Thiết kế truyền động quay chi tiết mũi khoan

Đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động
lời nói đầu
Trong mọi ngành sản xuất hiện nay, các công nghệ tiên tiến, các dây chuyền và thiết bị hiện
đại đang từng ngày, từng giờ đợc ứng dụng vào nớc ta. Với chính sách mở cửa của Đảng và
Nhà nớc ta hiện nay, chắc chắn các công nghệ tiên tiến và hiện đại của thế giới sẽ ngày càng
đợc áp dụng hiệu quả vào Việt Nam với quy mô, số lợng, chất lợng một cách nhanh chóng.
Tác dụng của các công nghệ mới và dây chuyền sản xuất hiện đại đã góp phần thúc đẩy sự
nghiệp Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nớc mà Nghị quyết Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ
VIII và lần thứ IX đã đề ra.
Sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia phụ thuộc rất nhiều vào mức độ cơ giới hoá và tự
động hoá các quá trình sản xuất. Với vai trò là mũi nhọn của kỹ thuật hiện đại, lĩnh vực tự động
hoá đang phát triển với tốc độ ngày càng cao. Những thành tựu của lý thuyết Điều khiển tự
động, Tin học công nghiệp, Điện tử công suất, Kỹ thuật đo lờng đã và đang đợc triển khai
trên quy mô rộng lớn, tạo nên những thiết bị và dây chuyền công nghiệp sản xuất tự động với
năng suất cao và chất lợng tốt. Trong quá trình sản xuất, việc tự động hoá một dây chuyền sản
xuất đóng vai trò rất quan trọng. Nó là cầu nối giữa các hạng mục sản xuất, giữa các phân x-
ởng trong nhà máy, giữa các máy công tác trong một dây chuyền. Việc điều khiển hoạt động
của các dây chuyền hiện đại, tiên tiến cũng ngày càng đa dạng và phức tạp.
Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản
xuất. Đặc biệt trong dây chuyền sản xuất tự động hiện đại, truyền đồng điện đóng góp vai trò
quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lợng sản phẩm. Vì vậy, các hệ truyền động
điện luôn luôn đợc quan tâm nghiên cứu nâng cao chất lợng để đáp ứng các yêu cầu công
nghệ mới với mức độ tự động hoá cao. Việc tăng năng suất máy sản xuất và giảm giá thành
thiết bị điện của máy là hai yêu cầu cần chủ yếu đối với hệ thống truyền động điện và tự động
hoá sản xuất nhng chúng lại mâu thuẫn nhau. Một bên đòi hỏi sử dụng các hệ thống phức tạp,
một bên lại yêu cầu hạn chế số lợng thiết bị chung trên máy và số thiết bị cao cấp. Vậy việc
lựa chọn một hệ thống truyền động diện và tự động hoá thích hợp cho cơ cấu sản xuất là một
bài toán khó.
Với việc ứng dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử - tin học, các hệ truyền
động điện đợc phát triển và có thay đổi đáng kể. Đặc biệt, do công nghệ sản xuất các thiết bị
điện tử công suất ngày càng hoàn thiện nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền

động điện không những đáp ứng đợc yêu cầu tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp
phần làm giảm kích thớc và hạ giá thành của hệ truyền động.
Hệ truyền động điện một chiều có một u thế rất nổi bật là khả năng điều chỉnh tốc độ dễ
dàng, cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời có thể đạt chất lợng điều
chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Chính vì vậy mà truyền động điện một chiều đóng
một vai trò quan trọng trong các dạng truyền động điện đang dùng, nhất là trong các lĩnh vực
đòi hỏi khả năng điều khiển linh hoạt nh trong các máy sản xuất
Xuất phát từ những vấn đề liên quan tới hệ truyền động điện một chiều, bản đồ án này sẽ
nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền động một chiều sử dụng nguồn chỉnh lu điều khiển
Thyristor cho động cơ quay chi tiết của máy mài tròn. Trong phạm vi nhiệm vụ đợc giao của
bản đồ án, ngoài việc tính toán các thông số và giá trị cần thiết cho mạch động lực và mạch
điều khiển, thiết kế mạch điều khiển em dành sự quan tâm chủ yếu cho việc xây dựng cấu
trúc điều khiển tổng hợp hệ truyền động T-Đ, thiết kế các bộ điều chỉnh cho mạch vòng phản
hồi nối cấp, thực hiện mô phỏng các đặc tính hệ thống bằng chơng trình Simulink
Trong quá trình thiết kế, với sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Tự động
hoá XNCN và của các bạn sinh viên khác cộng với sự nỗ lực của bản thân, em đã hoàn thành
đợc bản đồ án này. Tuy nhiên, do thời gian tơng đối ngắn và trình độ chuyên môn còn hạn chế
nên bản đồ án không tránh khỏi thiếu sót. Em mong nhận đợc sự góp ý của các thầy cô giáo
và các bạn để bản đồ án này đợc hoàn thiện hơn.
Sinh viên thực hiện
Hà Đăng Chính
đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động của máy mài tròn
1. Đặc điểm công nghệ
1.1. Giới thiệu chung
Máy mài có hai loại chính: Máy mài tròn và máy mài phẳng. Ngoài ra, còn có các loại
máy khác nhau: máy mài vô tâm, máy mài rãnh, máy mài cắt, máy mài răng Thờng
trên máy mài có ụ chi tiết hoặc bàn để kẹp chi tiết và ụ đá mài, trên đó có trục chính với
đá mài. Cả hai ụ đều đặt trên bệ máy.
3
Đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động

Máy mài công nghiệp
Máy mài trònMáy mài phẳng Các loại khác
Máy
mài
t ròn
ngoài
Máy
mài
t ròn
t rong
Máy
mài
bằng
biên
đá
Máy
mài
mặt
đầu
Máy mài vô tâm
Máy mài rãnh
Máy mài cắt
Máy mài răng
Hình 1-1. Sơ đồ phân loại máy mài công nghiệp
Máy mài tròn có hai loại: máy mài tròn ngoài và máy mài tròn trong. Sơ đồ biểu diễn
công nghệ mài tròn đợc biểu diễn trên hình 1-2.
a. Máy mài t ròn ngoài
b. Máy mài t ròn t rong
Đá mài
Chi t iết

Hình 1-2. Sơ đồ gia công chi tiết trên máy mài tròn
Các dạng chuyển động trong máy mài tròn gồm có:
- Chuyển động chính là chuyển động quay của đá mài.
- Chuyển động ăn dao là di chuyển tịnh tiến của ụ đá ăn dao theo hờng dọc trục (ăn
dao dọc trục) hoặc theo hớng ngang trục (ăn dao ngang), hoặc chuyển động quay của chi
tiết (ăn dao vòng).
- Chuyển động phụ là di chuyển nhanh của ụ đá hoặc chi tiết
2. Yêu cầu truyền động điện máy mài tròn
1.2. Truyền động chính
Thông thờng truyền động chính máy mài không yêu cầu điều chỉnh tốc độ nên sử
dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. ở máy mài cỡ nặng, để duy trì tốc độ cắt
không đổi khi mòn đá hay kích thớc chi tiết gia công thay đổi, thờng sử dụng truyền
động động cơ có phạm vi điều chỉnh tốc độ là D=2 ữ 4/1 với công suất không đổi.
ở máy mài trung bình và nhỏ v = 50 ữ 80 m/s nên đá mài có đờng kính lớn thì tốc độ
quay của đá khoảng 1000 vòng/phút. ở những máy có đờng kính nhỏ, tốc độ đá rất cao.
Động cơ truyền động là các động cơ đặc biệt có tốc độ 24000 ữ 48000 vòng/phút hoặc có
thể lên tới 150000 ữ 200000 vòng/phút, đá mài gắn trên trục động cơ. Nguồn của động
cơ là các bộ biến tần, có thể là các máy phát tần số cao - biến tần quay hoặc là các bộ
biến tần tĩnh - biến tần thyristor.
4
Đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động
Mômen cản tĩnh trên trục động cơ thờng là 15 ữ 20% mômen định mức. Mômen quá
tính của đá và cơ cấu truyền lực lại lớn 500 ữ 600% mômen quán tính của động cơ, do đó
cần hãm cỡng bức động cơ quay đá và không yêu cầu đảo chiều quay động cơ quay đá.
1.3. Truyền động ăn dao
ở máy cỡ nhỏ, truyền động quay chi tiết dùng động cơ không đồng bộ nhiều cấp tốc
độ (điều chỉnh số đôi cực p) với D = (2 ữ 4)/1. ở các máy lớn thì dùng hệ thống bộ biến
đổi - động cơ điện một chiều (BBĐ - ĐM), hệ KĐT - ĐM có D = 10/1 với phơng pháp
điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp phần ứng.
Truyền động ăn dao dọc của bàn máy tròn cỡ lớn thực hiện theo hệ BBĐ - ĐM với dải

điều chỉnh tốc độ D = (20 ữ 25)/1 còn truyền động ăn dao ngang sử dụng thuỷ lực.
1.4. Truyền động phụ
Sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc.
3. Đặc tính cơ của máy mài
Đặc tính của cơ cấu sản xuất đợc khái quát bằng phơng trình:
q
dm
odmoc
))(MM(MM


+=
trong đó:
M
co
- Mômen ứng với tốc độ =0
M
dm
- Mômen ứng với tốc độ định mức
dm
M
c
- Mômen ứng với tốc độ
q - số mũ phụ thuộc vào loại cơ cấu sản xuất. Với máy mài nói riêng và máy cắt
gọt kim loại nói chung, q thờng nhận hai giá trị q=1 (ứng với truyền động chính

=
1
M
c

và P = const) và q=0 (ứng với truyền động ăn dao M
c
= M
đm
= const).
Trong thực tế, đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất không giữ đợc cố định theo một quy
luật trong toàn bộ phạm vi điều chỉnh tốc độ mà thay đổi theo điều kiện công nghệ hoặc
điều kiện tự nhiên.
Đối với truyền động chính máy mài tròn, nói chung công suất không đổi (P = const)
khi tốc độ thay đổi còn mômen tỷ lệ ngợc với tốc độ

=
1
M
c
. Nh vậy, ở tốc độ thấp,
mômen có thể lớn nên kích thớc các bộ phận cơ khí phải chọn lớn lên, điều đó không có
lợi. Mặt khác, thực tế sản xuất cho thấy rằng các tốc độ thấp chỉ dùng cho các chế độ làm
việc nhẹ (F
z
và P
z
nhỏ). Vì vậy, ở vùng tốc độ thấp, ngời ta giữ mômen không đổi còn
công suất thay đổi theo quan hệ bậc nhất với tốc độ.
Đối với truyền động ăn dao, nói chung mômen không đổi khi điều chỉnh tốc độ. Tuy
nhiên, ở vùng tốc độ thấp, lợng ăn dao s nhỏ, lực cắt F
z
bị hạn chế bởi chiều sâu cắt tới
hạn t. Trong vùng này, khi tốc độ ăn dao giảm, lực ăn dao và mômen ăn dao cũng giảm
theo. ở vùng tốc độ cao, tơng ứng với tốc độ v

z
của truyền động chính cũng phải lớn, nếu
giữ F
ad
lớn nh cũ thì công suất truyền động sẽ quá lớn. Do đó, cho phép giảm nhỏ lực ăn
dao trong vùng này, mômen truyền động ăn dao cũng giảm theo.
5
Đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động
v
F
z
v
z
v
gh
0
F
ad
v
ad
v
1
0
v
2
b. T ruyền động ăn dao
a. T ruyền động chính
Hình 3-1. Đồ thị đặc tính phụ tải của máy mài
Một hệ thống truyền động điện có điều chỉnh gọi là tốt nếu đặc tính điều chỉnh của nó
giống đặc tính cơ của máy. Khi đó, động cơ đợc sử dụng hợp lý nhất tức là có thể làm

việc đầy tải ở mọi tốc độ. Nhờ đó, hệ thống truyền động đặt đợc các chỉ tiêu năng lợng
cao. Nói cách khác, có thể lựa chọn động cơ có kích thớc nhỏ nhất cho máy.
Đặc tính điều chỉnh của truyền động điện là quan hệ giữa công suất hoặc mômen của
động cơ với tốc độ. Với động cơ một chiều kích từ
độc lập, khi điều chỉnh điện áp phần ứng và giữ từ
thông máy không đổi ta sẽ có:
M = kI
u
= const; P = M
Khi điều chỉnh từ thống, giữ điện áp phần ứng
không đổi thì
M = kI
u


1
; P = M = const
Kết hợp cả hai phơng pháp điều chỉnh, ta có đồ
thị nh hình 3-2. Đặc tính điều chỉnh ở vùng này có
dạng giống đặc tính cơ của truyền động chính.
Một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lợng
một hệ thống truyền động điện là độ ổn định tốc
độ %. Đờng đặc tính cơ càng cứng thì độ ổn định tốc độ càng cao. Nói chung, truyền
động ăn dao yêu cầu % (5 ữ 10)% còn truyền động chính yêu cầu % (5 ữ
15)%.
6
M,P
0

min

gh

max

P
M
Hình 3-2. Quan hệ M() và P() của
động cơ một chiều kích từ độc lập
Đồ án môn học Tổng hợp hệ điện cơ
thiết kế hệ truyền động
4. Các ph ơng 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 máy mài tròn và
nhiệm vụ thiết kế, để điều chỉnh tốc độ động cơ quay chi tiết máy mài tròn, 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).
Hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ dùng phơng pháp điều chỉnh
tần số (Hệ Biến tần - Động cơ)

1.5. Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (F-Đ)
1.5.1. 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.
U
kF
U
đku
~
i
KF
F
ĐK
F

M
Đ
U
kĐ
U
đk
~
i
KĐ

M
I
Hình 4-1. Sơ đồ nguyên lý hệ F-Đ.

Sơ đồ nguyên lý một hệ F-Đ đợc thể hiện trên hình 4-1. 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 i
KF
thì điều chỉnh đợc tốc độ không tải của hệ thống còn độ cứng đặc tính cơ đ-
ợc giữ nguyên.
1.5.2. 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
18
Tổng hợp hệ thống truyền động
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 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.
1.6. 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 E
đ
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).
1.6.1. 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.
M
Đ
U
đk
~
i
KĐ

M
~
U
đk
Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động T-Đ.
1.6.2. 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:
M
)k(
R
k
cosE
2
dm
dm
do




=
19
Tổng hợp hệ thống truyền động
Độ cứng của đặc tính cơ là
2
dm
R
k

=
trong đó R là tổng trở toàn 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 :
dm
do
o
k
cosE


=
.
Tuy nhiên, tốc độ không tải lý tởng này chỉ là giao điểm cảu 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 t-
ởng của đặc 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 áp đặt vào phần ứng động cơ càng nhỏ. Khi đó, đặc tính cơ hạ thấp và ứng với một
mômen cản M
c
, 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 đ-
ờng 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:
1)
p
cos
p
sinU
IL
()
p
sin
p
U
E
(
2
m2
e
2
m2
=

+


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.
1.6.3. 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 yêu 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.
1.7. 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 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.
20
Hình 4-3. Đặc tính cơ hệ T-Đ.

M

0
Tổng hợp hệ thống truyền động
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 th-
ờng 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 ).
Đ
Điều khiển
U
ng
U
đk
Hình 4-4. 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

= U
ng
, trong đó: U là điện áp phần ứng động cơ,U
ng
là điện áp một
chiều cần băm , là hệ số lấp đầy xung:

kt
tt
tt
t
T
t
+
==
với t
t
, t
k
là thời gian thông và
khoá của bộ khoá điện tử. Do 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 t
t
, T hoặc cả hai.
1.8. Hệ truyền động điện động cơ không đồng bộ dùng phơng pháp điều chỉnh tần số
1.8.1. Hệ truyền động điện động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ ba pha (KĐB) đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp từ
công suất nhỏ đến công suất trung bình và chiếm tỷ lệ rất lớn so với các động khác.
Trong thời gian gần đây, do sự phát triển cao của công nghệ chế tạo bán dẫn công suất
và kỹ thuật điện tử - tin học, động cơ KĐB mới khai thác các u điểm của mình. Nó trở
thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động T-Đ.
Khác với động cơ một chiều, động cơ KĐB đơc cấu tạo phần cảm và phần ứng không
tách biệt, từ thông động cơ cũng nh mômen động cơ sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham
số. Do vậy, hệ điều chỉnh tự động truyền động điện KĐB là hệ điều chỉnh nhiều tham số
có tính phi tuyến mạnh. Trong định hớng xây dựng hệ truyền động điện động cơ không
đồng bộ, ngời ta có xu hớng tiếp cận với các đặc tính điều chỉnh của truyền động điện

một chiều. ứng dụng chủ yếu của các thiết bị bán dẫn công suất để điều chỉnh tốc độ
xoay chiều là các bộ nghịch lu có tần số thay đổi. Để
có đợc các đặc tính điều khiển có thể so sánh đợc với
đặc tính động cơ một chiều, cần sử dụng thiết bị điều
khiển và thiết bị công suất phức tạp hơn. Do đó, ta th-
ờng sử dụng truyền động điện xoay chiều cho các hệ
truyền động có tốc độ không đổi.
1.8.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng
phơng pháp tần số:
Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách
biến đổi tần số nguồn cho phép mở rộng phạm vi sử
dụng động cơ KĐB trong nhiều ngành công nghiệp.
21
ĐK
Biến t ần
~ 3
ĐK
~
Hình 4-5. Sơ đồ nguyên lý
hệ TĐĐ-ĐK điều chỉnh tần số.
Tổng hợp hệ thống truyền động
Nó cho phép mở rộng dải điều chỉnh tốc độ và nâng cao tính chất động học của hệ thống
điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói chung và động cơ KĐB nói riêng, có thể ứng
dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc nh các truyền động
của nhóm máy dệt, băng tải, bánh lăn hoặc cho cả các thiết bị đơn lẻ nhất là những cơ
cấu có yêu cầu tốc độ cao nh máy ly tâm, máy mài Đặc biệt là hệ thống điều chỉnh tốc
độ động cơ bằng cách biến đổi nguồn cung cấp sử dụng cho động cơ không đồng bộ
rotor lồng sóc sẽ có kết cấu đơn giản vững chắc, giá thành hạ và có thể làm việc trong
nhiều môi trờng. Nhợc điểm cơ bản của hệ thống này là sơ đồ mạch điều khiển rất phức
tạp. Đối với hệ thống này, động cơ không nhận điện từ lới chung mà từ một bộ biến tần.

Bộ biến tần này có khả năng biến đổi tần số và điện áp ra một cách độc lập với nhau. Th-
ờng sử dụng hai loại biến tần trong việc điều chỉnh tốc độ là biến tần trực tiếp và biến tần
gián tiếp (có sử dụng khâu trung gian một chiều). Hệ truyền động điện có thể sử dụng bộ
biến tần trực tiếp hoặc gián tiếp ba pha, cũng có thể dùng bộ biến đổi một chiều-xoay
chiều thay đổi tần số một pha hay ba pha.
a. Biến tần trực tiếp (cycloconverter): Có sơ đồ cấu trúc đơn giản (hình 4.6a). Điện áp
vào xoay chiều u
1
(tần số f
1
) chỉ cần qua một mạch van là chuyển ngay ra tải với tần số
khác. Vì vậy, loại biến tần này có hiệu suất biến đổi năng lợng cao do chỉ có một lần biến
đổi điện năng và cho phép thực hiện hãm tái sinh năng lợng mà không cần có mạch điện
phụ. Đồng thời, cũng có thể dễ dàng thực hiện điều chỉnh điện áp và tần số đầu ra của
biến tần trực tiếp với dạng sóng điện áp gần hình sin. Tuy nhiên, sơ đồ mạch van khá
phức tạp, số lợng van lớn đối với mạch ba pha. Việc thay đổi tần số ra f
2
khó khăn và phụ
thuộc vào tần số vào f
1
, số pha đầu vào của nguồn và số khoảng dẫn của các van ở mỗi
nhóm van.
Vì thế, hiện nay chủ yếu sử dụng loại biến tần này với phạm vi điều chỉnh tần số f
2
f
1
.
Mặc dù về nguyên tắc, có thể tạo biến tần với f
2
f

1
nhng mức độ phức tạp sẽ tăng lên rất
nhiều. Biến tần trực tiếp hay đợc dùng cho truyền động điện công suất lớn, tốc độ làm
việc thấp, thí dụ để cung cấp cho các động cơ rotor lồng sóc, các động cơ rotor dây quấn
cấp bởi hai nguồn, các động cơ đồng bộ
U
1
, f
1

~
Mạch van
~
U
2
, f
2
a)
b)
U
1
, f
1

~
Chỉnh
l u
Lọc
Nghịch l u
độc lập

~
U
2
, f
2
U
=
U
=
Hình 4-6. Cấu trúc biến tần trực tiếp (a) và nghịch lu độc lập (b)
b. Biến tần gián tiếp (có khâu trung gian một chiều) nghịch lu độc lập: Sơ đồ cấu
trúc đợc trình bày trên hình 4-6b. Trong loại biến tần này, điện áp xoay chiều đầu tiên đ-
ợc chuyển thành điện áp một chiều nhờ bộ chỉnh lu, sau đó đi qua bộ lọc rồi mới trả về
điện áp xoay chiều với tần số f
2
. Việc biến đổi năng lợng hai lần làm giảm hiệu suất biến
tần. Song, loại biến tần này cho phép thay đổi dễ dãng tần số ra f
2
không phụ thuộc vào
tần số vào f
1
trong một dải rộng cả trên và dới f
1
vì tần số ra chỉ phục thuộc vào mạch
điều khiển. Hơn nữa, với sự ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kỹ thuật vi xử lý và dùng van
lực là các loại transistor đã cho phép phát huy tối đa các u điểm của loại biến tần này. Vì
vậy, đa số các biến tần hiện nay là biến tần nghịch lu độc lập với nguồn cung cấp là
nguồn dòng hoặc nguồn áp. Tuy nhiên, nếu sử dụng van thyristor vẫn còn một số khó
khăn nhất định khi giải quyết vấn đề khoá van.
Biến tần nguồn áp: Nghịch lu điện áp có đặc điểm dạng điện áp ra tải đợc định hình

sẵn còn dạng dòng điện ra tải lại phụ thuộc vào tính chất tải. Nguồn áp đ ợc tạo ra bằng
một bộ chỉnh lu với đầu ra đợc nối song song với một tụ điện có giá trị đủ lớn để đảm
bảo điện áp nguồn ít bị thay đổi và để trao đổi công suất phản kháng với điện cảm tải của
động cơ. Điện áp ra của nghịch lu điện áp không có dạng hình sin mà đa số là dạng xung
22
Tổng hợp hệ thống truyền động
chữ nhật. Việc điều chỉnh tần số điện áp ra trên tải đợc thực hiện dễ dàng bằng điều
khiển qui luật mở van của phần nghịch lu. Phơng pháp điều khiển này thay đổi dễ dàng
tần số mà không phụ thuộc vào lới điện.
Biến tần nguồn dòng: Trong các hệ truyền động điện điều chỉnh động cơ xoay
chiều, nguồn dòng thờng đợc sử dụng cho các hệ thống công suất lớn và có sơ đồ cầu ba
pha, trong đó các van bán dẫn là các van điều khiển hoàn toàn. Sơ đồ đơn giản, làm việc
tin cậy, đợc sử dụng rộng rãi để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha rotor lồng
sóc.Biến tần nguồn dòng có u điểm là tăng đợc công suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản
mà vẫn thực hiện hãm tái sinh động cơ. Khi làm việc với tải là động cơ xoay chiều thì
điện áp tải có xuất hiện các xung nhọn tại các thời điểm chuyển mạch dòng điện chuyển
mạch giữa các pha. Trong thực tế, thờng sử dụng các van điều khiển không hoàn toàn, vì
vậy cần có các mạch khoá cỡng bức các van đang dẫn, bảo đảm chuyển mạch dòng điện
giữa các pha một cách chắc chắn trong phạm vi điều chỉnh tần số và dòng điện đủ rộng.
Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lu phải là nguồn dòng điện, tức là dòng điện
không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển. Nguồn dòng thờng đ-
ợc tạo ra bằng một bộ chỉnh lu có đầu ra nối tiếp với điện cảm có giá trị lớn.
Mặc dù động cơ không đồng bộ ba pha có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an
toàn và sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lới điện xoay chiều ba pha, nhng về phơng diện
điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều u việt hơn so với các loại động cơ
khác: có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn
giản hơn và đạt chất lợng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Chính vì vậy,
ta sẽ chọn phơng án thiết kế hệ truyền động chỉnh lu Thyristor - động cơ một chiều
kích từ độc lập.
5. Xác định các thông số động cơ truyền động

Các thông số kỹ thuật hệ thống
- Mômen cực đại (M
max
): 25 (Nm)
- Tốc độ quay chi tiết (n): 20 ữ1000 (Vòng/phút)
- Tỷ số truyền (i): 3
- Hiệu suất (): 0,8
- Mômen quán tính cơ cấu (J): 0,008 (kgm
2
)
1.9. Chọn công suất động cơ cho truyền động quay chi tiết máy mài tròn
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 P
c
(), M
c
(): Phụ tải truyền động yêu cầu điều chỉnh
tốc độ với M = const. Khi đó, công suất yêu cầu cực đại P
max
= M
đm
.
max
M
c
0

min

max

M
c
= const
Hình 5. Đặc tính phụ tải

Phạm vi điều chỉnh tốc độ
max
và
min
.

min
= i.
cmin
= i.
60
2.n
minc

=3.
60
2.20
= 6,283 (rad/s) hay n
min
= 60(vòng/phút)
23
Tổng hợp hệ thống truyền động

max
= i.
cmax
= i.
60
2.n
maxc

=3.
60
2.1000
= 314,159 (rad/s) hay n
max
= 3000(vòng/phút)
Dải điều chỉnh tốc độ:
60
3000
n
n
D
min
max
min
max
==


=
=50:1

Phơng pháp điều chỉnh và bộ biến đổi trong hệ thống truyền động: Điều chỉnh điện
áp phần ứng sử dụng chỉnh lu cầu ba pha điều khiển (thyristor).

Loại động cơ truyền động: động cơ một chiều kích từ độc lập.
Đặc điểm của phụ tải truyền động động cơ quay chi tiết máy mài tròn là giữ M = const
trong phạm vi điều chỉnh tốc độ. Do đó, ta có yêu cầu công suất cực đại
P
max
=

1
.M
đm
.
max
=

1
.M
cmax
.
cmax
=
8,0
1
.25.


60

2.1000
3272,5 (W)

3,3 (kW)
Ta chọn loại động cơ 31 của Nga với các thông số sau:
P
đm
= 3,3 (kW)
U
đm
= 220 (V)
I
đm
= 17,5 (A)
n
đm
= 3000 (vòng/phút)
R = R + R
cp
= 0,642()

đm
= 5,7 (mWb)
I
kt
= 0,62 (A)
J
đ
= 0,09 (kg.m
2

)
2a = 2
1.10. Xác định các thông số động cơ
Điện cảm phần ứng L =
=
3000.1.5,17
220
.6,5=
n.p.I
U
.k
mđmđ
mđ
L
0,0235(H) = 23,5 (mH)
trong đó k
L
là hệ số lấy giá trị 5,5 ữ 5,7 đối với máy không bù và k
L
= 1,4 ữ 1,9 đối với
máy có bù; p là số đôi cực.
k
đm
=
=
100
642,0.5,17220
=

R.I.U

mđ
mđmđ

0,67
Mômen quán tính J = J
đ
+ J
c
= 0,09 + 0,008 = 0,098 (kg.m
2
)
Hằng số thời gian cơ học T
c
=
=
)67,0(
098,0.642,0.2
=
)k(
J.R
22
mđ


0,2803 (s)
Hằng số thời gian mạch phần ứng T =
=
642,0
0235,0
=

R
L

0,0366 (s)
Phơng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
M
)67,0(
642,0
67,0
220
M
)k(
R
k
U
22

=



=
= 328,36 1,43M
Phơng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:


I
67,0
642,0
67,0

220
I
k
R
k
U
=



=
= 328,36 0,96I
24
Tổng hợp hệ thống truyền động
6. Thiết kế bộ biến đổi chỉnh l u Thyristor
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: U
d
= 220 V
- Dòng chỉnh lu: I
d
= 17,5 A
- Độ nhấp nhô thấp
Vì công suất nhỏ (P
d
= 3,85 kVA), đờng kính dây quấn nhỏ nên sẽ có lợi nếu ta tăng
số vòng dây lên
3

lần và giảm tiết diện dây đi
3
lần. Để làm việc này, phía sơ cấp sẽ
đấu kiểu , phía thứ cấp đấu Y (/Y).
1.11. Tính chọn máy biến nguồn
Máy biến áp nguồn dùng để tạo điện áp U
2
phù hợp với điện áp động cơ và cách ly
phần mạch lực bộ biến đổi với lới điện. Máy biến áp công suất cỡ chục kVA thuộc loại
máy biến áp công suất nhỏ, sụt áp trên điện trở tơng 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 lu không tải: U
do
= 220.1,055 + 2 = 234V
Giá trị hiệu dụng điện áp thứ cấp máy biến áp (nối /Y):
3
U
.
23
U
do
2

=
= 100 (V)
Tỷ số máy biến áp: k =
100
380
U
U

2
1
=
= 3,8
Dòng thứ cấp máy biến áp: I
2
=
d
I.
3
2
= 14,3(A)
Công suất máy biến áp: P = 3.U
2
.I
2
= 3.100.14,3 = 4290 (VA)

4,29 (kVA).
1.12. Chọn van thyristor trong bộ biến đổi
- Giá trị dòng trung bình chảy qua mỗi van:
3
5,17
3
I
I
d
vtb
==
= 5,83 (A)

- Giá trị dòng cực đại qua mỗi van: I
vmax
= I
d
= 17,5 (A)
- Giá trị điện áp ngợc đặt lên mỗi van: U
ngmax
= 2,45.U
2
= 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 lu cầu ba pha là:
- U
ngt
1,6. U
ngmax
= 1,6 . 245 = 392 (V)
- I
t
1,5. I
max
= 1,5.17,5 = 26,25 (A)
Ta có thể chọn van T50 của Liên Xô(cũ) để chịu đợc các điều kiện dòng và áp trong
mạch. Các thông số của van đợc cho trong bảng sau:
I
tb
U
tm
U
t

off
I
g
U
g
dt
di
dt
du
A V V
às
A V
A/às V/às
50 400 1 100 0,3 7 50 250
25
Tổng hợp hệ thống truyền động
1.13. Chế độ làm việc của bộ chỉnh lu
Các thông số của hệ T-Đ phụ thuộc vào chế độ làm việc của chỉnh lu: chế độ dòng
điện liên tục, dòng gián đoạn và hiện tợng chuyển mạch.
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-điện:
1)
p
cos
p
sinU
IL
()
p
sin

p
U
E
(
2
m2
e
2
m2
=




+



I
bo
=







100.10.5,23.2
2100).

6
cos
6
sin
6
(
=
)L+L(
U)
p
cos
p
sin
p
(
=I=I
3
eau
m2
0=
bo
= 0,852 (A) < Iđm

I
0
I
bo
I
đm
Hình 6.1 Biên giới vùng gián đoạn và vùng liên tục của đặc tính cơ - điện

Vậy chế độ làm việc của bộ biến đổi là chế độ dòng điện liên tục có xét đến hiện tợng
trùng dẫn.
1.14. 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 nhămg 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.
1.14.1.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
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
1.14.2.Bảo vệ trong bộ biến đổi
a. 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
26
Tổng hợp hệ thống truyền động
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 k
i
=1,5 và k
u
=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 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 RC 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: C = 1àF và R = 1K.
Hình 6.2 là sơ đồ bảo vệ mạch chỉnh lu cầu ba pha có đầy đủ các phần tử bảo vệ quá
dòng và quá áp.
Đ
U
đk
i
KĐ
Hình 6.2 Sơ đồ bộ biến đổi có bảo vệ quá dòng và quá áp
tổng hợp hệ thống truyền động
7. Mô hình hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện
Mục tiêu cơ bản của hệ điều chỉnh tự động truyền động điện là phải đảm bảo giá trị

yêu cầu của các đại lợng điều chỉnh mà không phụ thuộc vào tác động của các đại lợng
nhiễu lên hệ điều chỉnh. Hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện động cơ quay chi
tiết máy mài có cấu trúc đợc trình bày trên hình 8 gồm : động cơ truyền động M quay chi
tiết máy mài tròn Mx và thiết bị biến đổi năng lợng - chỉnh lu cầu ba pha BĐ (đợc gọi là
phần lực), các thiết bị đo lờng ĐL và các bộ điều chỉnh R (đợc gọi là phần điều khiển).
Tín hiệu điều khiển hệ thống đợc gọi là tín hiệu đặt THĐ và ngoài ra còn có các tín hiệu
nhiễu loạn NL tác động lên hệ thống.
27
Tổng hợp hệ thống truyền động
MxR BĐ M
ĐL
THĐ
NL
Hình 7 Cấu trúc của hệ điều chỉnh tự động truyền động điện động cơ quay chi tiết máy mài tròn.
Động cơ truyền động đợc sử dụng là động cơ một chiều kích từ độc lập và đợc cấp
năng lợng từ bộ biến đổi chỉnh lu cầu ba pha có điều khiển. Bộ biến đổi có chức năng
biến đổi năng lợng điện thích ứng với động cơ truyền động và mang thông tin điều khiển
để điều khiển các tham số đầu ra của bộ biến đổi (nh công suất, điện áp, dòng điện, tần
số ). Tín hiệu điều khiển đợc lấy ra từ bộ điều chỉnh R. Các bộ điều chỉnh R (regulator)
nhận tín hiệu thông báo sai lệch về trạng thái làm việc của truyền động thông qua so
sánh giữa tín hiệu đặt THĐ và tín hiệu đo lờng các đại lợng truyền động. Để đảm bảo
chất lợng của hệ, ta sử dụng các mạch vòng điều chỉnh dòng điện và tốc độ. Sự biến thiên
của các tín hiệu đặt gây ra các sai lệch không tránh đợc trong quá trình quá độ và cũng
có thể gây sai lệch trong chế độ xác lập. Trên cơ sở phân tích các sai lệch điều chỉnh, ta
có thể chọn đợc các bộ điều chỉnh, các mạch bù thích hợp để nâng cao chính xác của hệ
thống.
8. Tổng hợp các mạch vòng điều chỉnh kiểu nối cấp
1.15. Mạch vòng điều chỉnh nối cấp
Khi tổng hợp hệ truyền động nhiều thông số thờng phân hệ thành cấu trúc nhiều vòng
có các bộ điều chỉnh kiểu nối cấp. Cho đến nay, phơng pháp chung tổng hợp các bộ điều

chỉnh trong cấu trúc nối cấp cha thật hoàn thiện, chủ yếu do việc chọn thông số tối u của
các bộ điều chỉnh và tính chất phức tạp của hệ thống thực. Vì thế, việc tính toán tổng hợp
gần đúng có giá trị to lớn trong thiết kế định hớng cũng nh trong chỉnh định và vận hành
hệ thống.
Hệ thống điều chỉnh tốc độ là hệ thống mà đại lợng đợc điều chỉnh là tốc độ góc của
động cơ điện. Hệ thống điều chỉnh tốc độ đợc hình thành từ hệ thống điều chỉnh dòng
điện. Do các yêu cầu công nghệ mà hệ thống cần đạt vô sai cấp 1 hoặc vô sai cấp hai.
Nhiễu chính của hệ thống là mômen cản M
c
. Tuỳ theo yêu cầu công nghệ mà bộ điều
chỉnh tốc độ R

có thể đợc tổng hợp theo hai tín hiệu điều khiển hoặc theo nhiễu tải M
c
.
Trong trờng hợp chung, hệ thống phải có đặc tính điều chỉnh tốt cả từ phía tín hiệu điều
khiển lẫn phía tín hiệu nhiễu loạn.
Theo phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp phần ứng, giá trị trung
bình ở đầu ra của bộ chỉnh lu quyết định tốc độ quay của động cơ. Ngời ta có thể coi bộ
chỉnh lu là một bộ khuếch đại công suất. Góc mở van thờng đợc điều chỉnh nhờ điện áp
điều khiển u
đk
. Công suất của tín hiệu vào rất nhỏ so với công suất đầu ra của bộ chỉnh l-
u. Sơ đồ khối chức năng đợc trình bày trên hình 9.4 trong đó, hệ thống sử dụng một mạch
vòng điều chỉnh dòng điện. FX là thiết bị phát xung điều khiển bộ biến đổi BĐ. Phần tử
phi tuyến HCD là phần tử hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ. Sensor tốc độ S

đóng vai trò khâu phản hồi tốc độ.
28
Tổng hợp hệ thống truyền động

THĐ
R

Ri FX
HCD
BĐ Đ
M
c
U
kt

Si
S

Hình 8.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền động điều chỉnh tự động.
1.16. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện
Mạch vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản của hệ thống, xác định mômen
kéo của động cơ và thực hiện các chức năng bảo vệ, điều chỉnh gia tốc Hệ thống truyền
động điện động cơ quay chi tiết máy mài tròn có hằng số thời gian cơ học T
c
rất lớn so
với hằng số thời gian điện từ của mạch phần ứng T nên ta có thể coi sức điện động của
động cơ không ảnh hởng đến quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện.
Sơ đồ khối của mạch vòng điều chỉnh dòng điện đợc thể hiện trên hình 9.2, trong đó F
là mạch lọc tín hiệu, R
i
là bộ điều chỉnh dòng điện, BĐ là bộ chỉnh lu cầu ba pha, S
i
là
sensor dòng điện.

u
iđ
f
pT+1
1
u
i
)pT+1)(pT+1(
K
vokđ
CL
PI


pT+1
T/1
i
i
pT+1
K
F BĐRi
S
i
I
Hình 8.2 Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện.
T
f
, T
đk
, T

vo
, T

, T
i
là các hằng số thời gian của mạch lọc, mạch điều khiển chỉnh lu, sự
chuyển mạch chỉnh lu, phần ứng và sensor dòng điện. R là điện trở mạch phần ứng và
K
CL
, K
i
là hệ số khuếch đại của chỉnh lu và sensor dòng điện.
K
CL
=
10
234
=
U
U
kđ
do
= 23,4;
5,17
10
=
I
U
=K
mđ

đi
i
= 0,5714; T
f
=T
i
=T
đk
= 0,001 (s) << T

;
T

= 0,0366 (s); T
vo
=


=


100.6m
e
= 0,00167(s)
Hàm truyền của mạch dòng điện ( hàm truyền của đối tợng điều chỉnh):
)pT+1)(pT+1)(pT+1)(pT+1)(pT+1(
R/K.K
=)p(S
i vokđf
iCL

1o
Đặt T
s
= T
f
+ T
đk
+ T
vo
+ T
i
= 0,00467 < T = 0,0366 thì có thể viết lại hàm truyền ở
dạng gần đúng nh sau:
)pT+1)(pT+1(
R/K.K
=)p(S
s
iCL
oi
29
Tổng hợp hệ thống truyền động
áp dụng tiêu chuẩn tối u module, ta tìm đợc hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện
có dạng khâu tỷ lệ vi phân PI, trong đó đã chọn T

= T
s
=0,00467s (chọn a =2):
p1945,0
p0366,0+1
=

p
R
T.a.K.K
)pT+1(
=)p(R

siCL

i
Hàm truyền của mạch vòng sẽ là:
222
ss
issiđi
p0000436,0+p00934,0+1
75,1
=
pT2+pT2+1
1
.
K
1
=
1+)pT+1(pT2
1
.
K
1
=
)p(U
)p(I

Hình 8.3 Đặc tính quá độ dòng điện hệ thống
Quá trình quá độ sẽ kết thúc sau thời gian T
qđ
= 8,4T
s
= 0,039(s) và độ quá điều chỉnh
là 4,57% (I
max
= 18,3A). Nếu xét đến ảnh hởng của sức điện động động cơ thì do tính
chất cản dịu của nó mà trong nhiều có thể không xảy ra quá điều chỉnh dòng điện.
1.17. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ
Sensor tốc độ :


100
10
=
U
=K
mđ
đ
và hằng số thời gian lọc T


= 0,001 (s).
u

đ
u

P
s
i
pT2+1
K/1


pT+1
K
R

S

I
HCD k

M
Jp
1
M
c

Hình 8.4 Sơ đồ khối của hệ điều chỉnh tốc độ
Theo kết quả tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện, ta có hàm truyền của mạch
vòng dòng điện là:
30
Tổng hợp hệ thống truyền động
222
ss
iđi

p0000436,0+p00934,0+1
75,1
=
pT2+pT2+1
1
.
K
1
=
)p(U
)p(I
Để thuận tiện trong tính toán tiếp theo, ta bỏ qua thành phần 2
2
s
T
để thu đợc biểu thức
gần đúng của hàm truyền mạch vòng điều chỉnh dòng điện hệ thống:
p00934,0+1
75,1
=
pT2+1
1
.
K
1
=
)p(U
)p(I
siđi
Đặt

T5,0+T=T
s
'
s
= 0,00517, khi đó đối tợng điều chỉnh có hàm truyền:
)pT2+1(p
1
.
.T k.
KR
=)p(S
'
s
c

2o
K
i.

Theo tiêu chuẩn tối u module, ta có thể xác định đợc hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc
độ là khâu tỷ lệ P, (lấy hệ số a
2
= 2):
=
aT2
1
.
KR
T.k.K

=K=)p(R
2
'
s

ci
p



126,97
Hàm truyền của mạch vòng điều chỉnh tốc độ là:
1+p0209,0+p000193,0
416,31
=
1+)1+pT2(pT4
1
.
K
1
=
)p(U
)p(
2
s
'
s
đ

Mạch vòng tốc độ này là vô sai cấp 1 đối với tín hiệu điều khiển và là hữu sai đối với

tín hiệu nhiễu. Hệ số khuếch đại của bộ điều chỉnh tốc độ K
p
có thể điều chỉnh thông qua
tham số a
2
.
Hình 8.5 Đặc tính quá độ tốc độ hệ thống
31
Tæng hîp hÖ thèng truyÒn ®éng
H×nh 8.6 §Æc tÝnh qu¸ ®é hÖ thèng
 32 
Đồ án môn học Tổng hợp hệ điện cơ
thiết kế mạch điều khiển
9. Mạch điều khiển thyristor
1.18. Nguyên lý mạch điều khiển
Thyristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dơng đặt trên anode và xung
áp dơng đặt vào cực điều khiển G. Sau khi thyristor đã mở thì xung điều khiển không còn
tác dụng, dòng điện chảy qua do thông số của mạch động lực quyết định.
Mạch điều khiển có các chức năng sau:
- Điều chỉnh đợc vị trí xung điều khiển trong phạm vi điều chỉnh ứng với nửa chu kỳ
dơng của điện áp đặt trên anode cathode của thyristor.
- Tạo ra đợc các xung điều khiển đủ điều kiện mở đợc thyristor (xung điều khiển th-
ờng có biên độ và độ rộng xung xác định
Cấu trúc của mạch điều khiển một thyristor đựoc trình bày trên hình 10.1.
u
cm
- điện áp điều khiển, điện áp một chiều;
u
s
- điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều hoặc biến thể của nó, đồng bộ với điện áp

anode cathode u
AK
của thyristor;
Bằng cách tác động vào u
cm
có thể điều chỉnh đợc vị trí xung điều khiển, cũng tức là
điều chỉnh góc điều khiển .
So sánh
Khuếch đại
công suất
Biến áp
xung
Phát xung
Dao động
Điều khiển
Đồng bộ
u
s
u
cm
u
AK
T
Hình 9.1 Cấu trúc mạch điều khiển
1.19. Nguyên tắc điều khiển
Để điều khiển vị trí xung trong nửa chu kỳ dơng 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 u
s
vợt trớc u

AK
= U
m
sint của thyristor một góc /2, u
s
=U
m
cost.
- Điện áp điều khiển u
cm
là điện áp một chiều có thể điều chỉnh đợc biên độ qua các
bộ điều chỉnh tốc độ và dòng điện R

và R
i
.
Nếu đặt u
s
vào cổng đảo và u
cm
vào cổng không đảo của khâu so sánh thì khi u
s
= u
cm
ta
sẽ nhận đợc một xung rất mảnh ở đầu ra khi khâu này lật trạng thái: u
cm
= U
m
cos.

Do đó = arccos
)
U
u
(
m
cm
.
Nh vậy, khi điều chỉnh u
cm
từ trị số u
cmmin
đến u
cmmax
ta có thể điều chỉnh đợc góc điều
khiển = (
min
ữ
max
).
33
Thiết kế mạch điều khiển

u
s
u
cm
u
AK
u

t
2
0
Hình 9.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos .
10. Cấu trúc từng khối chức năng
1.20. Các bộ điều chỉnh R và Ri
Bộ điều chỉnh là một trong những phần tử quan trọng nhất trong hệ điều chỉnh tự động
truyền động điện vì nó đảm bảo chất lợng động và tĩnh của hệ thống.
Bộ điều chỉnh có hai nhiệm vụ:
- Khuếch đại tín hiệu sai lệch nhỏ của hệ
- Tạo hàm điều khiển đảm bảo chất lợng động và tĩnh của hệ thống.
Trong hệ thống ta sử dụng hai bộ điều chỉnh: bộ điều chỉnh tỷ lệ P dùng điều chỉnh tốc
độ và bộ điều chỉnh tỷ lệ - tích phân PI để điều chỉnh dòng điện.
Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:
pRC
)C+C(pR+1
=
p09727,0
0366,0+1
=)p(R
k3
i
Hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ:
=
R
R
=K=)p(R
1
2
p

126,97
Chọn R = K; R
2
= ; R
3
= ; C = àF. Để tạo mạch lọc F, ta nối thêm tụ C
k
= 5àF
song song với điện trở R
3
.
u
đk
Bộ điều chỉnh dòng điện PI
u
iđ
u
i
u

đ
R
R
R
2
C
C
K
R
R

R
3
Bộ điều chỉnh tốc độ P
u

Hình 10.1 Cấu trúc các bộ điều chỉnh R và Ri
1.21. Sensor dòng điện
Yêu cầu đặt ra đối với bộ đo dòng điện một chiều và điện áp một chiều, ngoài việc
đảm bảo về độ chính xác, còn phải đảm bảo cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển.
Ta sử dụng phơng pháp biến điệu để truyền tín hiệu một chiều từ sơ cấp sang thứ cấp có
cách ly bằng phần tử quang điện. Trên hình 10.2 là sơ đồ đo cách ly các đại lợng một
34
Thiết kế mạch điều khiển
chiều dùng phần tử bán dẫn quang điện. Nó gồm mạch dao động xung tam giác đối
xứng, mạch so sánh, mạch truyền xung và mạch tích phân.
35
Thiết kế mạch điều khiển
1.22. Sensor tốc độ
Sử dụng máy phát tốc một chiều T7/220 tốc độ định mức 3000vòng/phút và công
suất P = 23,2 W. Chọn R = 10K; C = 10àF

FT
Đ
R
C
R
t
u

Hình 10.3 Mạch đo tốc độ bằng máy phát tốc một chiều.

1.23. Mạch hạn chế dòng
Mạch hạn chế dòng dùng để hạn chế lợng đặt dòng điện và hạn chế tín hiệu điều khiển
U
dk
không vợt quá đỉnh của điện áp so sánh với U
dk
tức là không lớn hơn 10V.
Hình 10.4 Mạch hạn chế và đặc tính khâu hạn chế
1.24. Khâu so sánh tín hiệu
Khâu so sánh tín hiệu dùng khuếch đại thuật toán OA operation amplifier. ở đây,
ta sẽ so sánh tín hiệu của đại lợng đồng bộ với tín hiệu điện áp nguồn u
s
và tín hiệu của
đại lợng đặt tín hiệu điều khiển u
cm
. Các điện áp u
s
và u
cm
với cực tính ngợc nhau đợc
đặt vào cổng đảo của OA.
R
o
u
s
R
s
R
cm
u

cm
u
r
Hình 10.5 Mạch so sánh hai tín hiệu
1.25. Khâu tạo điện áp đồng bộ
Để điều chỉnh 6 thyristor mở với góc , thờng cần đến một hệ điện áp 6 pha làm điện
áp đồng bộ. Góc đợc tính từ giao điểm của các điện áp nguồn. Vì vậy, hệ điện áp đồng
bộ phải vợt trớc hệ điện áp nguồn nuôi một góc /3. Yêu cầu này sẽ đợc thoả mãn một
cách dễ dàng nếu sử dụng một máy biến áp ba pha. Sơ cấp có ba cuộn dây đấu Y lấy điện
từ thứ cấp máy biến áp công suất. Điểm trung tính, ký hiệu là 0, đợc nối với điểm 0 của
mạch điều khiển.
36
1
U
V12U
n
=+
K10
K1
K10
V10U
max
=
2
U
U
2
U
1
10V

10V
Thiết kế mạch điều khiển
a2
U
b2
U
c2
U
2s
U
4s
U
6s
U
5s
U
1s
U
3s
U
b2
U
a2
U
6s
U
1s
U
4s
U

3s
U
2s
U
c2
U
5s
U
Hình 10.6 Tạo điện áp đồng bộ cho chỉnh lu cầu ba pha.
1.26. Khâu tạo điện áp nguồn cung cấp
Nguồn điện áp một chiều dùng trong mạch tạo xung điều khiển thờng là nguồn điện
áp ổn định trớc những dao động bất thờng của lới điện xoay chiều. Vì vậy, phải sử dụng
mạch ổn áp.
LM7 8L12
1 2
3
330
à
25V
330
à
10
à
LM78L12
1
2 3
330
à
25V
330

à
10
à
Hình 10.7 Nguồn điện áp một chiều dùng vi mạch LM78L12.
37
Thiết kế mạch điều khiển
1.27. Mạch dao động
Sử dụng vi mạch TIMER 555 do hãng Signetics chế tạo làm mạch phát xung chủ đạo
với tần số xung ra 1kHz.
TIMER
555
3
1
2
4
6
7
8
C
R
2
R
1
+V
cc
Hình 10.8 Mạch dao động sử dụng vi mạch TIMER 555.
1.28. Khâu khuếch đại xung và biến áp xung
Các xung điều khiển đợc băm nhỏ thành các chùm xung để đảm bảo mở các thyristor
một cách chắc chắn và đợc khuếch đại tới công suất đủ lớn. Việc tạo chùm xung đợc thực
hiện bằng cách đa xung điều khiển và xung dao động từ bộ dao động tới hai đầu vào của

một mạch AND (trong trờng hợp này ta sử dụng vi mạch LS7400). Các xung chùm có đ-
ợc ở lối ra cổng AND sẽ đợc khuếch đại gồm hai transistor đấu theo sơ đồ Darlington
nhằm nâng cao hệ số khuếch đại dòng. Cuối cùng các xung điều khiển đợc đa tới biến áp
xung để tới cực điều khiển của thyristor.
T
1
T
2
R
R
D
1
R
R
D
2
D
3
Th
+V
cc
&
Hình 10.8 Sơ đồ khuếch đại xung và biến áp xung.
38