thiết kế hệ truyền động điện máy doa

Đồ án THHĐC THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG ĂN DAO MÁY DOA NGANG
CHƯƠNG I
ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ VÀ TRUYỀN ĐỘNG
I. Giới thiệu công nghệ
Máy cắt kim loại dùng để gia công chi tiết bằng kim loại bằng cách cắt bớt các
lớp kim loại thừa tạo chi tiết có hình dạng đúng yêu cầu. Các máy cắt có thể là
khoan, bào, phay, doa. Máy doa chính là một loại máy dùng để gia công chi tiết
bằng kim loại.
Máy doa dùng để gia công chi tiết với các nguyên công: khoét lỗ trụ, khoan lỗ,
có thể dùng để phay. Thực hiện các nguyên công trên máy doa sẽ đạt được độ
chính xác và độ bóng cao.
Máy doa được chia thành hai loại chính: máy doa đứng và máy doa ngang. Máy
doa ngang dùng để gia công các chi tiết cỡ trung bình và nặng.
Chuyển động chính là chuyển động quay của dao doa (trục chính). Chuyển động
ăn dao có thể là chuyển động ngang, dọc của bàn máy mang chi tiết hay di chuyển
dọc của trục chính mang đầu dao. Chuyển động phụ là chuyển động thẳng đứng
của ụ dao v. v
II. Yêu cầu đối với truyền động điện và trang bị điện máy doa
a) Truyền động chính: Yêu cầu cần phải đảo chiều quay, phạm vi điều chỉnh tốc
độ D = 130/1 với công suất không đổi, độ trơn điều chỉnh φ = 1,26. Hệ thống
truyền động chính cần phải hãm dừng nhanh.
Hiện nay hệ truyền động chính máy doa thường sử dụng động cơ không đồng bộ
rô to lồng sóc và hộp tốc độ (động cơ có một cấp hay nhiều cấp tốc độ). Ở những
máy doa cỡ nặng có thể sử dụng động cơ điện một chiều, điều chỉnh tốc độ trơn
trong phạm vi rộng. Nhờ vậy có thể đơn giản kết cấu cơ khí, mặt khác có thể hạn
chế được mô men ở vùng tốc độ thấp bằng phương pháp điều chỉnh tốc độ hai
vùng.
b) Truyền động ăn dao : Phạm vi điều chỉnh truyền động ăn dao là D = 1500/1.
Lượng ăn dao được điều chỉnh trong phạm vi 2 mm/ph ÷ 600 mm/ph ; khi di
chuyển nhanh có thể đạt tới 2,5 m/ph ÷ 3 m/ph. Lượng ăn dao (mm/ph) ở những
máy cỡ nặng yêu cầu giữ không đổi khi tốc độ trục chính thay đổi.

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
liên động với truyền động chính khi làm việc tự động.
Ở những máy doa cỡ trung bình và nặng, hệ thống truyền động ăn dao sử dụng
hệ thống khuyếch đại máy điện - động cơ điện một chiều hoặc hệ thống T - Đ.
III. Yêu cầu của đề tài
Đồ án yêu cầu thiết kế truyền động ăn dao máy doa ngang với các thông số kỹ
thuật sau:

NGUYỄN CAO CƯỜNG - 1 - TĐH2 - K46
Đồ án THHĐC THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG ĂN DAO MÁY DOA NGANG
• Tốc độ động cơ n
min
: 2 [vòng/phút]
• Tốc độ động cơ n
max
: 3000 [vòng/phút]
• Tốc độ ăn dao v
min
: 10
-4
[m/s]
• Tốc độ ăn dao v
đm
: 0,0785 [m/s]
• Tốc độ ăn dao v
max
: 0,156 [m/s]
• Lực cắt F
z

: 30 [N/m]
• Mômen quán tính cơ cấu J 0,01 [kg/m
2
]
• Hiệu suất η : 0,8
• Bán kính quy đổi về trục động cơ điện ρ = v/ω : 5.10
-4
CHƯƠNG II
CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG
Xây dựng phương án truyền động căn cứ vào yêu cầu công nghệ của đề bài mà
tiến hành chọn công suất động cơ, loại động cơ một chiều hay xoay chiều. Chọn
phương án truyền động, chọn các bộ điều chỉnh tốc độ. Ở đây ta chỉ xét tới phương
án dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha.
I. Khảo sát phương án truyền động
I.1. Hệ điều chỉnh điện áp stato :
Ta có biểu thức mômen của động cơ không đồng bộ:
M =
sX
s
R
R
RU
nm
f
])[(
3
2
,
2
1

,
2
2
1
++
ω

Trong đó : U
f1
- trị số hiệu dụng của điện áp pha stato
R
1
, R
'
2
- điện trở cuộn dây stato và rôto đã quy đổi về stato
X
nm
- điện kháng ngắn mạch
ω - tốc độ góc của động cơ
s - độ trượt của động cơ
M - mômen của động cơ
Từ biểu thức này ta thấy mối quan hệ giữa mômen động cơ, điện áp đặt vào stato
và tốc độ động cơ theo một quan hệ phi tuyến với nhau. Đường đặc tính cơ có dạng
như sau:
NGUYỄN CAO CƯỜNG - 2 - TĐH2 - K46
Đồ án THHĐC THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG ĂN DAO MÁY DOA NGANG

Ở biểu thức mômen động cơ ta thấy rằng ta có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ
bằng cách thay đổi điện áp đặt vào stato và giữ nguyên tần số cấp cho động cơ.

Trên thực tế khi điện áp đặt vào stato bị giảm thì mômen tới hạn sẽ suy giảm
bình phương lần độ suy giảm của điện áp. Trong khi đó tốc độ đồng bộ ω
1
giữ
nguyên và độ trượt tới hạn s
th
không thay đổi. Điều này dẫn đến làm xấu đặc tính
cơ của động cơ. Trường hợp điều chỉnh điện áp theo phương pháp này chỉ thích
hợp với loại tải bơm và quạt gió (mômen cản tỷ lệ bình phương tốc độ).
Để điều chỉnh điện áp ĐKB phải dùng các bộ biến đổi điện áp xoay chiều
(ĐAXC). Nếu coi ĐAXC là nguồn áp lý tưởng ta có:
M
*
u
= u
2*
b
, ω = const, M
*
u
=
gh
u
M
M
trong đó U
đm
- điện áp định mức của động cơ
u
b

- điện áp đầu ra của ĐAXC
M
th
- mômen tới hạn khi điện áp là định mức
M
u
- mômen động cơ ứng với điện áp điều chỉnh
M
gh
- mômen khi điện áp là định mức
Vì giá trị độ trượt tới hạn s
th
của đặc tính cơ tự nhiên là nhỏ nên nói chung không
áp dụng điều chỉnh điện áp cho động cơ rôto lồng sóc. Khi thực hiện điều chỉnh
điện áp cho động cơ rôto dây quấn cần nối thêm điện trở phụ vào mạch rôto để mở
rộng dải điều chỉnh tốc độ và mômen. Tổn thất khi điều chỉnh là:
ΔP
r
= M
c
(ω
1
- ω) = P
cơ
s
s
−1

Nếu đặc tính cơ của phụ tải có dạng gần đúng:
M

c
= M
cđm
(
đm
ω
ω
)
x
= M
cđm
(
1
ω
ω
)
x
thì tổn thất trong mạch rôto khi điều chỉnh điện áp là:
ΔP
r
= M
cđm
(
1
ω
ω
)
x
.ω
1

(1-
1
ω
ω
)
NGUYỄN CAO CƯỜNG - 3 - TĐH2 - K46
n
M
M
th
ω
1
Đồ án THHĐC THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG ĂN DAO MÁY DOA NGANG
Tổn thất là cực đại khi ω = 0
ΔP
rmax
= M
cđm
.ω = P
đm
Phương pháp điều chỉnh điện áp chỉ thích hợp với truyền động mà mômen tải là
hàm tăng theo tốc độ. Có thể dùng máy biến áp tự ngẫu, điện kháng, hoặc bộ biến
đổi, trong đó vì lý do kỹ thuật và kinh tế mà bộ điều áp kiểu van bán dẫn là phổ
biến hơn cả.
Mômen của động cơ không đồng bộ có thể được tính theo dòng điện rô to
M =
s
RI
rr
1

2
3
ω
Nếu giữ dòng điện roto là không đổi: I
r
= const thì mômen và độ trượt có quan
hệ sau:
M.s = const
Vùng điều chỉnh tốc độ và mômen khi điều chỉnh điện áp bị giới hạn bởi các trục
tọa độ và đường cong:
M.s =
1
2
3
ω
rr
RI

độ rộng của vùng này phụ thuộc vào giá trị điện trở phụ R
f
.
I.2. Điều chỉnh điện trở mạch rôto
Đối với động cơ không đồng bộ rôto dây quấn ta có thể điều chỉnh được tốc độ
bằng cách điều chỉnh điện trở phía rôto. Điện trở trong mạch rôto động cơ không
đồng bộ được tính theo công thức sau:
R
f
= R
rd
+ R

f

trong đó R
rd
- điện trở dây quấn rôto
R
f
- điện trở ngoài mắc vào mạch rôto
Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rôto thì mômen tới hạn tỷ lệ bậc nhất với
điện trở. Nếu coi đoạn đặc tính làm việc của động cơ KĐB, tức là đoạn có độ trượt
từ s = 0 đến s = s
th
là thẳng thì khi điều chỉnh điện trở ta có thể viết
s = s
i
rd
r
R
R

, M = const
trong đó s - độ trượt khi điện trở mạch rôto là R
r
s
i
- độ trượt khi điện trở mạch rôto là R
rd

Thay vào biểu thức tính mômen ta được:
M =

i
rdr
s
RI
1
2
3
ω
Nếu giữ dòng điện rôto không đổi thì mômen cũng không đổi và không phụ
thuộc vào tốc độ động cơ. Vì thế mà có thể ứng dụng phương pháp điều chỉnh điện
trở mạch rôto cho truyền động có mômen tải không đổi. Sơ đồ sau trình bày
phương pháp điều chỉnh xung điện trở rôto:
NGUYỄN CAO CƯỜNG - 4 - TĐH2 - K46
Đồ án THHĐC THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG ĂN DAO MÁY DOA NGANG



NGUYỄN CAO CƯỜNG - 5 - TĐH2 - K46
Đồ án THHĐC THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG ĂN DAO MÁY DOA NGANG

Hoạt động của khóa bán dẫn tương tự như trong mạch điều chỉnh xung áp một
chiều. Khi khóa T1 dẫn, điện trở R
o
bị loai khỏi mạch, dòng điện rôto tăng lên, khi
T1 khóa điện trở R
o
được đưa vào mạch, dòng điện rôto giảm. Với tần số đóng ngắt
nhất định, nhờ có điện cảm L mà dòng điện rôto coi như không đổi và ta có một
điện trở R
e

trong mạch. Gọi thời gian van dẫn là t
đ
thì thời gian ngắt t
n
= T - t
đ
, ta có
mối quan hệ giữa R
e
và R
o
:
R
e
= R
o
nđ
đ
tt
t
+

= R
o
ρ
Sau đó điện trở tương đương R
e
trong mạch một chiều được tính đổi về mạch
xoay chiều ba pha ở rôto theo quy tắc bảo toàn công suất. Để mở rộng phạm vi điều
chỉnh mômen có thể mắc nối tiếp với điện trở R

o
một tụ điện dung đủ lớn. Việc xây
dựng các mạch phản hồi điều chỉnh tốc độ và dòng điện rôto được tiến hành tương
tự hệ điều chỉnh điện áp.
I.3. Điều chỉnh công suất trượt
Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ ĐKB bằng cách làm mềm đặc tính và
để nguyên tốc độ không tải lý tưởng thì công suất trượt ΔP
s
= sP
đt
được tiêu tán trên
điện trở mạch rôto. Ở các hệ thống truyền động điện công suất lớn, tổn hao này là
NGUYỄN CAO CƯỜNG - 6 - TĐH2 - K46
Sơ đồ điều chỉnh xung điện trở rôto
T1
R
o
L
R
td
t
ω
M
Đồ án THHĐC THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG ĂN DAO MÁY DOA NGANG
đáng kể. Vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động, vừa tận dụng được
công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ điều chỉnh công suất trượt, gọi tắt là các
sơ đồ nối tầng. Sơ đồ được thể hiện trong hình vẽ sau:
Theo cách tính tổn thất điều chỉnh thì
ΔP
s

= M
c
(ω
1
- ω) = M
c
ω
1
s = P
đt
s
s = ΔP
s
/P
đt
Sức điện động rôto u
r
được chỉnh lưu thành điện áp một chiều qua điện kháng
lọc L cấp vào bộ nghịch lưu phụ thuộc NL. Điện áp xoay chiều của nghịch lưu
(u
A
, u
B
, u
C
) có biên độ và tần số không đổi do được xác định bởi điện áp và tần số
của lưới điện. Nghịch lưu làm việc với góc điều khiển α thay đổi từ 90
o
đến khoảng
140

o
, phần còn lại dành cho góc chuyển mạch μ và góc phục hồi tính chất khóa δ
của các van. Độ lớn dòng điện rôto hoàn toàn phụ thuộc vào mômen tải của động
cơ mà khồn phụ thuộc vào góc điều khiển nghịch lưu. Cụm mạch chỉnh lưu -
nghịch lưu phụ thuộc chỉ làm thay đổi góc pha của dòng điện ở phía xoay chiều của
nghịch lưu khi điều chỉnh góc mở α.
Hệ điều chỉnh tốc độ theo phương pháp này chỉ thích hợp cho động cơ công suất
lớn và ít đảo chiều. Mômen giảm khi tốc độ thấp.
I.4. Điều chỉnh tần số nguồn cấp động cơ
Xuất phát từ biểu thức ω
1
= 2πf
1
/p ta thấy rằng muốn điều chỉnh tốc độ động cơ
không đồng ta có thể điều chỉnh tần số nguồn cấp cho động cơ.
Ta có biểu thức mômen của động cơ :
NGUYỄN CAO CƯỜNG - 7 - TĐH2 - K46
Đồ án THHĐC THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG ĂN DAO MÁY DOA NGANG
M
th
=
nm
Lf
Up
2
1
2
22
8
3

π

- Xét trường hợp khi tăng tần số động cơ f >f
1
thì M
th
giảm với điện áp giữ không
đổi do vậy :
M
th
~
2
1
1
f
- Trường hợp tần số giảm f
1
< f
1đm
nếu giữ nguyên điện áp thì mômen động cơ rất
do dòng điện động cơ sẽ rất lớn (tổng trở của động cơ giảm theo tần số). Do vậy
khi giảm tần số cần phải giảm điện áp theo quy luật nhất định. Thông thường khi
giữ từ thông Φ = const (hoặc gần đúng giữ
1
1
f
U
= const ) thì M
th
được giữ không

đổi. Ở vùng f > f
1
mômen tới hạn M
th
tỷ lệ nghịch với bình phương tần số. Sơ đồ
đặc tính của động cơ khi điều chỉnh tần số:
Đánh giá về phương pháp: Từ đồ thị đặc tính của động cơ không đồng bộ khi
điều chỉnh điện áp tần số ta thấy rằng nếu giữ được luật điều chỉnh tần số điện áp
thì các đặc tính cơ trong vùng nhỏ hơn mômen tới hạn gần giống với đặc tính làm
việc của động cơ điện một chiều. Như vậy việc điều chỉnh tần số kết hợp với điều
chỉnh điện áp stato sẽ đem đạt được các đặc tính mong muốn của động cơ không
đồng bộ.
- Phương pháp này khi điều chỉnh sẽ cho tổn thất là thấp nhất so với các phương
pháp kể trên.
- Vì điều chỉnh tần số phải điều chỉnh cả điện áp nên việc tìm ra quy luật điều
chỉnh và trang thiết bị điều chỉnh, biến đổi công suất phức tạp nên nói chung việc
điều chỉnh bằng tần số đắt hơn các phương pháp khác.
NGUYỄN CAO CƯỜNG - 8 - TĐH2 - K46
Đồ án THHĐC THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG ĂN DAO MÁY DOA NGANG
II. Lựa chọn phương án
Ta lựa chọn phương án truyền động dùng động cơ xoay chiều điều chỉnh tần số.
Phương án này có những ưu điểm như sau:
1. Hiệu suất điều chỉnh, dải điều chỉnh
Phương pháp điều chỉnh tần số có khả năng giữ cho tổn thất công suất là hằng
trong toàn dải điều chỉnh nên tổn thất công suất là bé nhất so với các phương pháp
điều chỉnh khác.
Phương pháp điều chỉnh tần số cho phép động cơ được khởi động với mômen
khởi động lớn. Dùng biến tần có khả năng đảo chiều và hãm tái sinh động cơ. Việc
điều khiển đảo chiều kết hợp với van bán dẫn nên khả năng tự động hóa cao.
2. Tính kinh tế

Phương án truyền động dùng biến tần thực tế là phương pháp truyền động kinh
tế. Mặc dù phương án này có chi phí tương đối đắt nhưng hiệu quả kinh tế do nó
đem lại khi vận hành thì lại mang tính hiệu quả kinh tế rất cao. Nó đơn giản về mặt
kết cấu, vận hành tin cậy nên về lâu dài thì nó đem lại hiệu quả kinh tế hơn các
phương pháp khác.
3. Về lĩnh vực ứng dụng, tính tin cậy trong vận hành
Do khả năng điều chỉnh tần số dẫn đến khả năng thực hiện được mọi đặc tính
cơ mong muốn nên thực tế phương pháp này có khả năng áp dụng cho mọi yêu cầu
truyền động.
Phương án dùng bộ biến tần có nhiều lợi thế bởi lẽ hiện nay động cơ không
đồng bộ được chế tạo với giá rẻ, đồng thời bộ biến tần cũng có giá thành ngày càng
hạ do sự phát triển mạnh mẽ của điện tử công suất và kỹ thuật vi xử lý.
Từ các phân tích trên ta nhận thấy phương án truyền động dùng động cơ không
đồng bộ kết hợp điều chỉnh tần số bằng biến tần là hoàn toàn hợp lý.
III. Chọn sơ đồ biến tần
Các hệ thống truyền động dùng động cơ xoay chiều có yêu cầu cao về điều
chỉnh tốc độ và các đặc tính cơ cần phải kết hợp với biến tần tạo nên các hệ truyền
động dùng động cơ - biến tần. Có những loại biến tần sau:
1. Biến tần trực tiếp
Là loại biến tần có tần số đầu ra luôn nhỏ hơn tần số lưới f
1
. f
s
= (0 ÷ 0,5)f
1
. Đặc
điểm của loại biến tần này là số van bán dẫn lớn nên độ phức tạp trong điều chỉnh
nên ít sử dụng. Thực tế thường dùng cho truyền động công suất lớn.
2. Biến tần gián tiếp nguồn áp
Đặc điểm của loại biến tần này là nguồn cấp cho nó là nguồn áp lấy từ bộ biến

đổi có nội trở nhỏ. Các bộ nghịch lưu áp này thông thường hay dùng các van bán
dẫn là các IGBT mà không sử dụng thysistor do các van IGBT là các van điều
khiển hoàn toàn, thời gian chuyển mạch của các van nhanh. Hiện nay với phương
pháp PWM (điều chế độ rộng xung) đã tạo ra được điện áp ra gần sin hơn đồng thời
NGUYỄN CAO CƯỜNG - 9 - TĐH2 - K46
Đồ án THHĐC THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG ĂN DAO MÁY DOA NGANG
làm giảm tổn hao chuyển mạch. Việc tạo ra điện áp gần sin đã làm cho việc điều
chỉnh trơn tốc độ được dễ dàng hơn. Đây chính là xu hướng có nhiều triển vọng
cho việc chế tạo các bộ biến tần có công suất trung bình và nhỏ.
3. Biến tần gián tiếp nguồn dòng
Nguồn cung cấp trong trường hợp này là nguồn dòng tức là dòng một chiều
vào bộ nghịch lưu không phụ thuộc tổng trở tải. Biến tần nguồn dòng có thể cho
phép thực hiện hãm tái sinh động cơ chỉ với mạch lực đơn giản. Bộ biến tần nguồn
dòng thích hợp với truyền động đảo chiều công suất lớn.
Với ba loại biến tần ta sẽ lựa chọn một trong ba sau khi xác định được công suất
động cơ (phần sau sẽ xác định phần này)
IV. Lựa chọn phương án điều khiển
Trong phương pháp điều chỉnh tần số có điều chỉnh tần số - điện áp hoặc điều
chỉnh tần số - dòng điện
1. Phương pháp điều chỉnh tần số điện áp
a. Luật điều chỉnh tần số - điện áp theo khả năng quá tải
Khi điều chỉnh tần số thì trở kháng, từ thông, dòng điện v.v của động cơ
thay đổi, để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ quá dòng
thì cần phải điều chỉnh cả điện áp. Đối với hệ thống biến tần nguồn áp thường có
yêu cầu giữ cho khả năng quá tải về mômen không đổi trong suốt dải điều chỉnh tốc
độ. Mômen cực đại mà động cơ sinh ra được chính là mômen tới hạn M
th
, khả năng
quá tải về mômen được quy định bằng hệ số quá tải mômen λ
M

.
λ
M
=
M
M
th

Từ đây người ta tìm được công thức:
u
*
s
= f
)2/1*( x
s
+

Trong đó u
*
s
, f
*
s
là các giá trị điện áp, tần số trong hệ đơn vị tương đối.
b. Luật điều chỉnh từ thông
Chế độ định mức là chế độ làm việc tối ưu về tuổi thọ của động cơ KĐB.
Trong chế độ này, từ thông là định mức và mạch từ có công suất tối đa. Luật điều
chỉnh điện áp - tần số là luật gần đúng giữ từ thông không đổi trên toàn dải điều
chỉnh. Tuy nhiên từ thông động cơ, trên mỗi đặc tính, còn phụ thuộc rất nhiều vào
độ trượt s, tức là phụ thuộc mômen tải trên trục động cơ. Vì thế trong các hệ điều

chỉnh yêu cầu chất lượng cao cần tìm cách bù từ thông.
Mối quan hệ giữa dòng điện stato và từ thông rôto:
I
s
=
2
)(1
slr
m
r
T
L
ω
+
Ψ
, trong đó: T
r
= L
r
/R
r
là hằng số thời gian rôto.
Biểu thức này có nghĩa là nếu muốn giữ từ thông không đổi Ψ
r
= Ψ
đm
thì dòng
điện phải được điều chỉnh theo độ trượt.
NGUYỄN CAO CƯỜNG - 10 - TĐH2 - K46
Đồ án THHĐC THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG ĂN DAO MÁY DOA NGANG

2. Luật điều chỉnh tần số nguồn dòng
a. Điều chỉnh tần số - dòng điện
Tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp ở hệ thống biến tần nguồn dòng cũng
được thực hiện tương tự như hệ thống biến tần nguồn áp. Mặt khác mỗi đặc tính cơ
ứng với một giá trị cố định của dòng điện stato, do đó nếu động cơ làm việc ở điểm
tới hạn của đặc tính thì khả năng sinh mômen là lớn nhất.
b. Điều chỉnh vectơ dòng điện
Tương tự hệ thống biến tần nguồn áp ở hệ thống biến tần nguồn dòng cũng có
thể thực hiện điều chỉnh từ thông bằng cách điều chỉnh vị trí vectơ dòng điện không
gian. Điều khác biệt là trong hệ biến tần nguồn dòng thì dòng điện liên tục và việc
chuyển mạch các van phụ thuộc lẫn nhau.
Điều chỉnh biên độ vectơ dòng stato thực hiện bằng điều chỉnh dòng điện một
chiều, điều chỉnh vị trí véctơ thực hiện bằng điều chỉnh tần số nghịch lưu.
NGUYỄN CAO CƯỜNG - 11 - TĐH2 - K46
Đồ án THHĐC THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG ĂN DAO MÁY DOA NGANG
CHƯƠNG III
TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH LỰC
I. Chọn công suất động cơ
1. Yêu cầu về động cơ
Đặc tính phụ tải của động cơ : Phụ tải động cơ là cơ cấu ăn dao máy cắt gọt, cơ
cấu này có momen không đổi trong suốt quá trình làm việc.


• Dải điều chỉnh tốc độ: D =
min
max
v
v
=
4

10
156,0
−
= 1560
• Công suất động cơ được tính theo lực cắt và tốc độ ăn dao lớn nhất v
max
P = F
z
.v
max
= 30.0,156 = 4,68 kW
• Mômen cực đại trên trục động cơ:
M =
η
ρ
z
F
=
8,0
10.5.10.30
43 −
= 18,75 Nm
Động cơ được chọn phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
- Động cơ phải có đủ công suất để đáp ứng nhu cầu của truyền động.
- Có tốc độ và phạm vi điều chỉnh phù hợp yêu cầu công nghệ.
- Thỏa mãn các yêu cầu về mở máy và hãm động cơ.

2. Lựa chọn động cơ
Dựa vào kết quả tính toán về động cơ ta sẽ chọn động cơ MTKF112-6 của Nga
có các thông số kỹ thuật sau:

- Công suất : P = 5,8 kW
- Tốc độ quay : n = 870 vòng / phút
- Điện áp định mức : U = 380V
NGUYỄN CAO CƯỜNG - 12 - TĐH2 - K46
M
n
M
đm
n
min
n
max
ỏn THHC THIT K TRUYN NG N DAO MY DOA NGANG
- Dũng in nh mc : I
stm
= 15,5A
- Hiu sut : = 0,8
- cos = 0,8
- I
k
/I
m
= 3,4
- M
k
/M
m
= 2,3
- M
max

/M
m
= 2,3
- in tr stato : r
st
= 1,26
- in khỏng stato x
st
= 1,26
- Mụmen quỏn tớnh : J

= 0,26kgm
2

4. Kim nghim ng c
Yờu cu kim nghim ng c bao gm cú :
- Kim nghim quỏ ti v mụmen :
M
m c
> M
cmax

Ta cú M
m c
=
m
m
P

=

n
P
m

2
60
=
870.2
10.8,5.60
3

= 63,69 Nm > 18,75 Nm = M
cmax
Vy iu kin v quỏ ti mụmen c tha món.
- Cụng sut ng c P = 5,8 kW > 4,68 kW, ta ó chn cụng sut ng c vt
cp nờn khụng cn kim tra theo iu kin phỏt núng v mụmen m mỏy.
II. S mch lc
Ngun mt chiu l mch chnh lu cu ba pha khụng iu khin dựng diode.
Mch nghch lu l mch dựng van l IGBT
1. Chn van cho b nghch lu
Sơ đồ chuyển mạch của khâu nghịch lu áp 3 pha mỗi van dẫn 180
0
:
NGUYN CAO CNG - 13 - TH2 - K46
ỏn THHC THIT K TRUYN NG N DAO MY DOA NGANG
Điện áp ra đặt lên các pha tải có dạng chữ nhật, bao gồm sóng hài cơ bản và
gồm nhiều sóng hài bậc cao. Chỉ có sóng hài cơ bản mới tạo ra mô men, mới có ích
cho động cơ, còn các sóng hài bậc cao gây tổn hao trên mạch từ động cơ.
Điện áp hiệu dụng sóng hài cơ bản bằng:
U

1
=
1d
E
2


=> Điện áp trớc mạch nghịch lu: E
d1
=
V490
2
220.14,3
2
U.
1
==

Điện áp sau bộ chỉnh lu cầu 3 pha điốt:
E
d2
=2,34.U
2
=2,34.220=514 V
Nh vậy điện áp sau chỉnh lu lớn hơn một chut so với điện áp yêu cầu của mạch
nghịch lu. Nếu tính đến sụt áp trên các van bán dẫn, trên dây dẫn, trên mạch lọc thì
điện áp yêu cầu đợc thoả mãn.
Tính dòng điện một chiều trung bình:
I
d

=
d
d
E
P
=
dnldc
dmdc
E.
P

=
A3,14
514.98,0.8,0
1000.8,5
=
+ Tính chọn van mạch nghịch lu:
NGUYN CAO CNG - 14 - TH2 - K46
ỏn THHC THIT K TRUYN NG N DAO MY DOA NGANG
Dòng trung bình qua IGBT :
I
v
=
A
I
d
76,4
3
3,14
3

==
(cùng một lúc ít nhất có hai van dẫn)
Để chọn van cần chọn van có dòng đi qua bằng: I
v
=k
dt
.I
v
=2,5.13,7=34A
Dòng qua điốt đệm chính là do sự trễ pha giữa dòng và áp pha.
I
D
=






0
d)sin(
Z
E2
2
1
Tính gần đúng: I
D
=
3
I

v
=4,5A
Chọn Điốt có I
D
=2,5.4,5=11A
Điện áp ngợc max đặt lên điốt, và điện áp lớn nhất đặt lên 2 cực C-E của IGBT
bằng: U
Cemax
=U
ngmaxD
=514V
Tính thêm hệ số dự trữ thì U
Cemax
=U
ngmaxD
=1,7.514=880V
Căn cứ vào dòng qua van và điện áp ngợc max đặt lên van, tra sổ tay chọn đợc:
IGBT là loại: MG50Q2YS9 có I
cmax
=50A, U
Cemax
=1200V
Điốt đệm loại: SW08PCN020 có I
tbmax
=16A, U
ngmax
=800 V
+ Tính chọn van mạch chỉnh lu:
NGUYN CAO CNG - 15 - TH2 - K46
ỏn THHC THIT K TRUYN NG N DAO MY DOA NGANG

Dòng qua van: I
D
=
A
I
d
76,4
3
3,14
3
==
Tính đến hệ số dự trữ thì I
D
=2,5.4,76 =11,9A
Điện áp ngợc cực đại: U
ngmax
=k.
pha
U.6
=1,7.
6
.220 = 916V
Chọn Điốt loại: SRR70/12 có I
tb
=70A, U
ngmax
=1200V
+Tính chọn cuộn kháng lọc L
d
và tụ bù phản kháng C

LC=
CL
2
k.)nw(
A
: Trong đó đối với chỉnh lu cầu 3 pha :A=
095,0
35
36
=

n là số đập mạch điện áp trong 1 chu kỳ : n=6
k
CL
=
003,0
220.2
1
U2
U
2
==

LC=
6
2
10.92,8
003,0.)314.6(
095,0

=
Chọn C=100
à
F và L=89,2mH
NGUYN CAO CNG - 16 - TH2 - K46
ỏn THHC THIT K TRUYN NG N DAO MY DOA NGANG
CHNG IV
TNG HP H THNG IU KHIN
VẫC T NG C KB
I. Nguyờn lý
Trớc đây ta đã đề cập đến vấn đề điều khiển động cơ không đồng bộ theo công
thức :
sqrdmM
iKm

=
để có thể điều khiển đợc chính xác tơng tự nh động cơ một
chiều (điều khiển độc lập thành phần kích từ
r
và thành phần dòng phần ứng i
s
).
Nh vậy hệ điều khiển cũng tơng tự nh hệ điều khiển động cơ một chiều.
Hình 4.1: Mô hình điều khển động cơ một chiều.
Ta sẽ xây dựng một hệ điều khiển tơng tự cho động cơ không đồng bộ nhng trên
toạ độ dq. Nh vậy động cơ cũng phải biểu diễn trên dq, lợng đặt là và i
sd
:
Hình 4.2: T tởng điều khiển ĐCKĐB.
NGUYN CAO CNG - 17 - TH2 - K46

R

Ri
-
Ri
kt

*
i
kt
*
i
-
*
R

Ri
sq
Ri
sd

*
I
sd
*
I
sq
*
Nhánh kích từ
Nhánh mômen

ỏn THHC THIT K TRUYN NG N DAO MY DOA NGANG
Nhng trong hệ thống thực, nguồn cung cấp cho động cơ là ba pha abc và các đại
lợng dòng phản hồi đo về đợc cũng là trên toạ độ abc, vậy giữa hai hệ toạ độ đó
phải có các bộ chuyển đổi toạ độ, cụ thể là từ bộ điều chỉnh lợng đặt để thành tín
hiệu đa vào biến tần nuôi động cơ phải có một bộ chuyển đổi dq/abc từ các đại lợng
dòng đo đợc đem phản hồi có một bộ chuyển đổi ngợc từ abc/dq.
Vấn đề nảy sinh là khi chuyển đổi giữa hai toạ độ cần phải có góc lệch giữa
chúng (
s
). Từ đây có hai giải pháp:
- Lấy
s
bằng cách tích phân tốc độ quay
s
của dòng, áp stato hoặc của từ
thông rôto.
- Vì hệ toạ độ quay dq có trục thực gắn với
r
nên góc
s
có thể xác định bằng
cách tính góc của
r
trên hệ toạ độ

Từ phân tích trên ta có hệ thống điều khiển nh hình vẽ:
Hình 4.3: Sơ đồ hệ thống điều chỉnh dòng điện và tốc độ của động cơ trên dq
NGUYN CAO CNG - 18 - TH2 - K46
ỏn THHC THIT K TRUYN NG N DAO MY DOA NGANG
Góc

s
dùng để chuyển toạ độ từ tĩnh sang quay theo chiều thuận hoặc ngợc
(

dq hoặc dq

) .
s
có thể đợc tính trực tiếp
s
= arctg(
r
) hoặc gián tiếp :

s
=
s
.t +
0

Tuỳ theo cách xác định góc quay từ trờng
s
mà ta có hai phơng pháp điều khiển
vectơ: phơng pháp điều khiển trực tiếp và phơng pháp điều khiển gián tiếp
II. Cỏc phng phỏp iu khin vect
1. Điều khiển vectơ gián tiếp
Hình 4.4: Đồ thị góc pha của phơng pháp điều khiển vectơ gián tiếp
ở phơng pháp này , góc
s
đợc tính toán dựa vào các đại lợng đầu cực của động

cơ. từ đó tính ra các phần tử quay cos, sin .
Theo đồ thị trên, góc pha đợc tính nh sau:

s
=
s
dt +
o

s
: tốc độ quay của vectơ dòng điện stato, từ thông rôto và là tốc độ quay của hệ
trục toạ độ dq.
Phơng trình cân bằng điện áp rôto:
f
rr
f
rs
f
rr
j
dt
d
iR


++=0
Xét trên hai trục d và q tơng ứng ta đợc:
NGUYN CAO CNG - 19 - TH2 - K46
a
+1()

+j()

r
b
c

r

r

=
s
.t
d

s
q
ỏn THHC THIT K TRUYN NG N DAO MY DOA NGANG
rdr
rq
rqr
rqr
rd
rdr
dt
d
iR
dt
d
iR

++=
+=
0
0
(4-5)
Từ công thức
r
= L
r
i
r
+ L
m
i
s
ta suy ra :
m
sqmrq
rq
m
sdmrd
rd
L
iL
i
L

iL
i

=

=


(4-6)
Thay (4-6) vào (4-5) đợc
0
0
=++
=+
dqrsqr
r
m
rq
r
r
rq
rqrsdr
r
m
rd
r
rrd
IR
L
L

L
R
dt
d
IR
L
L
L
R
dt
d




(4-7)
Vì hệ toạ độ dq gắn vào vectơ từ thông rôto và các điều kiện sau giả sử đợc đảm
bảo:
const
dt
d
rrd
rq
rq
==
==



0

Thay các điều kiện đó vào (4-7) và biến đổi đợc:
sdmr
r
r
rr
sqm
r
iL
dt
d
T
T
iL
=+
=




Khi đã tính đợc
r
ta có công thức tính góc quay
s
dựa vào i
sd
, i
sq
và tốc độ :
NGUYN CAO CNG - 20 - TH2 - K46
L

m
T
r
:
L
m
T
r
p+1
1
p

r


r
i
sd
i
sq

s
+
+
ỏn THHC THIT K TRUYN NG N DAO MY DOA NGANG
Hình 2-13: Sơ đồ tính toán góc quay từ trờng theo phơng pháp gián tiếp.
2-5-2. Điều khiển vectơ trực tiếp theo từ thông rôto
Phơng pháp này xác định trực tiếp góc quay từ trờng
s
từ từ thông rôto

r
hoặc từ
thông khe hở
0
trên hai trục của hệ toạ độ vuông góc:

r
có thể đợc xác định bằng cảm biến từ thông Hall hoặc bằng tính toán.
a) Xác định
s
từ cảm biến Hall.
Cảm biến Hall đợc lắp vào động cơ để đo từ thông khe hở
o
, từ đó tuỳ theo yêu
cầu của hệ truyền động mà tính
s
trực tiếp từ
o
hay chuyển đổi thành
r
rồi mới
tính
s
từ
r
Xác định trực tiếp góc quay từ tr ờng bằng từ thông khe hở.
Hình 4.8: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vectơ trực tiếp
sử dụng cảm biến Hall đo

r

NGUYN CAO CNG - 21 - TH2 - K46
R

R
M
cos
s
-sin
s
sin
s
cos
s










1/2- /3
1/2- /3-
1 0
2
2
Nghịch
lzu

PWM
Tính
sin
s
, cos
s
22
yx
+

0
*
-
0
M
*
-M

0

0

0
i
s
*
i
s
*
I

as
*
I
bs
*
I
cs
*
I
ds
*
I
qs
*
ĐK
Bộ ĐK
Biến đổi dq/ Biến đổi /abc
Nguồn DC
ỏn THHC THIT K TRUYN NG N DAO MY DOA NGANG
Sơ đồ gồm hai kênh điều khiển : mômen và từ thông khe hở. Các thành phần
dòng điện điều khiển I
qs
*
và I
ds
*
tơng ứng là các tín hiệu ra của các bộ điều chỉnh
mômen và từ thông khe hở. Các thành phần dòng điện này đợc biến đổi thành các
đại lợng hình sin trong hệ toạ độ tĩnh nhờ phép biến đổi dq/. Các thành phần
dòng điện hình sin i

as
*
, i
bs
*
, i
cs
*
là tín hiệu điều khiển của bộ nghịch lu biến điệu độ
rộng xung PWM. Thành phần sin
s
, cos
s
tính từ các thành phần của từ thông khe
hở trên hai trục toạ độ tĩnh đo đợc bằng các cảm biến từ thông :
0
0
0
0
2
0
2
0
0
sin ;cos

==
+=
ss
với
0


,
0

: các thành phần từ thông khe hở dọc trục và ngang trục
Nh vậy góc quay từ trờng
s
hay sin
s
, cos
s
đợc tính trực tiếp từ các thành phần
từ thông khe hở. Các thành phần
0
đợc đo bằng các cảm biến từ thông. Biên độ
0
đợc sử dụng làm phản hồi của mạch vòng điều chỉnh
0

.
Xác định trực tiếp góc quay từ tr ờng bằng từ thông rôto.
ở phần trớc đã xác định góc quay từ trờng trực tiếp bằng từ thông khe hở. Phơng
pháp này có u điểm là khối tính toán đơn giản nhng vì
o
không trùng với hớng
r
nên thực ra góc
s
tính đợc dựa vào
o
nh trên không chính xác. Do vậy cho hệ
truyền động có yêu cầu cao hơn ta phải tính
s
từ các thành phần của
r
. Từ đó hệ
thống điều khiển vectơ tựa theo từ thông rôto đợc xây dựng trên cơ sở của hệ thống
hình trên với bổ sung khối tính toán từ thông rôto .
Từ hai công thức tính từ thông khe hở và từ thông rôto :

0
= L
m
(i
s
+ i
r
) (4-9)

r
= L
m
i
s
+L
r
i
r
= L
m
i
s
+ (L
m
+ L
r

)i
r
=
0
+ L
r


i
r

Thay i

r
ở phơng trình thứ nhất của (4-9) vào phơng trình thứ hai ta có công thức
tính
r
:
sr
m
r
r
s
m
rr
iL
L
L
i
L
L

+=








+=
1
0
0
0
Từ đó rút ra:
sr
m
r
r
iL
L
L


=
0
(4-10)

NGUYN CAO CNG - 22 - TH2 - K46
ỏn THHC THIT K TRUYN NG N DAO MY DOA NGANG
Từ (4-10) ta suy ra trên hệ toạ độ tĩnh :




sr
m
r
r
sr
m
r
r
iL
L
L
iL
L
L
=
=
0
0
Từ đó xây dựng sơ đồ khối cơ bản của phơng pháp điều khiển trực tiếp từ thông
rôto :
Hình 4.6: Hệ thống điều khiển sử dụng cảm biến Hall đo từ thông rôto.
III. Xõy dng mụ hỡnh ng c trờn h ta dq
Từ mô phơng trình mô tả động cơ, khi chiếu trên hệ toạ độ dq thì các phơng trình

từ thông vẫn không đổi, chỉ có các phơng trình điện áp thay đổi nh sau:
- Toạ độ từ thông rôto quay tốc độ
s
so với stato.
- Hệ toạ độ chuyển động vợt trớc so với rôto một tốc độ góc
r
=
s
-.
Từ đó ta thu đợc hệ phơng trình :
NGUYN CAO CNG - 23 - TH2 - K46
dq


abc
Khối tính
từ thông
rôto
Biến tần
I
ds
*
I
qs
*

s

r

0
I
as
*
ĐK
I
bs
*
I
cs
*
I
as
I
bs
I
cs

0
ỏn THHC THIT K TRUYN NG N DAO MY DOA NGANG

r
f
rm
f
s
f
r
m
f

rs
f
s
f
r
f
rr
f
r
f
rr
f
rs
f
r
f
ss
f
s
LiLi
LiLi
j
dt
d
iR
j
dt
d
iRu
________

________
____
____
__
____
___
____
0
+=
+=
++=
++=






(4-11)
Tìm cách loại bỏ i
f
r
và
f
s
: từ (4-11) có

)(
)(
1

____________
________
m
f
s
f
r
r
m
s
f
s
f
s
m
f
s
f
r
r
f
r
Li
L
L
Li
Li
L
i
+=

=


Thế trở lại phơng trình thứ 3 và 4 của (4-11) ta đợc phơng trình :

rq
r
rdrsq
r
m
rq
rqrrd
r
sd
r
mrd
sq
s
rq
rm
rd
m
sq
rs
sds
sq
sd
s
rq
m

rd
rm
sqssd
rs
sd
T
i
T
L
dt
d
T
i
T
L
dt
d
u
LTLL
i
TT
i
dt
di
u
LLTL
ii
TTdt
di

1
1
111
)
11

(
111
)
11
(
=
+=
+

+



+=
+

+

++

+=
(4-12)
Biến đổi tiếp hệ (4-12) với điều kiện chọn trục d trùng với vectơ
r
, tức là

rq
= 0:
NGUYN CAO CNG - 24 - TH2 - K46
ỏn THHC THIT K TRUYN NG N DAO MY DOA NGANG

rd
sq
r
m
r
sdmrdr
sq
s
rd
m
sdssq
sd
s
rq
m
rd
rm
sqssd
i
T
L
iLpT
u
LL
iip
T
u
LLTL
iip
T

=
=+
+

=+
+

+

+=+
)1(
11

)
1
(
111
)
1
(
(4-13)
Thay T

theo công thức:
rs
TTT





+=
111
Tơng tự nh trên toạ độ ta cũng có phơng trình mômen cho toạ độ dq:

)(
2
3
f
s
f
r
r

m
cM
i
L
L
pm
=

Thay đại lợng vectơ bằng các phần tử của nó : i
s
f
= i
sd
+ji
sq
và
s
f
=
sd
+j
rq
ta có:

sqrd
r
m
cM
i
L

L
pm


2
3
=
(4-14)
Từ (4-13) và (4-14) ta vẽ đợc sơ đồ toán học của động cơ trên hệ toạ độ từ thông
rôto dq:
NGUYN CAO CNG - 25 - TH2 - K46
1
p
L
m
T
r
T

1+pT

1
L
s
L
m
1+pT
r
P
c

pJ
T

1+pT

1
L
s
1-
L
m
T
r
L
m
3p
c
L
m
2L
r
u
sd
u
sq
i
sd
i
sq
-

rd
m
M
m
C
e
-j s
:
u
s
u
s
-


s

r


s