu áp dụng cho các động cơ điện một chiều có phụ tải dạng kéo (tàu điện, xe
điện...).

Điều khiển

U

U

đk

ng

Đ

Sơ đồ nguyên lý một hệ truyền động XA-Đ

Nguyên tắc của các hệ truyền động XA-Đ là thay đổi tốc độ động cơ
qua điện áp đặt vào phần ứng động cơ một chiều. Điện áp này là một điện áp
ra của bộ XA tính theo giá trị trung bình : U = Ung, trong đó: U là điện áp
phần ứng động cơ,Ung là điện áp một chiều cần băm , là hệ số lấp đầy xung:
=

tt
tt
=
với tt, tk là thời gian thông và khoá của bộ khoá điện tử. Do
T tt + tk
15


đó, khi điều chỉnh tốc độ động cơ qua điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng
động cơ, cần thay đổi hệ số của bộ XA. Hệ số này có thể thay đổi bằng 3
phơng pháp: thay đổi tt, T hoặc cả hai.
So sánh 3 phơng

phơng án ta quyết định chọn phơng
phơng án truyền động chỉnh lu
lu
Thyristor - động cơ một chiều kích từ độc lập.
lập.
4 . Tính chọn bộ biến đổi chỉnh lu TIRISTOR:

Yêu cầu đối với bộ chỉnh lu
- Nguồn điện xoay chiều: 3x380V, 50Hz
- Bộ chỉnh lu cầu ba pha có điều khiển
- Điện áp chỉnh lu: Ud = 220 V
- Dòng chỉnh lu: Id = 8,5 A
- Độ nhấp nhô thấp
a . Xác định điện áp không tải chỉnh lu và điện áp ra của máy biến áp :
Bộ biến đổi chỉnh lu cần có giá trị điện áp không tải đảm bảo cấp cho
phần ứng động cơ điện một chiều có các tham số : sức điện động định mức
động cơ Eđm , sụt áp tổng ở mạch khi dòng phản ứng cực đại I max .
1Udocosmin = 2Eđm + UV + I maxR + Umax
Trong đó :
Udo - điện áp không tải của chỉnh lu
1 - hệ số tính đến sự suy giảm của điện áp lới 1 = 0,95
2 - hệ số dự trữ máy biến áp 2 = 1,04 ữ 1,06
min - góc điều khiển cực tiểu . Đối với sơ đồ không đảo chiều min = 0
UV - tổng sụt áp trên van , bao gồm sụt áp trên điện trở tơng đối lớn (
khoảng 4% ) còn sụt áp trên điện kháng ít hơn ( khoảng 1,5% )và điện
áp sụt trên hai thyristor nối tiếp khoảng 2V.
R - điện trở đẳng trị tổng quy đổi về mạch một chiều gồm điện trở
toàn phần mạch phần ứng , điện trở máy biến áp và điện trở cuộn lọc
một chiều
I max - dòng phần ứng cực đại nằm trong khoảng 2 ữ 2,5 I đm

16


Umax - sụt áp cực đại do trùng dẫn
Umax = U đm

I u max I udm
I udm I ddm

Iddm : dòng định mức của bộ biến đổi
Uđm : sụt áp trùng dẫn định mức , đợc xác định :
Uđm = Udo.UK. Y
UK : điện áp ngắn mạch
Y : đối với sơ đồ sáu xung và mời hai xung Y = 0,5
Nếu Iudm = Iddm ta có
Udo =

2 Eudm + U V + Ru I u max
1 cos min Y U K

=

I u max
: bội số dòng điện
I ddm

Từ đó ta có :
Udo=
=

2 Eudm + U V + Ru I u max
1 cos min Y U K

1,04.220 + (220.0,55 + 2) + (2,49 + 0,182).8,5
= 299(V )
0,95 0,5.2,5.5%
U vo =

U do
= 221,5V
1,35

b . Tính chọn biến áp nguồn BAN

BAN đấu theo kiểu /Y. Điện áp lới UL = 380V.
Giá trị hiệu dụng điện áp thứ cấp máy biến áp (nối /Y)
U2 =

Tỷ số máy biến áp: k =

U do
.
= 128 (V)
3 6

U 1 380
=
=3
U 2 128

Dòng thứ cấp máy biến áp nguồn: I2 =

2 = 6,94(A)
.I d
3

Dòng hiệu dụng sơ cấp BAN:
17


I1 =

1
1
I2 =
21,23 6,94(A)
3,06
K BAN

Công suất máy biến áp: S = 3.U2.I2 = 3.128.6,94 = 2665 (VA) 2,665
(kVA).
Tra sổ tay, ta chọn máy biến áp tiêu chuẩn có Sđm = 3(kVA).
c . Chọn van cho bộ biến đổi
Giá trị dòng trung bình chảy qua mỗi van: I vtb =

I d 8,5
=
= 2,83( A)
3
3

Giá trị dòng cực đại qua mỗi van:
Ivmax = Id = 8,5 (A)
Giá trị điện áp ngợc đặt lên mỗi van:
U ng max =


U d max = 1,05 * 299 = 314(V )
3

Từ những tính toán trên, với chế độ làm mát bằng quạt gió thì các
thông số cần của mỗi van trong mạch chỉnh lu cầu ba pha là:
- Ungt 1,6. Ungmax = 1,6 . 314 = 502 (V)
- It 1,5. Imax = 1,5.8,5 = 12,75 (A)
Vậy ta chọn đợc loại Thyristor dùng cho bộ chỉnh lu cấp nguồn cho
động cơ:
VGT
VRRM = ITSM IDM
Loại I0 (A)
Max
VDRM (V) (A) (mA)
(V)
TYN
16
600
220
3
1,5
690

IGT VTM ITM
Du/dt di/dt
Max max Max
(V/às) (A/às)
(A) (V) (A)
25

1,4

50

50

100

d . Tính chọn cuộn kháng mạch lọc một chiều
Điện cảm phần ứng
L = kL.

U dm
220
= 5,6.
= 0,0345( H ) = 34,5( mH )
I dm . p.ndm
8,5.2.2100

18


Trong đó kL là hệ số lấy giá trị 5,5 ữ 5,7 đối với máy không bù và

kL= 1,4 ữ 1,9 đối với máy có bù; p là số đôi cực.
Cuộn kháng lọc mạch một chiều đợc nối vào mạch phần ứng động cơ
để làm giảm vùng điện gián đoạn ( làm giảm xung dòng một chiều ) đồng thời
cải thiện điều kiện chuyển mạch của động cơ điện
Điện áp đầu ra của bộ biến đổi m xung chứa sóng điều hòa cơ bản và
sóng điều hoà bậc cao với tần số góc
K = K.m. 1
với 1 - tần số góc lới điện , 1 = 314 ( 1 / s )
K - số nguyên bậc của các thành phần điều hoà
điện áp xoay chiều này gây ra trong mạch phần ứng dòng điện xoay
chiều điều hoà với giá trị hiệu dụng
I =

1
1 .L

U km

( Km )

2

k

L - điện cảm tổng của mạch một chiều ( bỏ qua giá trị điện trở )
Gọi g là hệ số đập mạch điện áp đầu ra bộ biến đổi

g =

1

1

U km

( Km )

2

k

và i - hệ số đập mạch dòng điện
I

i = I

dm

=

U do .g
I dm L

Hệ số đập mạch điện áp g phụ thuộc vào góc điều khiển ,
U d

g = f( U )
do
Do thành phần dòng xoay chiều nên giá trị dòng điện định mức của
động cơ giảm
1

I dm = Idm .
'

1+

Rm
2
R i

19


Tỷ số

Rm
đặc trng cho sự ảnh hởng của dòng điện điều hoà bậc cao làm
R

tăng điện trở tổng mạch phần ứng , giá trị này

Rm
=2ữ3
R

Dòng điện xoay chiều này còn gây ảnh hởng xấu tới quá trình chuyển
mạch ở vành góp máy điện . Cụ thể do ảnh hởng dòng xoay chiều điều hoà
bậc m , từ trờng của các cặp cực chuyển mạch bị chậm lại 90 o so với dòng
điện điều hoà bậc m . Điện áp chuyển mạch chậm trễ sẽ không bù đợc điện áp
phản ứng phần ứng vì sụt áp xoay chiều U2 không thể tăng nhẩy cấp .

Từ các lý luận trên , ta rút ra giá trị điện cảm cần thiết nối vào mạch
một chiều
Ld =

U do no
g c max Lu
I ddm [ i n]cf
n

Tra đờng cong quan hệ gc = g . n ta đợc g c max = 1,1
o
Udo = 299V
Iddm = 8,5A
n0 = 2322 (1/s)
n = 2100 (1/s)
Ta có Ld =

U do no
g c max Lu = 5,46.10-3 (H) = 5,46 mH
I ddm [ i n]cf

5 . Bảo vệ sự cố trên hệ thống truyền động điện
Mạch bảo vệ đợc thiết lập để đảm bảo an toàn và tránh gây tổn thất cho
ngời 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 thờng
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 đợc bảo vệ chống những sự cố bất ngờ, những nhiễu loạn nguy hiểm nh ngắn
mạch đầu ra bộ biến đổi, quá điện áp hoặc quá dòng điện qua van, quá nhiệt
trong thiết bị biến đổi.
Tuỳ theo các loại sự cố và mức độ ta có thể phân ra các nhóm loại bảo

vệ
a . Bảo vệ trên mạch động lực
20


Bảo vệ cắt khẩn cấp trên mạch động lực: Nh 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 nh cầu chì, áptômát, rơle.. kết hợp với bảo vệ ở mạch
điều khiển nh khoá thyristor, cắt nguồn nuôi, khoá các bộ điều chỉnh...
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
động 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 sự cố .
Trong các hệ truyền động hiện đại điều khiển số dùng vi xử lý hay vi
tính có trang bị chơng trình kiểm tra trạng thái của hệ để phát tín hiệu cảnh
báo hoặc dự báo sự cố xảy ra cắt kịp thời để tránh gây h hỏng .
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 nhng 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...
b . Bảo vệ trong bộ biến đổi
Bảo vệ quá nhiệt : Khi thyristor đợc 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 cỡng 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 nớc trực tiếp chảy qua cánh tản nhiệt (làm mát bằng nớc) 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 phơng pháp làm mát cỡng bức bằng gió với hệ số bảo vệ quá nhiệt trên
van là ki=1,5 và ku=1,6.

21


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 ngợc 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 đờng dây nối. Mạch LRC đấu giữa các nguồn
pha dùng để bảo vệ quá áp do các nguyên nhân bên ngoài mang tính ngẫu
nhiên hiện tợng sấm sét, một cầu chì bảo vệ bị nhảy, cắt không tải máy
biến áp... Các trị số linh kiện bảo vệ đợc chọn dựa vào các trị số kinh nghiệm:
Ta có sơ đồ mạch bảo vệ hoàn chỉnh nh sau

Mạch R1C1 bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích:
(Điện tử công suất - Nguyễn Bính - trang 261)
Gọi b là hệ số dự trữ về điện áp của Thyristor b = 1ữ 2. Chọn b =
1,6.
Giả sử BAN có Lc = 0,2(mH).

VRRM
- Hệ số quá điện áp : k = bU

=

ng max

600
1,23.
1,6.304,37

- Các thông số trung gian, sử dụng các đờng cong (Hình X.9 trang 262
-ĐTCS):
- C*min(k) = 5,5; R*max(k) = 1,2; R*min(k) = 0,55.
- Tính

dẫn:

di
max khi chuyển mạch. Ta có phơng trình lúc bắt đầu trùng
dt

2Lc

di = u =
dây
2 Uv0sin(t+)
dt
22


2U

di
max =

dt

2L


vo

c

=

2.221,5
783055,3(A/s)
2.0,2.10 3

di
max = 0,785(A/às)
dt

Ta thấy với Thyristor đã chọn có

di = 100(A/às) >> 0,76(A/às), nên
dt

trong mạch không cần có các cuộn kháng bảo vệ L k (bảo vệ

di ). Tức là có thể
dt

coi Lk = 0.
-Xác định điện lợng tích tụ Q = f(

di ), sử dụng các đờng cong (Hình
dt

X.10b):
Với Id = 8,5(A),

di
max = 0,785(A/às) tra đờng cong Q 15(Aàs).
dt

-Xác định R1,C1:
C1 = U

R*min(k)



0,55

2Q
ng max

.C*min(k) = 2ì15 5,5 0,54(àF).

314

2L U

c ng max R1 R*max(k) 2L c U ng max

2Q

2Q

2.0,2.10 3.314
2.0,2.10 3.314
R1 1,2
2.15.10 6
2.15.10 6


35,04 R1 76,44 ().

Vậy ta có thể chọn các giá trị chuẩn: R1 = 47() và C1 = 0,6(àF)

Mạch R2C2 bảo vệ quá điện áp do cắt BAN không tải gây ra:
-Ta có hệ số quá điện áp: k = 1,23.
-Các thông số trung gian, sử dụng các đờng cong (Hình X.11-ĐTCS):
23


C*min(k) = 0,45; R*max(k) = 2,1; R*min(k) = 1.
-Giá trị lớn nhất của năng lợng từ trong BAN (3pha) khi cắt:

I
S
WT3 = s.o.m
2 I 2
s
Trong đó:
Is.o.m : là giá trị cực đại của dòng từ hoá quy sang thứ cấp.
Is : giá trị hiệu dụng dòng định mức thứ cấp.
Is = 2 Id = 2 .8,5 6,94(A)

3

3

S : Công suất biểu kiến BAN.
= 2f = 314(rad/s).
Ta có Is.o.m =


I
WT3 =

s.o.m S

2I

s

2

2 Is.o = 2 .0,03Is

= 0,03 2,665.10

2 ì 314

3

0,127(W.s)

-Xác định R2 và C2:
C2 =

2 WT 3 *
C min(k)
U 2 sm

Trong đó Usm là giá trị cực đại điện áp dây thứ cấp BAN:
Usm =


2 Us = 2 .Uv0 = 2 .221,3 312,9(V)
2ì 0,127

C2 = (312,9) 2 0,45 1,17.10-6(F) C2 = 1,17(àF).
R

*
min

U
U sm
*
(k)
R2 R max(k) sm
I s.o.m
I

s.o.m



1.

312,9
312,9
R2 2,1.
2 ì 0,03 ì 6,94
2 ì 0,03 ì 6,94


1062,69 R2 2231,66 ().

24


VËy ta chän c¸c gi¸ trÞ chuÈn: R2 = 1500(Ω) vµ C2 = 2(µF).

25