Nghiên cứu khái quát về công nghệ tiện. Đi sâu thiết kế bộ điều khiển tự động điều chỉnh tốc độ truyền động trục chính dùng BBĐT – Đ

LỜI MỞ ĐẦU
Sự bùng nổ của ngành công nghiệp cơ khí và điện tự động hóa đã đạt
những thành tựu to lớn, đem lại rất nhiều lợi ích trong cơng việc cũng như nhiều
thiết bị ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Mặc dù các máy
gia công kỹ thuật số đang là xu hướng mới của thị trường nhưng đây là những
thiết bị đắt tiền và phức tạp. Do đó các máy gia cơng kim loại như máy tiện,
máy mài, máy bào giường, máy rèn rập… vẫn là các thiết bị chủ yếu trong việc
chế tạo cơ khí. Nên việc nghiêm cứu, tìm hiểu cải tiến nó là một trong những
vấn để rất được quan tâm hiện nay.
Môn học Trang Bị Điện là mơn học có thể giúp em thực hiện các công
việc này. Được giao đề tài về máy tiện là loại máy phổ biến nhất trong công
nghệ gia công kim loại. Với yêu cầu là phân tích các phương pháp điều khiển
truyền động ăn dao và thiết kế bộ điều khiển truyền động trục chính tự động
cho máy tiện hệ T- Đ. Qua thời gian học tập nghiên cứu và chỉ bảo tận tình của
thấy Hồng Xn Bình em đã hồn thành đồ án này.
Mặc dù đồ án đã hoàn thành đạt kết quả nhất định nhưng do thời gian có
hạn, kiến thức cịn hạn chế nên đồ án khơng tránh khỏi sai sót. Em mong được
sự góp ý ủng hộ của các thầy cơ và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn !

1


CHƯƠNG1:TỔNG QUAN VỀ MÁY TIỆN

1.1.

ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ

1.1.1. Chức năng và cơng dụng của máy tiện
Máy tiện thuộc nhóm máy cắt gọt kim loại. Tiện là một phương pháp gia

công chi tiết, trên máy có thể thực hiện được nhiều cơng nghệ tiện khác nhau.
Như tiện trụ ngồi, tiện trụ trong, tiện mặt đầu, tiện cơn, tiện định hình. Trên
máy tiện cũng có thể thực hiện doa, khoan và tiện ren, bằng các dao cắt, doa, ta
rơ ren. Kích thước gia cơng trên máy tiện có thể từ vài mili một đến hàng trục
một.

Hình

1-1.
Dạng bên ngồi của máy tiện
Dạng bên ngồi của máy tiện như ở hình H1.1. Trên thân máy 1 đặt ụ

trước 2, trong đó có trục chính quay chi tiết. Trên gờ trượt đặt bàn dao 3 và 4.
Bàn dao thực hiện sự di chuyển dao cắt dọc và ngang so với chi tiết. Ở ụ sau đặt
mũi chống tâm dùng để giữ chặt chi tiết dài trong q trình gia cơng,hoặc để gá
mũi khoan,mũi doa khi khoan,doa chi tiết. Ở máy tiện,chuyển động quay chi tiết
với tốc độ góc ω ct là chuyển động chính, chuyển động di chuyển của dao 2 là
chuyển động ăn dao. Chuyển động ăn dao có thể là ăn dao dọc, nếu dao di
chuyển dọc theo chi tiết (tiện dọc) hoặc ăn dao ngang, nếu dao di chuyển ngang
2


(hướng kính) chi tiết (tiện ngang). Chuyển động phụ gồm có xiết nới xà, di
chuyển nhanh của dao, bơm nước, hút phoi …
1.1.2.Phân loại máy tiện
Nhóm máy tiện rất đa dạng, gồm các máy tiện đơn giản, Rơvonve, máy
tiện vạn năng, chuyên dùng, máy tiện cụt,máy tiện đứng… Trên máy tiện có thể
thực hiện nhiều cơng nghệ tiện khác nhau tiện trụ ngồi, tiện trụ trong, tiện mặt
đầu, tiện cơn, tiện định hình. Trên máy tiện cũng có thể thực hiện doa, khoan và
tiện ren,bằng các giao cắt, dao doa, taro ren… Kích thước gia cơng trên máy tiện

có thể cỡ hàng milimét đến hàng chục mét (trên máy tiện đứng).
Chuyển động chính của máy tiện làm việc ở chế độ dài hạn, đó là truyền
động quay mâm cặp kẹp phơi, vì vậy trong mọi chuyển động có thể coi phơi
ln chuyển động quay cịn dao cắt đứng n.
Chuyển động ăn dao của máy tiện là chuyển động tịnh tiến liên tục của
bàn dao theo hai chiều trục X và trục Z. Trục Z trùng với trục chính cịn trục X
vng góc với trục chính. Các chuyển động phụ gồm chuyển động phanh cầu
dao và ụ sau, kéo phôi, bơm nước, bơm dầu, nâng hạ…
Máy tiện có nhiều loại khác nhau với kích cỡ, cơng dụng và mức độ
chun mơn hóa khác nhau.
- Phân loại theo chuyển động:
+ Tiện đứng: Phôi chuyển động quay theo phương đứng.
+ Tiện ngang: Phôi chuyển động quay theo phương nằm ngang.
- Phân loại theo mức dộ trang bị điện.
+ Loại đơn giản: Thường dùng động cơ KĐB khơng có điều chỉnh tốc độ
về điện.
+ Loại trung bình thường dùng động cơ KĐB điều chỉnh tốc độ bằng cách
thay đổi số đôi cực, hoặc dựng động cơ một chiều nhưng là hệ thống hở.
+ Loại phức tạp: Dựng động cơ một chiều kích từ độc lập điều khiển theo
hệ kín hoặc có thể điều khiển theo chương trình số CNC. Đây là loại máy tiện có
độ chính xác rất cao.
- Phân loại theo trọng lượng máy:
3


+ loại nhỏ: Trọng lượng của máy nhỏ hơn 10 tấn.
+ loại trung bình: Trọng lượng của máy từ 10 - 100 tấn.
+ loại lớn: Trọng lượng của máy lớn hơn 100 tấn.
Một số máy tiện tiêu biểu hiện nay trên thị trường như sau:

Hình 1-2. Máy tiện Việt chuẩn.

Hình 1-3. Máy tiện với m 1234410458.
4


Hình 1-4. Máy tiện với m 1239953967

Hình 1-5. Máy tiện DSC01180

Hình 1-6. Máy tiện (Kit- 11211171877).
5


1.1.3.Các chuyển động cơ bản của máy tiện
a. Chuyển động chính
Chuyển động chính trong máy tiện chuyển động quay mâm cặp phơi (trục
chính) chuyển động này được thực hiện nhờ động cơ điện một chiều kích thích
độc lập, thay đổi tốc độ bằng bộ biến đổi điều chỉnh điện áp phần ứng, và qua
hộp số bánh răng ăn khớp nối với trục chính. Do vậy tốc độ của trục chính thay
đổi trong phạm vi rộng qua hộp bánh răng chuyển đổi tốc độ có tỷ số truyền i.
Động cơ chính được hãm ngược sau khi ấn nút dừng hoặc sau khi ấn nút thử
máy.
b.Chuyển động ăn dao
Bao gồm các chuyển động:
- Chuyển động ăn dao dọc là bàn dao di chuyển tịnh tiến theo chiều dọc trục của
dao, (trục Z) cùng chiều trục chính. Bằng động cơ Servo và bộ truyền dẫn
Drives vịng kín.
- Chuyển động ăn dao ngang là di chuyển tịnh tiến bàn dao theo trục vng góc
với bàn ăn dao và trục chính (trục X). Bằng động cơ Servo và bộ truyền dẫn

Drives vịng kín.
c.Các chuyển động phụ
- Gồm chuyển động lên, xuống di chuyển nhanh, ụ dao, bơm dầu, cơ cấu kẹp lới
dao, kẹp phôi ... được thực hiện nhờ động cơ KĐB rơto lồng sóc và cơ cấu thủy
lực.
1.2.CÁC YÊU CẦU TRANG BỊ ĐIỆN CHO TRUYỀN ĐỘNG TRỤC
CHÍNH
Trong máy tiện CNC truyền động trục chính là truyền động phức tạp nhất,
nó địi hỏi hệ thống trang bị điện có mức độ tự động hố cao. ở truyền động này
dựng 01 động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Dựng BBĐ DC DRIVES điều
khiển động cơ bằng mạch vịng kín. truyền động này có các yêu cầu về chỉ tiêu
chất lượng như sau:

6


1.2.1. Phạm vi điều chỉnh tốc độ
Truyền động trục chính của máy tiện có yêu cầu phạm vi tốc độ rộng, dải
điều chỉnh được đặc trưng bởi hệ số:
D=

nmax 1500
=
= 30
nmin
50

1.2.2. Độ trơn khi điều chỉnh
Vì máy làm việc ở nhiều chế độ gia cơng khác nhau như tiện có đường
kính lớn thì cần tốc độ nhỏ, cịn khi tiện có đường kính nhỏ u cầu độ bóng cao

thì cần tốc độ lớn . Để đảm bảo chất lượng gia cơng bề mặt có độ bóng từ ∇6 ∇9 thì tốc độ phải được điều chỉnh vụ cấp.

ϕ=

n i +1
=1
ni

1.2.3. Độ ổn định tốc độ khi làm việc
Để đảm bảo duy trì ổn định tốc độ đạt mức chính xác cao ngay cả khi tốc
độ truyền động chính thay đổi . Khi phụ tải biến đổi từ 0 ÷ Mmax thì yêu cầu độ
sụt tốc độ là:
∆n

noi − n dmi
≤ (5 ÷ 15)
noi

1.2.4. Yêu cầu tự động hạn chế phụ tải
Trong quá trình làm việc thường xảy ra quá tải tĩnh và quá tải động:
- Quá tải tĩnh: Do vật liệu không đồng nhất, khi dao cắt đi vào vùng chai cứng
hoặc khi nhiệt độ tăng quá làm cho công suất cắt tăng dẫn tới quá tải.
- Quá tải động: Đó là các q trình khởi động ,hãm , đảo chiều. Để rút ngắn thời
gian quá tải động thì cần phải rút ngắn quá trình này.
1.2.5. Yêu cầu hãm dừng chính xác
Việc dừng máy chính xác là một yêu cầu rất qua trọng. Bởi vì khi dừng chính
xác thì đảm bảo chất lượng sản phẩm, tăng năng suất của máy, an toàn cho thiết
bị và người vận hành.
Các biện pháp nâng cao chất lượng quá trình hãm (giảm thời gian hãm)
- Sử dụng những thiết bị khống chế.

7


- Tăng gia tốc của hệ thống.
- Sử dụng những vật liệu nhẹ để giảm thành phần mô men quán tính.
- Tăng lực cản bằng cơ khí.
- Hãm bằng điện, sử dụng một trong ba phương pháp: Hãm ngược, Hãm động
năng, Hãm tái sinh.
- Giảm tốc độ bằng cách giảm điện áp đặt vào phần ứng động cơ.
- Đặc điểm cơng nghệ của truyền động chính máy tiện là có đảo chiều.
1.2.6. Yêu cầu về kinh tế
- Hệ thống thiết kế ra phải đảm bảo có kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, thuận thiện
cho vận hành và sửa chữa.
- Vốn đầu tư mua sắm thiết bị, chi phí vận hành phải hợp lý.
- Giá thành hệ thống, trong khi phải thoả mãn các yêu cầu về kỹ thuật.

CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHÍNH MÁY TIỆN
CNC HITACHI - SEIKI - 4NE – 600
2.1.THAM SỐ VẬN HÀNH MÁY
- Đường kính tiện lớn nhất tiện được: Φ D = 520 (mm)
- Chiều dài gia công lớn nhất:
L = 480 (mm)
- Khoảng cách chống tâm :
500 (mm)
- Độ dịch chuyển dọc của bàn máy trục Z:
450 (mm)
- Độ dịch chuyển ngang của bàn máy trục X:
250 (mm)
- Đường kính lỗ trục chính: Φ 60 (mm)
- Độ dịch chuyển hướng tâm của mâm cặp: 120 (mm)

- Tốc độ quay của trục chính:
10 - 3000 (vòng/phút)
8


- Tỷ số truyền i:
- Số đầu dao:
8
- Công suất động cơ trục chính:
11 (kW)
- Cơng suất động cơ trục X:
3,7 (kW)
- Công suất động cơ trục Z:
7,5 (kW)
- Công suất động cơ làm mát:
1,5 (kW)
- Phần mềm điều khiển: SINUMERIK 802C - 3 – SIEMNS
- Kích thước máy:
2500 x 1000 x 1200 (mm)
- Trọng lượng của máy: 4000 (Kg)
- Động cơ truyền động chính là động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Do Nhật
Bản sản xuất có thông số sau:
Công suất định mức: Pđm =11 (kW)
Điện áp phần ứng: Uđm = 220 (V)
Dòng điện phần ứng: Iđm = 64 (A)
Tốc độ định mức: nđm = 1150 (v/p)
Điện áp kích từ: UKTđm = 160 (V)
Dịng điện kích từ: Iktđm = 3,2 (A)
Điện trở cuộn dây kích từ: Rkt = 44 (Ω)
Điện trở phần ứng: Rư = 0,833 (Ω)

- Động cơ truyền động ăn dao là động cơ bước Servo.
DC MOTOR Trục X
- Công suất định mức:
- Điện áp định mức:
- Dòng điện định mức:
- Tốc độ định mức của động cơ:

Pđm = 3,7 (kW)
Uđm = 158 (V)
Iđm = 16 (A)
nđm = 1500 (vịng/phút)

DC MOTOR Trục Z
- Cơng suất định mức:
- Điện áp định mức:
- Dòng điện định mức:
- Tốc độ định mức của động cơ:

Pđm = 7,5 (kW)
Uđm = 195 (V)
Iđm = 19,4 (A)
nđm = 1500 (vòng/phút)

2.1.1. Các cơng thức được dùng trong q trình tính tốn
- Vận tốc cắt: V =

π .D.S
1000

(m/phút)

Trong đó: V: Vận tốc cắt (m/phút)
D: Đường kính phơi – đối với tiện ( của dao cắt – đối với phay) (mm)
9


S: Tốc độ quay của trục chính (vịng/phút)
- Số vịng quay của trục chính: S =

1000.V
(vịng/phút)
π .D

- Chọn vận tốc cắt V: V ≤ Vmax ,với Vmax là tốc độ cắt tối đa của dao.
+ Đối với dao thép gió: Vmax = 18 ÷ 22 m/phút
+ Đối với dao bằng thét hợp kim cứng: V max = 120 ÷ 150 m/phút (hiện nay máy
đang dùng)
+ Đối với dao được chế tạo đặc biệt (lưỡi cắt bằng gốm, kim cương, …): V max =
18 ÷ 22 m/phút
2.1.2. Giới thiệu về phần mềm lập trình SINUMERIK 802S của SIEMENS
- Ngơn ngữ lập trình theo ISO (G Code)
- Quy ước xác định hệ trục tọa độ trên máy tiện, trên máy tiện chỉ cần điều khiển
trục X và trục Z. Được xác định bằng quy tắc bàn tay phải.
- Giơ bàn tay phải sao cho ngón giữa hướng lên trên chỉ chiều trục Z, ngón cái
chỗi ra chỉ chiều trục X, chiều ngón chỏ chỉ chiều trục Y.
2.1.3. Quy trình thao tác tiện thân trên máy CNC HITACHI – SEIKI –
4NE– 600
- Bắt đầu:

Bật máy – cấp điện cho hệ thống

Chạy điểm chuẩn cho máy

Gá phơi vào mâm cặp

Chạy chương trình thực hiện gia công

10


2.2.ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG CHÍNH
Như đã tìm hiểu ở trên động cơ truyền động cho trục chính ở máy tiện này
là động cơ một chiều kích từ độc lập, có thay đổi tốc độ và có đảo chiều quay.
Từ đồ thị đặc tính của phụ tải

Hình 2.1 : Đồ thị phụ tải và truyền động ăn dao.
Từ đồ thị ta thấy tốc độ động cơ được chia làm ba giai đoạn giai đoạn đầu
( giai đoạn vào dao) tốc độ động cơ lúc này được tăng dần từ 0 đến tốc độ vào
dao, để tránh mẻ dao và làm hỏng chi tiết. Giai đoạn hai ( giai đoạn tiện chi tiết)
lúc này tốc độ động cơ được duy trì ổn định .Giai đoạn ba( giai đoạn ra dao) tốc
độ động cơ lúc này giảm xuống đến tốc độ ra dao v2 cũng để tránh mẻ chi tiết.
Động cơ của máy tiện ta đang tìm hiểu là động cơ điện một chiều kích từ
độc lập và thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. Sau
đây ta tìm hiểu qua về một số loại động cơ một chiều và các phương pháp thay
đổi tốc độ động cơ cũng như ưu nhược điểm của từng phương pháp.
2.2.1. Giới thiệu một số loại động cơ điện một chiều
a) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc song song
Phương trình đặc tính cơ: Biểu thị quan hệ giữa tốc độ (n) và moomen (M)
ω=

U u Ru + R f
−
.M
K Φ ( KΦ ) 2

11


Với những điều kiện U = const, I t= const thì từ thơng của động cơ hầu như
khơng đổi. Vì vậy quan hệ trên là tuyến tính và đường đặc tính cơ của động cơ
là đường thẳng.
Do Rư rất nhỏ, nên khi tải thay đổi từ thơng

ω

đến định mức thì tốc độ giảm rất ít cho nên

ω0

đặc tính cơ của động cơ của động cơ kích từ
song song rất cứng. Với đặc điểm như vậy,
động cơ điện kích từ song song được dùng
M
Mđ

trong những trường hợp tốc độ hầu như không
thay đổi khi tải thay đổi .

m

b) Động cơ điện kích từ nối tiếp

Ở động cơ điện kích từ nối tiếp, dịng kích từ chính là dịng điện phần ứng I =I ư
= I . Vậy trong phạm vi khá rộng có thể biểu thị :Φ=KΦ.I
Trong đó hệ số tỷ lệ KΦ chỉ là hằng số trong vùng I<0,8Iđm thì hơi giảm xuống
do hiện tượng bão hòa từ. Như vậy, biểu thức đặc tính cơ có dạng: M=CM.Φ.I=CM.

C M .U
Ru
Φ2
⇒ n=
−
KΦ
Ce. K Φ .M C e .K Φ

nếu bỏ qua Rư thì : n =

U

2

hay: M= U 2 .
M
n

Như vậy khi mạch từ chưa bão hịa, đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
kích từ nối tiếp có dạng là đường hypebol bậc hai.
Ta thấy, ở động cơ một chiều kích từ nối tiếp, tốc độ quay n giảm rất nhanh khi
mômen M tăng. Và khi mất tải ( M=0, I=0) thì n có trị số rất lớn. Vì vậy thường
chỉ cho phép động cơ làm việc với tải tối thiểu P 2 = ( 0,2 ÷ 0,25)Pđm. Từ dạng

đặc tính cơ ta cũng có nhận xét là đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiêp rất
mềm ⇒ Động cơ kích từ nối tiếp ưu việt hơn trong những nơi cần mở máy nặng
nề và cần tốc độ thay đổi trong phạm vi rộng
ω
*

12
M*
Mđ


m

c) Động cơ điện kích từ hỗn hợp :
Loại này được chế tạo gồm hai cuộn dây nối tiếp và song song. Tác dụng của
cuộn dây kích thích song song và nối tiếp bù nhau hoặc ngược nhau. Trên thực
tế người ta chỉ sử dụng loại kích thích hỗn hợp bù vì động cơ khơng đảm bảo
được điều kiện làm việc ổn định.
2.2.2. Các Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
ω =

U u,

−

K .φ

Ru , + R f
K .φ

. Iư

(*)

Đây là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều .kích từ độc
lập .
Mặt khác ta có mơmen điện từ của động cơ ở chế độ xác lập được xác định theo
biểu thức : Mdt = K.Φ.Iư ;
Suy ra Iư =
ω =

U u,
K .φ

−

M dt
K .φ

Ru , + R f
( K .φ ) 2

, thay Iư vào (*) ta có
.Mdt ;

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất ma sát trong ổ trục thì ta có thể coi mơmen cơ
trên trục động cơ bằng mômen điện từ và ký hiệu là M : Mdt = Mco = M ;
Suy ra : ω =

U u,
K .φ

−

Ru , + R f
( K .φ ) 2

.M ;

Từ phương trình trên ta thấy để thay đổi tục độ động cơ một chiều ta có các
phương pháp sau:
a) Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf .
Giả thiết Uư = Udm = const và Φ = Φdm = const
Ta có phương trình đặc tính cơ tổng qt :
ω =

U u,

K .φ

−

Ru , + Ru ' f
( K .φ ) 2

.M hay ω = ω0 - ∆ω ;
13

Tốc độ không tải lý tưởng : ω0 =
Độ cứng đặc tính cơ: β =

∆M
∆ω

U u,
K .φ

= –

= const ;

( K .φdm ) 2
Ru , + R f

;

(*)

Muốn thay đổi tốc độ động cơ thì ta thay điện trở phần ứng bằng cách mắt
thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng của động cơ . Khi thay đổi điện trở phụ R f
thì tốc độ khơng tải lý tưởng ω0 = cont , còn ∆ω sẽ thay đổi theo R f như vậy lúc
này các đường đặc tính cơ sẽ thay đổi nhưng vẫn đi qua điểm cố định là ω 0 . Từ
(*) ta thấy khi điện trở phụ R f = 0 thì β có giá trị lớn nhất ứng với đường đặc
tính cơ tự nhiên , cịn khi Rf càng lớn thì β càng nhỏ và tốc độ cũng giảm ứng
với một phụ tải nhất định . Như vậy khi thay đổi điện trở phụ của động cơ ta sẽ
được một họ đặc tính cơ có dạng như hình 2.2.
Ta có : 0 < R f1 < Rf2 < Rf3 < ….. thì ωdm > ω1 > ω2 > ω3 > ….nhưng nếu ta tăng
Rf đến một giá trị nào đó thì sẽ làm cho M ≤ M c dẫn đến động cơ sẽ quay không

được và động cơ sẽ làm việc ở chế độ ngắn mạch ω = 0 , đến bây giờ ta có thay
đổi Rf thì động cơ vẫn khơng khơng quay nữa . Do đó phương pháp này gọi là
phương pháp điều chỉnh tốc độ không triệt để . bằng cách thay đổi điện trở phụ
phần ứng .
Vậy ứng vói một phụ tải Mc nào đó nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ
càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch Inm và mômen ngắn mạch Mnm càng
giảm , cho nên người ta thường dùng phương pháp này để hạn chế dòng điện
khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản.
ω
ω0

TN
Rf1
Rf2
Rf3

0
Mc

Mnm

M
14


Hình 2.2 : Đặc tình điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
b) Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi kích từ của động cơ .
Giả thiết điện áp phần ứng :

Uư = Udm = const ;

Từ phương trình đặc tính cơ tổng qt : ω =

U u,

K .φ

−

Ru '∑
.M
( K .φ ) 2

;

→ ω = ω0 - ∆ω ;
Trong trường hợp này tốc độ không tải : ω0x =
Độ cứng đặc tính cơ : β = –

( K .φx ) 2
Ru ,

U u,
K .φ

;

;Ta thấy rằng thay đổi từ thơng Φ thì ω 0 và

∆ω đều thay đổi theo , dẩn đến ω thay đổi theo . Vì vậy ta sẽ được họ các đường

đặc tính điều chỉnh dốc dần (Do độ cứng đặc tính cơ β giảm ) và cao hơn đặc
tính cơ tự nhiên khi Φ càng nhỏ ,với tải như nhau thì tốc độ càng khi giảm tư
thơng Φ .
ω
ω02

Φ2

ω01
ω0dm
m

ω1
ωdm

ω2

Mc

Φ1
Φdm

Mn1

Mn2

M

Hình 2.3: Đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông Φ .
Như vậy ứng với Φdm > Φ1 > Φ2>…….thì ωdm < ω1 < ω2 <……, nhưng nếu

giảm Φ q nhỏ thì ta có thể làm cho tốc độ động cơ quá lớn quá giới hạn cho
phép , hoạt làm cho điều kiện chuyển mạch bị xấu đi , do dòng phần ứng tăng
cao , hoặt để đảm bảo chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dịng phần
ứng và như vậy sẽ làm cho momen cho phép trên trục động cơ giảm nhanh , dẩn
đến động cơ bị quá tải.
15


c) Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của
động cơ .
Giả thiết từ thông Φ = Φ dm = const , khi ta thay đổi điện áp phần ứng theo hướng
giảm so với Udm .
Từ phương trình đặc tính cơ tổng qt :ω =

U u,

K .φ

−

Ru ,

( K .φ ) 2

.M

→ ω = ω0 - ∆ω ;
Ta có :Tốc độ khơng tải : ω0x =
Độ cứng đặc tính cơ : β =

Ux
K .φdm

( K .φdm ) 2
Ru ,

;

= const;

Ta thấy rằng khi thay đổi Uư thì ω0 thay đổi cịn ∆ω = const , vì vậy ta sẽ được
họ các đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau . Nhưng muốn thay đổi U ư
thì phải có bộ nguồn một chiều thay đổi đươc điện áp ra , thường là dựng các bộ
biến đổi .
Các bộ biến đổi có thể là :
+ Bộ biến đổi máy điện : Dựng máy phát điện một chiều ( F ) , máy điện khếch
đại ( MĐKĐ ) .
+ Bộ biến đổi từ : Khếch đại từ ( KĐT ) một pha , ba pha .
+ Bộ biến đổi điện từ - bán dẩn :Các bộ chỉnh lưu ( CL ) , các bộ băm điện áp
( BĐA ) , dựng transistor và thuyistor .
Ta thấy rằng , khi thay đổi điện áp phần ứng ( giảm áp ) thì mơmen ngắn mạch
Mnm , và dịng điện ngắn mạch Inm của động cơ giảm và tốc độ cũng giảm ứng
với một phụ tải nhất định . Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều
chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động .

16


ω
ω0

ω01

Udm

ω02

U1

ω03

U2
U3

0

M

Mc

Hình 2. 4. Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMdl bằng cách thay đổi Uư .
2.3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG TRỤC CHÍNH
2.3.1. Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi
a. Phân tích và lựa chọn mạch lực
C
B

A

Do cơng suất của động cơ truyền động trục chính có cơng suất lớn, và làm việc

ở chế độ đảo chiều. Có thay đổi tốc độ trong q trình làm việc lên ta có phương
BAL
án mạch lực cho động cơ truyền động chính như sau:
u2c u2
u2a
b

T

T

4

1

6

3

2

5

T

T
T
L
G

c

L

T

T1’

T4’

T3
T5

’

Lc

F

’

’

c

T6

’

L

c

T2

L

←
M
+

Ikt

Ckt

-

17


Hình 2. 5 :Sơ đồ chỉnh lưu có đảo chiều truyền động chính
b. Tính chọn mạch động lực
 Tính chọn máy biến áp
Do động cơ có cơng suất lớn 11kw ( theo cung cấp điện : phụ tải có cơng suất
5kw trở lên nguồn điện cung cấp phải là nguồn 3 pha, tránh gây lệch lưới điện).
Nên máy biến áp cấp cho động cơ là máy biến áp 3 pha.
+ Điện áp sơ cấp : U1 = 380(v)
+ Điện áp thứ cấp: U2 = 220(v)
- Điện áp chỉnh lưu không tải.
Udo = Uđm + ΔUv + ΔUba + ΔULk

Trong đó : ΔUv là sụt áp trên các van.
ΔUv là điện áp phụ tải yêu cầu.
ΔUba = ΔU1 + ΔU2 sụt áp bên trong máy biến áp khi có tải bao gồm sụt ps trên
điện trở ΔUr và điện áp trên điện cảm ΔULk .
Đây là máy biến áp cỡ nhỏ sụt áp máy biến áp :
Sụt áp trên điện trở ΔUr = 5%d
Sụt áp trên điện kháng ΔULk = 5%d
Điện áp sụt áp trên hai tiristo mắc nối tiếp ( trên mỗi van là 1,5v) => trên hai van
là 2 x 1,5 = 3 v. Như vậy ta có :
Ud0 = Uđm.1,05 + 22 + 3 = 220.1,05 + 22 +3 = 256(v)
Công suất tối đa của tải :Pd = Ud0 .Id = 256.64 = 16384(w)
- Tính tốn các thơng số điện áp, dòng điện của các cuộn dây.
+ Điện áp của các cuộn dây.
Điện áp của cuộn dây thứ cấp máy biến áp.
U2 =

πU d0 3,14.256
=
= 109,5 (V)
3 6
3 6

18


Điện áp của cuộn dây sơ cấp. Vì điện áp cuộn dây sơ cấp bằng điện áp nguồn →
U1 = 380(v)
Tỷ số máy biến áp. n =

U 2 109,5

=
= 0,288
U1
380

Dòng điện các cuộn dây.
- Giá trị hiệu dụng của dòng thứ cấp máy biến áp.
I2 =

2
Id = 0,816.Id= 0,816 . 64 = 52,04 (A)
3

- Giá trị hiệu dụng của dòng sơ cấp máy biến áp.
I1 = I2. n = 52 . 0,288 ≈ 15,04 (A)
Cơng suất tính tốn máy biến áp : Sba = Ks .Pd
Trong đó : Ks là hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực ( Ksd = 1,05)
Sba là công suất biểu kiến của máy biến áp (VA).
 Sba = 1,05.16384 = 17203(VA) ≈ 17 (KVA)
 Tính số vịng dây của máy biến áp.
Số vịng dây của dây quấn được tính theo :
W=

U
(vịng), trong đó : W là số vịng dây của cuộn dây, U là điện
4, 44f.Q.B

áp của cuộn dây cần tính, Bτ Từ cảm ( thường chọn 1,0 ÷ 1,8)
Số vịng dây quấn sơ cấp của máy biến áp:
U1

( Ta chọn BT = 1,1 tesla )
4, 44.f.Q.B
U1
380
W1 =
=
= 677 ( vòng)
4, 44.f.Q.B 4,44.50.23.10 −4.1,1

W1 =

Số vòng dây quấn sơ cấp của máy biến áp: W2 =W1 . n =677. 0,288 = 195( vịng)
.Tiết diện dây dẫn : SCu =

I
(mm2)
J

Trong đó : Scu tiết diện của dây đồng, I là dòng điện chạy qua cuộn dây, J là mật
độ dòng điện trong máy biến áp ( chọn 1 ÷ 2,75A/mm 2) . Ở đây ta chọn J =
2,5A/mm2
Tiết diện dây dẫn sơ cấp của máy biến áp.
( mm2)
19


Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp.
( mm2)
Đường kính dây dẫn của cuộn sơ cấp .
(mm)

Đường kính dây dẫn của cuộn sơ cấp .
( mm)
 Tính chọn van

Điện áp ngược đặt lên van: Un = Knv . U2 víi U 2 =

Ud
Ud
, U n = K nv .
Ku
Ku

Trong đó : Ud điện áp tải
Unv điện áp ngược
U2 điện áp xoay chiều của van
Hệ số điện áp ngược ( K nv) và điện áp tải (K u) trong sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha
đối xứng Knv =
Ku =

3 6
= 2,34
π

Thay vào ta có U ng max = 6.

220
= 230,3 ( V )
2,34

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 Ku , ta chọn Ku = 2
Dòng điện chảy qua van.

(A). Để đảm bảo an toàn cho

tiristo làm việc lâu dài chọn hệ số dự trữ về dòng K i = 1,2, Ilv = Ki . It = 1,2 .
21,33 = 25,6 (A)
Như vậy Tiristor cần chọn có yêu cầu như sau. UN = 460,6 (V) ; Ilv = 25,6 (A)
20


Tra bảng chọn được 6 van: loại T10 -80.Dòng điện qua van là: I tb = 80 (A ).Tổn
thất điện áp: ∆U = 2,7 (V ). Giá trị điện áp điều khiển: U g = 4 (V ). Giá trị dịng
điều khiển: Ig = 150 (mA ).
 Tính chọn quận kháng lọc

Với tải một chiều của bộ chỉnh lưu yêu cầu U d0 = 256V biên độ sóng hài cơ bản
U1m khi điều chỉnh góc mở

α = 10o với

chỉnh lưu cầu bap ha đối xứng.

Để giảm điện áp xuống 10 lần từ 220(V) xuống 22(v) thì cos α giảm đi 10 lần.
Với : mđm = 6 cos α = 0,1 được K*đm = 0,34
Kđm (cos α = 0,1 ) = K*đm
Hệ số san bằng . Ksb =

1
0,34

=
= 3, 4
COSα 0,1

kdmv 3, 4
=
= 34 .Điện trở tải Rd =
kdmr 0,1

Giá trị điện cảm lọc : L =

= 3,4 ( Ω )

Rd
26,8
.ksb =
.34 = 0,47.10-3 (H) = 0,47 (mH)
mdm .ω
6.2 ∏ f

Vậy điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc: L = 0,47 (mH)
Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng lọc: Iđm = 64 (A)
Biên độ dòng xoay chiều bậc một: I1đm = 10% Iđm = 6,4 (A)
Do điện cảm cuộn kháng lớn và điện trở nhỏ, do đó có thể coi tổng trở cuộn
kháng xấp xỉ bằng điện kháng. ZL ≈ XL = ω .L = 2Πf . 0,47 = 0,15 (Ω)
Điện áp rơi trên cuộn kháng : ∆ U L = Z L

I1m
= 0,17 (V)
2

Điện trở dây quấn ở nhiệt độ 200C đẩm bảo sụt áp cho phép .
r20 =

∆U / I d
11/ 8, 2
=
= 2,08.10- 4
0
[1 + 4, 26.10 .(Tmt + ∆ T − 20 C )] [1 + 4, 26.10− 3 (60 + 40 − 20)]
−3

r20 .scs
2, 08.10−4.1,94
= 414
Số vòng dây của cuộn cảm. : W = 414
= 2,87 (vòng)
ldq
8,36

Tiết diện dây quấn : S = 0,072

ldq .scs
r20

= 0, 072

8, 36.1, 94
2, 08.10−4

= 20,1 (mm2)

21


2.3.2. Giới thiệu mạch điều khiển
a. Sơ đồ nguyên lý

ĐIỆN ÁP TỰA

ĐP
T

Uc

KĐ XUNG

SS

Hình 2.6 : Sơ đồ khối điều khiển thyristor .
b. Nguyên tắc điều khiển
Trong thực tế người ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển sau : “ Thẳng
đứng tuyến tính và thẳng đứng arccos ” , để thực hiện vị trí xung trong nửa chu
kỳ dương của điện áp đặt trên thyristor .
Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
Theo nguyên tắc này người ta thường dùng hai điện áp :
- Điện áp đồng bộ ( Us ) , đồng bộ với điện áp đặt trên anôt – catôt của thyristor
, thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh .
- Điện áp điều khiển ( U cm ) , là điện áp một chiều , có thể điều chỉnh được biên
độ . Thường đặt vào đầu khơng đảo của khâu so sánh .

Us
Ucm
Us

-Usm
Ucm
ωt

α

π

α

2
π

Hình 2.7 : Ngun tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
Do vậy hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là : Ud = Ucm – Us ;
22


Khi Us = Ucm thì khâu so sánh lật trạng thái , ta nhận được sường xuống của điện
áp đầu ra của khâu so sánh . Sườn xuống này thông qua đa hài một trạng thái
bền ổn định tạo ra xung điều khiển .
Như vậy bằng cách làm biến đổi U cm , ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất
hiện xung ra , tức là điều chỉnh góc α .
Giữa α và Ucm có quan hệ sau : α = π .

U cm

; Người ta lấy Ucmmax = Usmax ;
U s max

Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos
Theo nguyên tắc này người ta dựng hai điện áp :
- Điện áp đồng bộ Us , vượt trước UAK = Um Sinωt của thyristor một góc

π
2

Us = Um Cosωt .
Điện áp điều khiển Ucm là điện áp một chiều , có thể điều chỉnh được biên độ
theo hai chiều dương và âm .
Us
UAK

Us

UAK

Um

π

0
α

Ucm

ωt

2π

Um

Hình 2.8 : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcoss
Nếu đặt Us vào cổng đảo và Ucm vào cổng khơng đảo của khâu so sánh thì :
Khi Us = Ucm , ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi
khâu này lật trạng thái .
Um Cosα = Ucm ;
Do đó α = arcos(

(2-1)

U cm
) ;
Um

Khi Ucm = Um thì α = 0 ; Khi Ucm = 0 thì α =

(2-2)
π
2

; Khi Ucm = - Um thì α = π ;

23


Như vậy , khi điều chỉnh Ucm từ trị Ucm = +Um , đến trị Ucm = -Um ta có thể điều
chỉnh được góc α từ 0 đến α. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arcos” được sử

dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao .
c. Các khâu cơ bản của mạch điều khiển
 Khâu đồng pha
Sơ đồ ở hình 2–9a là sơ đồ đơn giản , dể thực hiện với số linh kiện ít nhưng chất
lượng điện áp tựa không tốt . Độ dài của phần biến thiên tuyến tính của điện áp
tựa khơng phủ hết 1800 . Do đó , góc mở van lớn nhất bị giới hạn . Hay nói cách
khác , nếu theo sơ đồ này điện áp tải không điều khiển được từ 0 tới cực đại mà
từ một trị số khác đến trị số cực đại .
Để khắc phục nhược điểm trên về dãi điều chỉnh của sơ đồ ở hình 2–9a người ta
sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng sơ đồ trên hình 2-9b . Theo sơ đồ này , điện
áp tựa có phần biến thiên tuyến tính phủ hết nửa chu kỳ điện áp . Do vậy khi cần
điều khiển điện áp từ không tới cực đại là hồn tồn có thể đáp ứng được .
Với sự ra đời của các linh kiện ghép quang , ta có thể sử dụng sơ đồ tạo điện áp
tựa bằng bộ ghép quang như hình 2-9c . Nguyên lý và chất lượng của hai sơ đồ
trên hình 2-9b và 2-9c tương đối giống nhau . Ưu điểm của sơ đồ trên hình 2-9c
ở chổ khơng cần biến áp đồng pha , do đó có thể đơn giản hơn trong việc chế tạo
và lắp đặt .
Các sơ đồ trên đều có chung nhược điểm là việc mở , khố các tranzitor trong
vùng điện áp lân cận 0 là thiếu chính xác , làm cho việc nạp , xã tụ trong vùng
điện áp lưới gần 0 không được như ý muốn .
Ngày nay các vi mạch được chế tạo ngày càng nhiều , chất lượng ngày càng
cao , kích thước ngày càng gọn , ứng dụng các vi mạch vào thiết kế mạch đồng
pha có thể cho ta chất lượng điện áp tựa tốt . Trên sơ đồ 2-9d mô tả việc taọ điện
áp tựa dựng khếch đại thuật toán .
Dưới đây ta gới thiệu một số khâu đồng pha cơ bản và ta chọn hình d;

24


Hình 2.9 : Một số khâu đồng pha điển hình .

25