Chương 1: Giới thiệu chung về máy doa
1
Chương 1: Giới thiệu chung về máy doa
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY DOA
Ngày nay, trong các lĩnh vực sản xuất của nền kinh tế quốc dân, cơ khí hóa có liên
quan chặt chẽ tới điện khí hóa và tự động hóa. Yếu tố điện tự động hóa cho phép đơn
giản kết cấu cơ khí của máy sản xuất, tăng năng xuất lao động, nâng cao chất lượng kỹ
thuật của quá trình sản xuất và giảm nhẹ cường độ lao động.
Quá trình hiện đại hóa phát triển gắn liền với nhiều ngành nghề phát triển theo,
trong đó có ngành công nghiệp gia công kim loại là ngành không thể thiếu. Mà gắn liền
với ngành này là các trang thiết bị điện – điện tử máy gia công kim loại trong đó có máy
doa.
1.1 Chức năng của máy doa
Máy doa là loại máy thuộc nhóm máy cắt gọt kim loại. Đây là loại máy có thể gia
công nhiều loại chi tiết khác nhau tùy vào mục đích sử dụng, nó có thể dùng để doa,
khoan, khoét, phay với các nguyên công:
Nguyên công doa: thường doa các lỗ hình côn trụ, các mặt phẳng vuông góc
với nhau có độ định tâm cao.
Nguyên công tiện: khi lắp lưỡi dao tiện thì có thể tiện trong, cắt mặt đầu, cắt
ren…
Nguyên công khoan: khi cần gia công các lỗ có độ định tâm cao ta có thể
thực hiện trên máy doa, nguyên công này thường rất nặng nề.
Nguyên công phay: phay mặt đầu, phăt mặt phẳng, phay mặt trong, phay mặt
ngoài.
1.2 Phân loại máy doa
Máy doa có rất nhiều loại tùy vào yêu cầu ta có thể phân loại theo các cách sau:
Phân loại theo chức năng công dụng:
- Máy khoan, khoét
- Máy doa
Phân loại theo chuyển động:
- Máy doa đứng: Dao quay theo phương thẳng đứng
2
Chương 1: Giới thiệu chung về máy doa
- Máy doa ngang: Dao quay theo phương nằm ngang
Phân loại theo mức độ trang bị điện:
- Loại đơn giản: thường đùng động cơ không đồng bộ không có điều chỉnh tốc độ
về điện.
- Loại trung bình: động cơ không đồng bộ điều chỉnh bằng cách thay đổi số đối
cực.
- Loại phức tạp: dùng động cơ một chiều kích từ động lập điều khiển theo hệ kín.
Phân loại theo trong lượng máy:
- Loại nhỏ : trọng lượng máy nhỏ hơn 10 tấn
- Loại trung bình: trọng lượng máy từ 10 đến 100 tấn
- Loại lớn: trọng lượng máy trên 100 tấn.
1.3 Cấu tạo bên ngoài máy doa ngang 2620
Thân máy: là phần cố định so với bệ máy, có kết cấu hình chữ U, hai đầu có hai ụ.
Ụ híni: nằm trên thân máy, có thể chuyển động tịnh tiến so với thân máy. Động
cơ trục chính được gắn vào thân máy cùng với hộp tốc độ quá trình di chuyển được thực
hiên nhờ trục chính hoặc động cơ chạy dao.
Ụ rụh hịh: nằm trên thân máy có thể chuyển động tịnh tiến nhờ động cơ ăn dao
hoặc bằng tay.
Bàn máy : được bố trí giữa hai ụ, có thể di chuyển ngang dọc, qua trái, qua phải.
Hình 1.1 Hình dạng bên ngoài máy doa ngang
3
Chương 1: Giới thiệu chung về máy doa
1. Bệ máy
2. Trụ sau
3. Giá đỡ giữ trục dao
4. Bàn quay: để gá chi tiết
5. Ụ trục chính
6. Trụ trước
1.4 Các truyền động cơ bản của máy doa
Truyền động chính là truyền động quay mâm gá dao. Truyền động này được thực
hiên nhờ động cơ không đồng bộ (KĐB) rô to lồng sóc, thay đổi tốc độ nhờ cách thay
đổi từ đấu sao sang tam giác và ngược lại.
Truyền động ăn dao: chuyển động tính tiến theo phương ngang hoặc chuyển động
sang trái sang phải. Phạm vi điều chỉnh tốc độ ăn dao D= 1500:1 lượng ăn dao điều
chỉnh trong phạm vi (2mm/ph - 600mm/ph). Đặc tính cơ cần có độ cứng cao, ổn định
tốc độ < 10%. Đặc tính cơ cần có độ cứng cao, với độ ổn định tốc độ < 10%, hệ thống
truyền động ăn dao phải đảm bảo độ tác động nhanh cao, dừng máy chính xác đảm bảo
sự liền đợng với trùn đợng chính khi làm việc tự động
Ngoài ra còn một số chuyển động phụ khác không liên quan trực tiếp đến quá trình
cắt gọt, chúng cần thiết khi hiệu chỉnh máy, chuẩn bị gia công… ví dụ như di chuyển
thanh dao hoặc phôi, nâng hạ các thanh…
1.5 Ví dụ hệ động ăn dao máy doa ngang 2620 dùng hệ thống máy điện
khuếch đại – động cơ một chiều.
Hệ thống truyền động ăn dao thực hiện theo hệ MĐKĐ có bộ khuếch đại điện tử
trung gian, thực hiện theo hệ kín phản hời âm tớc đợ. Tốc độ ăn dao được điều chỉnh
trong phạm vi (2,2 ÷ 1760)mm/ph. Di chuyển nhanh đầu dao với tốc độ 3780mm/ph chỉ
bằng phương pháp điện khí. Tớc đợ ăn dao được thay đổi bằng cách chuyển đổi sức điện
động của khuếch đại máy điện khi từ thông động cơ là định mức, còn di chuyển nhanh
đầu dao được thực hiện bằng cách giảm nhỏ từ thông động cơ khi sức điện động
của MĐKĐ là định mức.
4
Chương 1: Giới thiệu chung về máy doa
Hình 1.2: Sơ đờ hệ trùn đợng ăn dao máy doa 2620 MĐKĐ-Đ
Kích từ của MĐKĐ là hai cuộn 1CK và 2CK được cung cấp từ bộ khuếch đại
điện tử hai tầng. Tầng 1 là khuếch đại điện áp (đèn kép 1ĐT) và tầng hai là tầng khuếch
đại công suất (đèn 2ĐT và 3ĐT). Tín hiệu đặt vào tầng 1 là:
Uv1= Ucđ – γ.ω – Um2
(1.1)
Trong đó: Ucđ - điện áp chủ đạo lấy trên biến trở 1BT;
γω - điện áp phản hồi âm tốc độ động cơ, lấy trên FT
Um2- điện áp phản hồi mềm, tỷ lệ với gia tốc và đạo hàm gia tốc, lấy ở đầu
ra của cuộn thứ cấp 2BO-2 và 2BO-3 của biến áp 2BO, cuộn sơ cấp của 2BO (2BO-1)
5
Chương 1: Giới thiệu chung về máy doa
nối tiếp với mạch R, C. Do đó, dòng điện sơ cấp của biến áp vi phân 2B0-1 gồm hai
thành phần tỷ lệ với tốc độ và tỷ lệ với gia tốc của động cơ. Như vậy điện áp thứ cấp
biến áp 2BO sẽ tỉ lệ với gia tốc và đạo hàm của gia tốc động cơ.
Điện áp đặt vào tầng khuếch đại 2 là Uv2 được xác định bằng biểu thức:
Uv2 = Ur1 – Um1
(1.2)
Trong đó: Ur1- điện áp đầu ra tầng 1, là điện áp rơi trên điện trở R8, R9.
Um1- điện áp phản hồi mềm tỷ lệ với đạo hàm dòng điện mạch ngang, được
lấy trên hai cuộn thứ cấp 1BO-2 và 1BO-3; cuộn sơ cấp 1BO-1 mắc nối tiếp trong mạch
ngang của MĐKĐ.
Nguyên lý làm việc:
Khi điện áp chủ đạo bằng không, do sơ đồ bộ khuếch đại nối theo sơ đồ cân bằng
nên dòng điện anôt hai nửa đèn 1ĐT là như nhau (IaP = IaT), điện áp rơi trên R8 và R9
bằng nhau, như vậy điện áp ra tầng 1 bằng không.
Ur1 = (IaP - IaT).R8 = 0
(1.3)
và tương tự dòng điện anôt hai đèn 2ĐT và 3ĐT bằng nhau (Ia2 = Ia3), hai cuộn dây
1CK và 2CK có điện trở và số vòng như nhau, sức từ động của chúng tác dụng ngược
chiều nhau nên sức từ động tổng của KĐMĐ bằng không.
F∑ = F1CK – F2CK = (Ia2 – Ia3).W = 0
(1.4)
Khi RT = 1, → Ucđ > 0, do sự phân cực của điện áp chủ đạo nên nửa đèn phải
thông yếu hơn nửa đèn bên trái của 1ĐT, điện áp trên R8 lớn hơn điện áp trên R9, điện
áp ra của tầng 1 có cực tính làm cho đèn 3ĐT thơng mạnh hơn 2ĐT tức là Ia3 > Ia2 hay
I2CK > I1CK và sức từ đợng F∑ có dấu tương ứng với chiều quay thuận của động cơ. Tốc
độ động cơ lớn hay bé tuỳ thuộc vào điện áp chủ đạo.
Khâu phản hời âm dòng điện có ngắt:
Lợi dụng tính chất của MĐKĐ là khi có dòng điện phần ứng, điện áp ra của
nó sẽ giảm do tác dụng của phản ứng phần ứng. Mạch phản hời âm dòng điện có ngắt
gờm có c̣n bù, cầu chỉnh lưu 1V và biến trở 2BT. Khi dòng điện phần ứng còn nhỏ
và nhỏ hơn dòng điện ngắt (Iư< Ing), sụt áp trên cuộn bù nhỏ hơn điện áp trên biến trở
2BT(U0); cầu chỉnh lưu 1V không thông, và dòng điện cuộn bù hoàn toàn tương ứng
6
Chương 1: Giới thiệu chung về máy doa
với dòng điện phần ứng, MĐKĐ được bù đủ. Với giả thiết Ib = Iư thì sức từ đợng của
c̣n bù sẽ là:
Fb = Ib.Wb = Iư.Wb
Khi Iư > Ing thì ta có Ub > U0; các van 1V thông, xuất hiện dòng điện phân
mạch I1V và dòng điện cuộn bù sẽ giảm đi một lượng:
Ib = Iư – I1V
Mức độ bù giảm đi và kết quả điện áp ra của MĐKĐ giảm nhanh khi dòng
điện phần ứng tăng làm cho dòng điện phần ứng được hạn chế.
Trong trường hợp này, sức từ động của MĐKĐ là:
F∑ = F12 + Fb - Fd = F12 + (Iư – I1V).Wb – Iư.Wb = F12 – I1V.Wb
(1.5)
Trong đó: F12 – stđ của hai cuộn 1CK và 2CK
Fb = Ib.Wb - sức từ động của cuộn bù
Fd = Iư.Wb - sức từ động dọc trục được bù đủ khi Iư < Ing.
Từ công thức F∑ ta thấy: khi Iư > Ing thì sức từ đợng của MĐKĐ bị giảm đi mợt lượng
(Ilv.Wb). Như vậy có thể coi sức từ động tổng của MĐKĐ được sinh ra bởi hai cuộn
1CK - 2CK là F12 và cuộn bù Wb với sức từ động (I1V.Wb) ngược chiều sức từ động
F12.
7
Chương 2: Thiết kế mạch động lực
CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĂN
DAO MÁY DOA NGANG 2620
Hệ thống ăn dao máy doa 2620 có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp
khác nhau. Như ở chương 1 chúng ta đã đã được tìm hiểu qua về hệ truyền động Máy
điện khuếch đại- động cơ một chiều (MĐKĐ-Đ). Tuy nhiên ta thấy hệ truyền động khá
cồng kềnh và để thực hiện nó thì chi phí khá đắt. Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa
học kỹ thuật trong đó có các linh kiện bán dẫn ngày càng được phát triển và sử dụng
rộng rãi thay thế dần các thiết bị điện tử cũ giúp đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng
cũng như về kinh tế. Chính vì thế phương án thay thế cho hệ truyền động MĐKĐ-Đ ở
trên là hệ thống chỉnh lưu – Động cơ một chiều (T-Đ).
2.1 Hệ truyền động chỉnh lưu –động cơ một chiều
2.1.1 Giới thiệu chung hệ chỉnh lưu- động cơ một chiều
Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều là bộ chỉnh lưu liên hệ nguồn xoay
chiều với tải một chiều, nghĩa là đổi điện áp xoay chiều của nguồn thành điện áp một
chiều trên phụ tải.
Điện áp một chiều trên tải không được lý tưởng như điện áp của ắc quy mà có
chứa các thành phần xoay chiều cùng với một chiều.
Đầu ra của các sơ đồ chỉnh lưu được coi là một chiều nhưng thực sự là điện áp
đập mạch.
Hoạt động của mạch do nguồn điện xoay chiều quyết định vì nhờ đó mà có thể
thực hiện được các chuyện mạch dòng điện giữa các phần tử lực.
Việc phân loại chỉnh lưu phụ thuộc nhiều yếu tớ:
- Theo sớ pha có: Chỉnh lưu 1 pha, chỉnh lưu 3 pha...
- Theo sơ đờ nới có: Chỉnh lưu nửa chu kỳ, chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ, chỉnh lưu hình
cầu, chỉnh lưu hình tia...
- Theo sự điều khiển có: Chỉnh lưu khơng điều khiển, chỉnh lưu có điều khiển,
chỉnh lưu bán điều khiển.
8
Chương 2: Thiết kế mạch động lực
2.1.2 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ chỉnh lưu – động cơ một chiều
Trong đó:
-
Đ: động cơ một chiều
-
CL: bộ biến đổi điện áp gồm các van bán dẫn có điều khiển, có nhiệm vụ biến đổi
điện áp xoay chiều thành một chiều cấp cho động cơ.
-
TH&KĐ : Khâu tổng hợp và khuếch đại trung gian có nhiệm vụ tổng hợp điện áp
chủ đạo và tín hiệu phản hồi
-
ĐK: Phát tín hiệu điều khiển mở các van bán dẫn của bộ biến đổi
-
Ud : điện áp 1 chiều sau khi đã chỉnh lưu cấp cho động cơ
Nguyên lý hoạt động
Giả sử với sơ đồ trên ta chỉ điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh điện
áp phần ứng đặt vào động cơ và khâu phản hời chỉ có khâu phản hời âm tớc đợ và âm
dịng có ngắt.
Khâu tởng hợp kh́ch đại chỉ sử dụng các vi mạch, tín hiệu vào khâu này gờm
có các tín hiệu chủ đạo Ucđ và tín hiệu phản hời Uph, tín hiệu âm dịng có ngắt.
Khi hệ thống ban đầu đã được đóng vào lưới điện với điện áp thích hợp, lúc này
đợng cơ vẫn chưa làm việc. Đưa vào hệ thống một điện áp đặt ứng với một tốc độ nào
đó của động cơ, thông qua khâu tổng hợp khuếch đại và mạch phát xung sẽ xuất hiện
các xung đưa đến bộ điều khiển của các bộ biến đổi. Lúc này các van được đặt điện áp
thuận sẽ mở. Đầu ra của bộ biến đổi điện áp có điện áp Ucd đặt lên phần ứng của động
cơ làm cho động cơ làm việc với điện áp chủ đạo.
9
Chương 2: Thiết kế mạch đợng lực
Trong q trình làm việc, nếu do một nguyên nhân nào đó làm cho tớc đợ đợng
cơ n giảm thì ta thấy Uđk = Ucđ - .n, nên khi n giảm
Uđk tăng ( giảm Uđk tăng)
n tăng tới điểm làm việc yêu cầu.
Khi n tăng quá mức cho phép thì quá trình xảy ra ngược lại, nên khi n tăng
Uđk giảm ( tăng
Uđk giảm)
n giảm tới điểm làm việc yêu cầu. Đây chính là qua
trính ởn định tớc đợ.
2.1.3 Lựa chọn phương án đảo chiều đợng cơ
Do chỉnh lưu Tiristor dẫn dịng theo một chiều và chỉ điều khiển được khi chúng
đang ở trạng thái mở, còn khóa theo điện áp lưới cho nên truyền động điện thực hiện
khó khăn và phức tạp hơn truyền động máy phát động cơ. Cấu trúc mạch lực cũng như
mạch điều khiển hệ truyền động T – Đ đảo chiều có yêu cầu an toàn cao và có lơgic điều
khiển chặt chẽ.
Có 2 ngun tắc cơ bản để xây dựng hệ truyền động T – Đ đảo chiều:
- Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dịng kích từ đợng cơ
- Giữ ngun chiều dòng điện kích từ và đảo chiều dịng phần ứng đợng cơ
Trong thực tế, các sơ đồ truyền động T – Đ đảo chiều có rất nhiều, song đều thực
hiện theo 2 nguyên tắc trên và ta đưa ra 2 loại sơ đồ chính như sau:
Với nguyên tắc thứ nhất: Giữ ngun dòng điện phần ứng và đảo chiều dịng kích
từ động cơ.
Phương pháp này có ưu điểm là giá thành rẻ và đơn giản nhất, song có nhược điểm
là thời hạn đảo chiều lớn bằng khoảng (0,5 - 2,5)s, (do hằng sớ thời gian của c̣n dây
kích từ đợng cơ không lớn) không đáp ứng được yêu cầu của truyền động. Khi đảo chiều
thì dòng điện phần ứng lớn sinh ra tia lửu điện ở chởi than, cở góp làm giảm tuổi thọ
máy.
Với nguyên tắc thứ hai: Giữ nguyên dòng điện kích từ và đảo chiều dịng phần ứng
đợng cơ. Phương pháp này có 2 trường hợp như sau:
Đảo chiều dòng điện phần ứng bằng cách sử ḍng các tiếh điểm bằng hơ.
Phương pháp này có ưu điểm là vốn đầu tư nhỏ dễ điều chỉnh. Tuy có thời gian
đảo chiều nhỏ hơn nhưng van không thể dưới 0,1s vì trong quá trình đảo chiều, phải
đảm bảo thứ tự tác động nhất định trong hệ thống điều khiển truyền động điện. Phát sinh
10
Chương 2: Thiết kế mạch động lực
hồ quang khi công tắc tơ đóng cắt. Sử dụng cho truyền động công śt nhỏ, tần sớ đảo
chiều thấp.
Đảo chiều dịng điện phần ứng bằng cách sử ḍng 2 BBĐ song song ngược
Đối với các hệ thống truyền động yêu cầu đảo chiều nhanh và cần có trạng thái
đợng cơ hay trạng thái hãm trong cùng một chiều quay của động cơ, người ta sử dụng
các sơ đờ có hai nhóm van (bợ biến đởi kép). Mỡi nhóm dẫn dòng điện theo mợt chiều
nên bợ biến đởi có khả năng dẫn điện theo cả hai chiều. Bợ biến đởi như vậy có thể được
nới theo nhiều sơ đờ khác nhau. Có 2 bợ chỉnh lưu điều khiển là sơ đồ đấu chéo và sơ
đồ song song ngược. Về mặt nguyên lý thì sơ đồ đấu chéo hoặc sơ đồ song song ngược
hoạt động tương tự như nhau. Khi BBĐ này làm việc thì BBĐ kia nghỉ, khi đổi chế độ
của BBĐ thì dòng điện qua tải được đổi chiều.
Mọi loại sơ đồ đều có những ưu điểm riêng thích hợp với từng loại tải và yêu cầu
công nghệ. Vấn đề đặt ra là người thiết kế phải chọn ra phương án phù hợp với yêu cầu
công nghệ của từng loại máy.
Kết luận: Trên thực tế người ta hay sử dụng sơ đồ đấu song song ngược với các
phương pháp điều khiển khác nhau. Trong sơ đồ song song ngược, cả hai nhóm van đều
đựơc cung cấp từ mợt nhóm dây ćn thứ cấp của máy biến áp.
2.1.4 Phương án điều khiển 2 bộ biến đổi
Ở trên ta đã chọn cách đảo chiều động cơ bằng phương pháp sử dụng 2 BBĐ song
song ngược. Để điều khiển 2 BBĐ này ta chọn phương án sử dụng phương pháp điều
khiển chung. Ở phương pháp điều khiển chung cả 2 bộ phát xung cùng phát xung đến
các BBĐ, trong đó một bộ làm việc ở chế đợ chỉnh lưu, bợ cịn lại làm việc ở chế độ
nghịch lưu chờ. Khi sử dụng phương pháp này, sẽ có dòng điện không cân bằng chạy
trong các BBĐ. Để hạn chế dòng điện này người ta sử dụng các cuộn kháng cân bằng.
2.2 Chọn sơ đồ nối dây mạch chỉnh lưu
Để cấp nguồn cho động cơ hệ thống ăn dao máy doa 2620, ta cần chọn nguồn một
chiều có trị số thay đổi được để tùy vào mục đích sử dụng khác nhau của máy. Các
nguồn điện áp một chiều nhà máy phát điện một chiều, các bộ biến đởi tĩnh (kh́ch đại
từ) có khá nhiều nhược điểm, trong đó có nhược điểm cơ bản là tổn thất riêng khá lớn.
Cùng với sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn và vi mạch điện tử thì việc sử dụng các bộ
chỉnh lưu bán dẫn có điều khiển ngày càng được phở biến và có nhiều ưu việt.
Để lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu ta đưa ra 3 phương án sau:
11
Chương 2: Thiết kế mạch động lực
Mạch chỉnh lưu cầu một pha
Mạch chỉnh lưu tia ba pha
Mạch chỉnh lưu cầu ba pha
Mỗi sơ đồ chỉnh lưu đều có ưu nhược điểm khác nhau. Ở đây ta chọn phương án
nối dây là mạch chỉnh lưu tia ba pha.
2.2.1 Chỉnh lưu hình tia ba pha
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống CL-Đ tia ba pha và sơ đồ thay thế
- BA: Là máy biến áp 3 pha dùng để cấp cho mạch chỉnh lưu
- T1, T2, T3: Các Tiristor dùng để biến điện áp xoay chiều 3 pha bên thứ cấp máy biến
áp là ua, ub, uc, thành điện áp một chiều trên phụ tải.
- Đ, L là thành phần phụ tải.
2.2.2. Đặc điểm của mạch chỉnh lưu hình tia ba pha
Sớ van chỉnh lưu bằng sớ pha của ng̀n cung cấp.
Các van có mợt điện cực cùng tên nới chung, điện cực cịn lại nới với nguồn xoay
chiều. Nếu điện cực nối chung là katôt, ta có sơ đồ katôt chung, nếu điện cực nối chung
là anôt, ta có sơ đồ nối anôt chung.
Các cực cùng tên của các van được nối lại với nhau tạo thành 1 cực của điện áp
chỉnh lưu. Cực cịn lại là trung tính của ng̀n.
Sớ đập mạch của điện áp chỉnh lưu bằng số pha của điện áp xung
Hệ thống điện áp nguồn xoay chiều m pha phải có điểm trung tính ng̀n là điện
cực cịn lại của điện áp chỉnh lưu.
12
Chương 2: Thiết kế mạch đợng lực
2.2.3. Ngun lí làm việc của mạch chỉnh lưu hình tia ba pha
Ở đây xét sơ đồ tia 3 pha katôt nối chung
Để một Tiristor mở cần có 2 điều kiện:
Điện áp Anôt - Katơt phải dương (UA > 0)
Có tín hiệu điều khiển đặt vào điện cực điều khiển và Katôt của van
Do đặc điểm trên mà ta có thể điều khiển được thời điểm mở của các van bán dẫn
trong khoảng nửa chu kỳ điện áp dương đặt lên van.
Với chỉnh lưu pha ở 1 thời điểm bất kỳ luôn có mợt van dẫn đợng đó là van nới
với pha nào đó có thế dương nhất và có dòng điều khiển.
Trong thời gian 1 chu kỳ, 1 pha sẽ lần lượt đạt giá trị cực đại dương cách nhau 1
khoảng thời gian là 1/N chu kỳ, thời gian mở tối đa 1 van là 1/N chu kỳ điện áp.
Thời điểm mở tự nhiên của các van trong sơ đồ chỉnh lưu N pha được tính từ thời
điểm điện áp trên các van đang mở thấp hơn điện áp đặt lên van kế tiếp.
Nếu tính từ thời điểm điện áp của 1 pha bắt đầu dương thì thời điểm mở tự nhiên
của van được xác định theo công thức:
2
N
Nếu ta đưa xung điều khiển tới van chậm hơn so với thời điểm mở tự nhiên của
van 1 góc thì tất cả các van cịn lại sẽ mở chậm hơn so với thời điểm mở tự nhiên 1
góc .
Đường cong của điện áp chỉnh lưu và trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu sẽ
thay đởi và phụ tḥc vào thời gian mở của các van.
Góc là góc mở và = 0 – 1800.
Khi = 0 thì hệ chỉnh lưu điều khiển làm việc như sơ đồ không.
Do đặc điểm vừa nêu mà trong sơ đồ tia 3 pha các van chỉ mở trong một giới hạn
nhất định.
13
Chương 2: Thiết kế mạch động lực
Hình 2.3 Đồ thị điện áp chỉnh lưu hình tia ba pha
Khi biến áp có ba pha đấu sao (Y) trên mỗi pha A,B,C ta nối một van như hình
2.2 ba catot đấu chung cho ta điện áp dương của tải, cịn trung tính biến áp sẽ là điện áp
âm. Ba pha điện áp A,B,C dịch pha nhau mợt góc là 1200 theo các đường cong điện áp
pha, chúng ta có điện áp của một pha dương hơn điện áp của hai pha kia trong khoảng
thời gian 1/3 chu kỳ (1200 ). Từ đó thấy rằng, tại mỗi thời điểm chỉ có điện áp của một
pha dương hơn hai pha kia.
Nguyên tắc mở thông và điều khiển các van ở đây là khi anot của van nào dương
hơn van đó mới được kích mở. Thời điểm hai điện áp của hai pha giao nhau được coi là
góc thơng tự nhiên của các van bán dẫn. Các Tiristior chỉ được mở thơng với góc mở
nhỏ nhất tại thời điểm góc thơng tự nhiên (như vậy trong chỉnh lưu ba pha, góc mở nhỏ
nhất = 00 sẽ dịch pha so với điện áp pha một góc là 300).
Tại mỡi thời điểm nào đó chỉ có một van dẫn, như vậy mỗi van dẫn thông trong
1/3 chu kỳ nếu điện áp tải liên tục, còn nếu điện áp tải gián đoạn thì thời gian dẫn thơng
của các van nhỏ hơn. Tuy nhiên trong cả hai trường hợp dòng điện trung bình của các
van đều bằng 1/3.Id. Trong khoảng thời gian van dẫn dòng điện của van bằng dòng điện
tải, trong khoảng van khoá dòng điện van bằng 0. Điện áp của van phải chịu bằng điện
dây giữa pha có van khố với pha có van đang dẫn.
14
Chương 2: Thiết kế mạch đợng lực
Ví dụ: Ở pha A, trong khoảng t = 0 → uA > 0
Tuy nhiên ở các khoảng t = 0 /6 uC > uA
và t = 5 /6 uB > uA
Như vậy van T1 nới vào pha A chỉ có thể mở trong khoảng t = /6 ÷ 5 /6. Trong
khoảng này nếu tín hiệu đến cực điều khiển của T1 thì T1 mở. Tương tự với T2 và T3.
Thời điểm 0 = t = /6 được gọi là thời điểm mở tự nhiên của sơ đờ chỉnh lưu
3 pha. Nếu trùn tín hiệu mở van chậm hơn thời điểm mở tự nhiên một góc đợ điện thì
khoảng dẫn dịng của van sẽ thay đởi (nhỏ hơn 2 /3) dẫn đến trị số trung bình của điện
áp chỉnh lưu sẽ giảm đi. Khi góc mở càng lớn thì Ud càng nhỏ
2.3 Lựa chọn thiết bị cho mạch đợng lực
Việc tính chọn thiết bị có mợt ý nghĩa rất quan trọng cả về mặt kỹ thuật và kinh
tế.Việc tính chọn càng chính xác, tỉ mỉ bao nhiêu thì hệ thớng làm việc càng an tồn bấy
nhiêu. Hơn nữa, việc tính chọn thiết bị chính xác còn nâng cao được hiệu suất của hệ
thống. Nếu tính chọn thiếu chính xác thì hệ thớng có thể làm việc kém chất lượng hoặc
khơng làm việc được. Vì vậy, việc tính chọn thiết bị phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
- Về mặt kỹ thuật phải đảm bảo yêu câu công nghệ và các thông số phù hợp với
thiết bị.
- Về mặt kinh tế, các thiết bị được chọn trong khi thoả mãn các yêu cầu kỹ tḥt
phải đảm bảo có chi phí mua sắm hợp lý.
Chọn động cơ có Thông số :
Uđm= 220V
Nđm= 1200 vòng/ phút
Pđm= 3 kW
Iđm= 17,5 A
Rư+Rcp=1,43 Ω
Số đối cực 2p= 4
Hiệu suất :η= 0,8
J= 0,0276 (Kgm2)
2.3.1 Tính thông số cơ bản động cơ
- Điện trở mạch phần ứng đợng cơ được tính :
15
Chương 2: Thiết kế mạch động lực
Ru 0,5.(1 ).
U udm
220
() = 0,5.(1 – 0,8).
= 1,25( )
I udm
17,5
- Điện cảm mạch phần ứng đợng cơ được tính theo công thức:
Lu .
U dm .60
220.60
0,25.
0,1 (H) = 100 (mH)
2 . p.ndm .I dm
2 .2.1200.17,5
Trong đó: Lấy = 0,25 là hệ số lấy cho động cơ điện mợt chiều có c̣n bù.
- Vận tớc góc và từ thông định mức:
đm
2..nđm 2..1200
125,66(rad / s)
60
60
K đm
U đm Ru .I đm
đm
220 1,25.17,5
1,57
125,56
(Wb)
- Mômen định mức và ngắn mạch:
Mômen điện từ của động cơ ở chế độ định mức, bỏ qua tởn hao cơ và sắt từ thì
có thể coi: M = Mcơ ≈ Mđt = KФđm.Iđm = 1,57.17,5 = 27,475(Nm)
Dòng điện ngắn mạch của dộng cơ: Inm = Uđm/Ru = 220/1,25 =176A
Mômen ngắn mạch: Mnm = KФđm.Inm = 1,57.176 = 276,32(Nm)
2.3.2 Chọn van động lực
Hai thông số quan tâm nhất khi chọn van bán dẫn cho chỉnh lưu là điện áp và
dòng điện, các thơng sớ cịn lại là những thông số tham khảo khi lựa chọn.
Khi đã đáp ứng được hai thông số cơ bản trên các thông số cịn lại có thể tham
khảo theo gợi ý sau:
-
Loại van nào có sụt áp ∆U nhỏ hơn sẽ có tởn hao nhiệt ít hơn.
-
Dòng điện rò của loại van nào nhỏ hơn thì chất lượng tốt hơn.
-
Nhiệt độ cho phép của loại van cao hơn thì khả năng chiụ nhiệt tốt hơn
-
Điện áp và dòng điện điều khiển của loại van nào nhỏ hơn, công suất điều
khiển thấp hơn.
-
Loại van nào có thời gian chuyển mạch bé mạch bé hơn sẽ nhạy hơn. Tuy
nhiên, trong đa số các van bán dẫn, thời gian chuyển mạch thường tỷ lệ nghịch
với tổn hao công suất.
16
Chương 2: Thiết kế mạch động lực
Các van động lực được lực được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là: Dịng tải,
sơ đờ đã chọn, điều khiển tỏa nhiệt, điện áp làm việc. Các thông số cơ bản của van động
lực được tính như sau:
- Điện áp ngược của van:
Ulv = knv.U2 với U2 =
Ud
220
=
= 188,03(V)
Ku
1,17
Trong đó : + Knv= 2,495 là hệ số điện áp ngược (so với điện áp xoay chiều)
+ Ku = 1,17 là hệ số điện áp tải chỉnh lưu có điều khiển hình tia 3 pha đối
xứng
+ Ud = 220v là điện áp tải
→ Ulv = 2,495.188,03 = 469,149(V)
- Để có thể chọn van theo điện áp hợp lý thì điện áp ngược của van cần phải chọn
lớn hơn điện áp làm việc qua hệ số dự trữ kdtU. Hệ số đó chọn lớn hơn 1,6. Ở đây chọn
kdtU = 2
Unv = KdtU . Ulv = 2 .460,149 = 920,298 920 (V).
- Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng:
Ilv = Ihd = Khd .Id = 0,58.17,5 = 10,15 (A)
Trong đó: + Id = 17,5A là dòng điện tải
+ Khd = 0,58 là hệ số hiệu dụng (Được tra từ bảng 1.2 sách Tính tốn thiết kế
thiết bị điện tử công suất của tác giả Trần Văn Thịnh)
- Với các điều kiện làm việc ở trên ta chọn điều kiện làm việc của van là cánh toả
nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt, khơng có quạt đối lưu không khí, với điều kiện làm
việc đó dòng điện định mức của van cần chọn:
IdmV = Ki .Ilv = 4. 10,15 = 40,6 (A) 41(A)
Trong đó: Ki = 4 là hệ số dự trữ dòng điện.
Từ thông số Unv, Idm tính được và theo bảng phụ lục 2 (sách Tính tốn thiết kế thiết bị
điện tử cơng suất của tác giả Trần Văn Tiịnh) ta chọn 6 Tristor loại XT2-116-801 với
các thông số:
+ Điện áp ngược cực đại: Un = 800 V
+ Dòng điện địng mức của van: Idm = 50A
17
Chương 2: Thiết kế mạch động lực
+ Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 800 A
+ Dòng điện xung điều khiển: Idk = 0,1 A
+ Điện áp của xung điều khiển: Udk = 3 V
+ Dòng điện rò: Ir = 10 mA
+ Sụt áp lớn nhất của Tiristor ở trạng thái dẫn là: U = 0,2V
+ Tốc độ biến thiên điện áp:
dU
300V/s
dt
+ Thời gian chuyển mạch: tcm = 120 s
+ Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: Tmax = 1250C
2.3.3. Tính tốn máy biến áp chỉnh lưu
Như ở phần thiết kế ta đã chọn máy biến áp có tở nới dây
khơng khí, Việc chọn sơ cấp đấu
/Y làm mát bằng
có tác dụng sẽ triệt tiêu được sóng điều hịa bậc 3
nên dạng sóng sẽ sin hơn. Dựa vào các thông số của tảu và bộ chỉnh lưu ta tính toán các
thông số cho máy. Máy biến áp được chọn theo điều kiện:
+ Sđmba ≥ Stt
+ I1fđm ≥ I1dm
+ I2fđm ≥ I2dm
+ U2fdm ≥ Ku.Kr.Kσ.Ka.Udm
- Tính cơng śt biểu kiến máy biến áp:
Sba = Ks.Pdmax (KVA)
Trong đó: ks = 1,345 là hệ số công suất theo sơ đồ mạch đợng lực (tra bảng 1.2 sách
Tính tốn thiết kế thiết bị điện tử công suất của tác giả Trần Văn Thịnh).
Pdmax = Uđm .Id = 220.17,5 = 3850W là công suất cực đại của tải.
Thay vào công thức trên ta có:
Sba = Ks.Pdmax = 1,345.3850 = 5178,25W ≈ 5,178(KVA)
Vậy ta chọn công suất thiết kế của máy là: Sba = 20(KVA)
- Điện áp sơ cấp máy biến áp (MBA): U1f = Ulưới = 380(V) do sơ cấp đấu
- Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp được chọn theo biểu thức: U2f =
18
U do
(V)
ku
Chương 2: Thiết kế mạch động lực
Với Udo =
U
cos
, Ud = Uđm +2.∆Uv + ∆Uba + ∆Udn
Trong đó: - ∆Uv = 0,2V là sụt áp trên mỗi Tiristor
- ∆Uba là sụt áp trên máy biến áp, chọn ∆Uba = 6% Uđm =0,06.220 =13,2v
- ∆Udn là sụt áp trên điện trở dây nới, có thể bỏ qua, ∆Udn ≈ 0
Ud = 220 + 2.0,2 + 13,2 + 0 = 233,6 (V)
Với đm 10 0 là góc dự trữ khi có suy giảm điện lưới
Udo =
233,6
= 237,2 (V)
cos 10
Từ đó ta tính được điện áp pha thứ cấp của máy biến áp là:
U2f =
U do
237,2
=
= 202,7(V)
ku
1,17
- Chọn giá trị hiệu dụng của dòng pha thứ cấp MBA:
I2 = k 2 .I d =
1
.17,5 = 10,1(A)
3
Trong đó: k2 là hệ số dòng điện hiệu dụng thứ cấp, với tia 3 pha thì k2 =
1
3
- Giá trị hiệu dụng của dòng pha sơ cấp của MBA:
I1 = Kba.I2 =
U2f
U1 f
.I2 =
202,7
.10,1 = 5,4(A)
380
Kiểu
U1fđm (v)
U2fđm (v)
Sđm (Kva)
I1đm (A)
I2đm (A)
TM-20/6
380
202,7
20
5,4
10,1
2.3.4 Tính chọn c̣n kháng cân bằng
Khi hệ thớng làm việc sẽ có những thời điểm hai van của hai bộ biến đổi ở hai
pha cùng mở. Lúc đó dòng cân bằng sẽ chạy từ pha có điện áp tức thời lớn hơn sang pha
kia; dòng cân bằng này khiến cho bộ biến đổi phải làm việc nặng nề hơn và nó có khả
năng phá hỏng các Tiristo nếu ta khơng tìm cách hạn chế. Vì vậy nhất thiết phải đặt
thêm cuộn kháng cân bằng. Để minh hoạ ta xét 1 = 300, 2 = 1500:
19
Chương 2: Thiết kế mạch động lực
Hình 2.4 đồ thị điên áp dòng cân bằng
Qua hình vẽ ta thấy rằng: Trong khoảng thời gian từ 0 1 dòng cân bằng chảy
từ T5 vào T2. Từ 2 3 dòng cân bằng chạy từ T1 vào T4.
Chênh lệch điện áp giữa hai bộ biến đổi là:
u12 = uT5 - uT2 = uT1- uT4 = ua - ub = 6 u2.sin(t + /6)
(2.1)
Gọi X1 = X2 = X là điện kháng của hai cuộn kháng cân bằng. Dịch gốc toạ độ
theo chiều t mợt góc 1500 điện thì:
u12 = - 6 u2 sin,
với = t
u12 = 2X(di/dt)
6 u2.sin = 2X (di/dt)
i = ( 6 u2.cost)/ 2X + C
Khi t = 2 thì icb = 0
i = [ 6 u2 (cost - cos2)] / 2X
(2.2)
Giá trị trung bình của dòng điện cân bằng:
I cb
3
2
3
2
6u2
(cos t cos 2 )dt
2
Lưu ý rằng với gớc mới 0' thì 2 = - 3
I cb
3 6
u2 (sin 2 2 cos 2 )
2X
(2.3)
Qua giản đồ điện áp ta dễ thấy với = 600 thì thời gian tờn tại dịng cân bằng là
lớn nhất. Ta cần tính toán giá trị X sao cho Icb 10 % Iđm.
20
Chương 2: Thiết kế mạch động lực
Với = 600 thì:
Icb = (0,3424 6 u2 )/ 2X
L CK1 (0,3424
6 u2) / (2. 0,1.0,9)
LCK1 0,123 (H)
Ta chọn c̣n kháng cân bằng có các thơng sớ:
LCK = 123 (mH)
RCK = 0,48 ()
2.3.5 Tính chọn c̣n kháng san phẳng
C̣n kháng san bằng có tác dụng lọc thành phần xoay chiều của dòng điện . Ta
biết rằng khi góc mở = /2 thì điện áp ra có phần nửa âm bằng nửa dương. Tức là lúc
này thành phần xoay chiều là dữ dợi nhất, ta sẽ tính c̣n kháng theo góc này. Để đơn
giản ta bỏ qua ảnh hưởng của cuộn cân bằng.
Hình 2.5: Đồ thị điện áp c̣n san phẳng
Nếu lấy gớc toạ đợ là 01 thì ta có thể viết:
2 u2sint
Ud =
(2.4)
Khai triển Furie của điện áp ud ta có:
Ud = b1sin3t + b2sin6t + ... + bnsin3nt
bn
6
3
U
d
sin 3nt.dt
0
n = 1, 2, 3, ...
21
Chương 2: Thiết kế mạch động lực
b1
6
3
2u 2 sin 3 sin 3nt.dt
0
1
4 1
2
u2 ( sin
sin
) 228,06(V )
4
3 2
3
3 2
Tương tự ta có:
b2
6
3
2u 2 sin t sin 6nt.dt 104,26(V )
0
Trị hiệu dụng của các thành phần xoay chiều:
Ud1 = (b1/
2 ) = 161,26 (V)
Ud2 = (b2/
2 ) = 73,72 (V)
Giá trị hiệu dụng của các thành phần dòng xoay chiều (khi bỏ qua điện cảm của động
cơ và điện trở thuần) là:
(Trong đó: CK, CK1là cuộn kháng cân bằng và san bằng)
I1
U d1
3 ( LCK LCK1 )
Ud2
I2
6 ( LCK LCK1 )
→ Tổng giá trị hiệu dụng của các thành phần dòng xoay chiều:
I xc
I 2d1 I 2d 2
Ixc phải thoả mãn nhỏ hơn 10 % Iđm
4U d 1 4U d 2
6.0,9
2
LCK
2
LCK 0,193 (H)
Từ đây ta chọn c̣n kháng cân bằng có các thơng số sau:
LCK = 200 (mH)
RCK = 0,48 ()
Từ đó ta tính được: I1 = 0,877 (A) ; I2 = 0,2 (A)
Công suất tác dụng của cuộn kháng san bằng:
22
(2.5)
Chương 2: Thiết kế mạch động lực
P = (I2đm + I12 + I22)RCK = 39 (W)
Công suất phản kháng của cuộn kháng:
Q = X1I12 + X2I22 = 56
(VAR)
Công suất biểu kiến của cuộn kháng:
S P 2 Q 2 = 68 (VA)
2.4 Sơ đồ mạch lực và nguyên lý hoạt động
Như đã phân tích ở trên phương án truyền động tối ưu đáp ứng được yêu cầu công
nghệ là hệ CL – Đ. Sơ đồ nối dây mạch chỉnh lưu là chỉnh lưu hình tia 3 pha. Mặt khác,
theo yêu cầu công nghệ của hệ truyền động thì động cơ làm việc có đảo chiều, nên ta
dùng 2 bộ chỉnh lưu có điều khiển song song ngược. Việc tiến hành phương pháp điều
khiển các bộ biến đổi được tiến hành bằng phương pháp điều khiển chung. Ngoài ra hệ
còn các phần tử bảo vệ. Từ đó ta có thể xây dựng được sơ đồ mạch động lực như sau:
Hình 2.6 Mạch động lực hệ Chỉnh lưu –Động cơ
23
Chương 2: Thiết kế mạch động lực
Nguyên lý làm việc của mạch động lực
Ban đầu để đưa hệ thống vào làm việc ta đóng áptômát AB → hệ thống được cấp
nguồn. Tuy nhiên lúc này động cơ chưa làm việc.
Giả sử BBĐ1 (gồm các van: T1, T2, T3) khi làm việc ở chế độ chỉnh lưu thì động
cơ quay thuận; BBĐ2 (gồm các van: T4, T5, T6) khi làm việc ở chế độ chỉnh lưu thì
động cơ quay ngược. Khi ta phát xung đến mở cho các van ở BBĐ1 với góc mở 1
900 và BBĐ2 với góc mở 2 900 với quan hệ góc mở: 1 + 2 = 1800.
Lúc này ở đầu ra của hai BBĐ có điện áp ra là: ud1 và ud2
ud1 = Ud0cos1
ud2 = Ud0 cos2
Điện áp đặt lên động cơ là ud, điện áp cân bằng là điện áp giữa hai điểm N-M
ud = uk - 0
ucb = ud1 + ud2 = ud1 - (- ud2 )
ud ud1
u cb
u ud 2
ud1 ( d1
)
2
2
(2.6)
ud
ud1 ud 2
2
Điện áp ud đặt nên phần ứng động cơ và đợng cơ sẽ quay tḥn. Ta có giản đờ
điện áp ud, ud1, ud2, ucb, icb và dòng qua các van như hình vẽ (trên hình vẽ 1= 300, 2 =
1500). Ta thấy rằng do tồn tại điện áp ucb mà sinh ra dòng điện icb và như vậy dòng qua
các van ngồi thành phần dịng Id qua đợng cơ còn dòng icb. Dòng icb chỉ chạy quanh
giữa hai BBĐ, do điện trở thuận của các van nhỏ nên với một ucb nhỏ cũng sinh ra dòng
icb có biên độ lớn có nguy cơ phá hỏng các van, vì vậy phải có biện pháp hạn chế dịng
icb này. Trong sơ đờ sử dụng hai c̣n kháng CB1 và CB2 có Lk lớn để đảm bảo Icb
10% Id.
Như ta biết rằng c̣n kháng có Rk nhỏ, Lk lớn và dịng cân bằng là dòng đập
mạch. Như vậy cuộn kháng dễ dàng cho thành phần dịng mợt chiều Id đi qua và cản
hiệu quả dòng đập mạch icb.
C̣n kháng CK có nhiệm vụ san phẳng dòng điện tải Id.
24
Chương 3: Thiết kế mạch mạch phát xung điều khiển
CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ MẠCH PHÁT XUNG ĐIỀU KHIỂN
Phần trước chúng ta đã nghiên cứu sự hoạt động sơ đồ mạch động lực bộ chỉnh lưu
có điều khiển. Như ta đã biết, để các van của bợ chỉnh lưu có thể mở tại thời điểm mong
muốn thì ngoài điều kiện tại thời điểm đó trên van có điện áp thuận thì trên cực điều
khiển G và K của van phải có điện áp điều khiển (thường gọi là tín hiệu điều khiển). Để
có hệ thớng các tín hiệu điều khiển x́t hiện đúng theo yêu cầu mở van người ta sử
dụng mạch điện tạo ra các tín hiệu đó gọi là mạch điều khiển hay cịn gọi là hệ thớng
điều khiển mạch chỉnh lưu.
Điện áp điều khiển các Tiristor phải đáp ứng được các yêu cầu cần thiết về công
suất, biên độ cũng như thời gian tồn tại. Do đặc điểm của Tiristor là khi van đã mở thì
việc tờn tại tín hiệu điều khiển nữa hay không cũng không ảnh hưởng đến dịng qua van.
Vì thế hạn chế cơng śt của mạch phát tín hiệu điều khiển và giảm tởn thất trên vùng
cực điều khiển tạo ra các tín hiệu điều khiển Tiristor có dạng xung. Do đó mạch điều
khiển còn được gọi là mạch phát xung điều khiển.
Các xung điều khiển được tính tốn về đợ dài xung sao cho đủ thời gian cần thiết
để mở van với mọi loại phụ tải có thể có trong sơ đờ làm việc. Thông thường độ dài
xung thường nằm trong giới hạn 200 μs đến 600 μs.
3.1 Chọn phương pháp phát xung
Các hệ thống điều khiển đồng bộ hiện nay thường sử dụng ba phương pháp phát
xung chính là:
-
Phát xung điều khiển theo pha đứng.
-
Phát xung điều khiển theo pha ngang.
-
Phát xung điều khiển sử dụng diốt hai cực gốc.
Piương hiáh hiár xung điều khiển theo nguyên tắh hia đứng
Hệ thống này tạo ra các xung điều khiển nhờ việc so sánh giữa tín hiệu điện áp tựa
hình răng cưa thay đởi theo chu kì điện áp lưới và có thời điểm xuất hiện phù hợp góc
pha của lưới với điện áp điều khiển một chiều thay đổi được.
25