Đồ án tổng hợp điện cơ máy bào giường

Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay máy cắt gọt kim loại đặc trưng cho các ngành cơ khí chế
tạo gia công kim loại… có một vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực sản
xuất của nền kinh tế quốc dân, cơ khí hóa có lien quan chặt chẽ đến điện
khí hóa và tự động hóa. Dưới tác động của khoa học kỹ thuật hiện đại đối
với các loại máy móc nói chung, đối với máy cắt gọt kim loại nói riêng
ngày càng được cho phép đơn giản về kết cấu cơ khí của máy sản xuất và
giảm nhẹ cường độ lao động. Máy cắt gọt kim loại được dùng để gia công
các chi tiết kim loại bằng cách hớt các lớp kim loại thừa, để sau khi gia
công các chi tiết có hình dáng gần đúng yêu cầu (gia công thô) hoặc thỏa
mãn hoàn toàn yêu cầu đặt hang với độ chính xác nhất định về kích thước
và độ bóng cần thiết của bề mặt gia công (gia công tinh). Có thể phân loại
máy cắt kim loại như sau:
Tùy thuộc vào quá trình công nghệ đặc trưng bởi phương pháp gia
công dạng dao, đặc tính chuyển động v.v…, các máy cắt được chia thành
các máy cơ bản tiện, phay, bào, khoan – doa, mài và các nhóm máy khác
như gia công răng, ren, v.v…
Theo đặc điểm của quá trình sản xuất, có thể chia thành các máy vạn
năng chuyên dùng đặc biệt. máy vạn năng là các máy có thể thực hiện
được các phương pháp gia công khác nhau như tiện, khoan, gia công
răng…, để gia công các chi tiết khác nhau về hình dáng, kích thước. Các
máy chuyên dùng là các máy dùng để gia công các chi tiết có cùng hình
dáng nhưng có kích thước khác nhau. Máy đặc biệt là máy chỉ dùng để
thực hiện gia công các chi tiết có cùng hình dáng kích thước.
Theo kích thước và trọng lượng chi tiết gia công trên máy, có thể
chia máy cắt kim loại thành các máy bình thường ( trong lượng chi tiết
100 – 10.10
3
kg) các máy cỡ lớn ( trọng lượng chi tiết 10.10
3

-30.10
3
kg),
các máy cỡ nặng ( trọng lượng chi tiết 30.10
3
-100.10
3
kg) và các máy rất
nặng ( trọng lượng chi tiết lơn hơn 100.10
3
kg).
Theo độ chính xác gia công, có thể chia thành máy có độ chính xác
bình thường, cao và rất cao.
Việc tăng năng suất máy và giảm giá thành thiết bị của máy là hai
yêu cầu chủ yếu đối với hệ thống chuyển động điện và tự động hóa nhưng
chúng luôn mâu thuẫn nhau. Một bên đòi hỏi sử dụng vác hệ thống phức
tạp, một bên lại yêu cầu hạn chế số lượng thiết bị chung trên máy và số
thiết bị cao cấp. vậy việc lựa chọn một hệ thống truyền động điện và tự
động hóa cho thích hợp là một bài toán khó.
Nội dung của đồ án chia thành 5 chương, cụ thể như sau:
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
Chương I. Yêu cầu công nghệ. Nội dung cơ bản của chương này đề cập
tới những nét cơ bản nhất của công nghệ truyền động bàn máy bào
giường và có sự khảo sát kỹ đặc tính phụ tải. Tất cả những thiết kế sau
này đều bám sát những đặc điểm này.
Chương II. Phân tích lựa chọn phương án truyền động. Nội dung của
chương này trình bày các phương án truyền động, đưa ra các phương án
khả thi rồi cuối cùng có so sánh giữa các phương án khả thi để chọn ra
phương án phù hợp nhất. Tất cả đều có sự phân tích cụ thể khi quyết định

chọn phương án tốt nhất.
Chương III. Tính chọn và kiểm nghiệm động cơ. Nội dung cơ bản của
chương này sẽ trình bày cách chọn công suất động cơ truyền động, kiểm
nghiệm động cơ dựa trên yêu cầu về công nghệ…
Chương IV. Tổng chọn thiết bị mạch lực. Nội dung chương này sẽ tính
toán chi tiết các tham số thiết bị của mạch lực từ đó đưa ra lựa chọn cụ
thể cho mỗi thiết bị
Chương V. Tổng hợp các vòng điều chỉnh. Nội dung của chương này
sẽ đi tổng hợp cấu trúc cũng như các tham số của các bộ điều chỉnh theo
luật điều chỉnh đa chọn.
Chương V. Thiết kế mạch điều khiển trên matlab simulink. Nêu
nguyên lý điều chỉnh và thiết kế sơ bộ các mạch điều khiển các bộ biến
đổi
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
CHƯƠNG I. YÊU CẦU CÔNG NGHỆ
I.Giới thiệu về máy bào giương.
1.1. Đặc điểm công nghệ
 Máy bào giương là máy có thể gia công các chi tiết lớn. Tùy thuộc
vào chiều dài của bàn máy và lực kéo có thể phân máy bào giường
thành 3 loại:
- Máy cỡ nhỏ: chiều dài bàn
3
b
L m<
, lực kéo
30 50
k
F kN= −
- Máy cỡ trung bình:

4 5 ; 50 70
b k
L m F kN= − = −
- Máy cỡ nặng:
5 ; 70
b k
L m F kN> >
Hình 1. Hình dáng bên ngoài máy bào giương
 Cấu tạo máy: Chi tiết gia công 1 được kẹp chặt trên bàn máy 2
chuyền động tịnh tiến qua lại. Dao cắt 3 được kẹp chặt trên bàn dao
đứng 4. Bàn dao 4 được đặt trên xà ngang 5 cố định khi gia công.
Trong quá trình làm việc, bàn máy di chuyển qua lại theo các chu
kỳ lặp đi lặp lại, mỗi chu kỳ gồm hai hành trình thuận và ngược. Ở
hành trình ngược, bàn máy chạy về vị trí ban đầu, không cắt gọt,
nên gọi là hành trình không tải. Cứ sau khi kết thúc hành trình
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
ngược thi bàn dao lại di chuyển theo chiều ngang một khoảng gọi
là lượng ăn dao. Chuyển động tịnh tiến qua lại của bàn máy gọi là
chuyển động chính. Dịch chuyển của bàn dao sau mỗi hành trình
kép là chuyển động ăn dao. Chuyển động phụ là di chuyển nhanh
của xà, bàn dao, nâng đầu dao trong hành trình không tải.
Hình 2. Đồ thị tốc độ trong một chu kỳ
 Quá trình vận hành:
- Giả sử bàn máy đang ở đầu hành trình thuận và được tăng tốc
đến tốc độ
0
5 15 /V m ph= −
(tốc độ vào dao) trong khoảng thời
gian t1. Sau khi chạy ổn định với tốc độ V

0
trong khoảng thời
gian t
2
thì dao cắt vào chi tiết ( dao cắt vào chi tiết ở tốc độ thấp
để tránh sứt dao hoặc chi tiết do va chạm).
- Bàn máy tiếp tục chạy ổn định với tốc độ V0 cho đến hết thời
gian t
3
thì tăng tốc đến tốc độ đến Vth (tốc độ cắt gọt)
- Trong thời gian t
5
bàn máy chuyển động với tốc độ V
th
và thực
hiện gia công chi tiết.
- Gần hết hành trình thuận bàn máy sơ bộ giảm tốc độ đến V
0
,
dao được ra khỏi chi tiết khi tốc độ của bàn là V
0
. Sau đó bàn
máy đảo chiều sang hành trình ngược đến tốc độ V
ng
> V
th
thực
hiện hành trình không tải, đưa bàn máy về vị trí ban đầu (khi đó
dao đã được đưa ra khỏi chi tiết ).
- Gần hết hành trình ngược bàn máy đảo sang hành trình thuận

thực hiện một chu kì khác. Bàn dao được di chuyển bắt đầu từ
thời điểm bàn máy đảo chiều từ hành trình ngược sang hành
trình thuận và kết thúc di chuyển trước khi dao cắt vào chi tiết.
- Tốc độ hành trình thuận V
th
được xác định tương ứng bởi chế
độ cắt, thường V
2
=5 – (75 – 120) m/ph, tốc độ gia công lớn
nhất có thể đạt (75-120) m/ph. Để tăng năng suất của máy tốc
độ hành trình ngược thường được chọn lớn hơn tốc độ hành
trình thuận. V
ng
=k.V
th
( thường k=2,3 ).
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
- Năng suất của máy phụ thuộc vào số hành trình kép trong một
đơn vị thời gian
1 1
n
T T T
ck th ng
= =
+

Tck: Thời gian của một chu kỳ làm việc của bàn máy
Tth : thời gian bàn máy chuyển động ở hành trình thuận
Tng : thời gian bàn máy chuyển động ở hành trình ngược

Giả sử gia tốc của bàn máy lúc tăng và giảm tốc độ là không đổi thì :
. .
/ 2
L L
L
g th h th
th
t
th
V V
th th
+
= +
(1 -2)
. .
/ 2
L L L
ng g ng h ng
t
ng
V V
ng ng
+
= +
(1-3)
Trong đó: L
th
, L
ng
là chiều dài hành trình bàn máy ứng với tốc độ ổn định

V
th
, V
ng
ở hành trình thuận và ngược.
L
g.th
, L
t.th
là chiều dài hành trình bàn trong quá trình tăng tốc ( gia tốc) và
quá trình giảm tốc ( hãm) ở hành trình thuận
L
g.ng
, L
t.ng
là chiều dài hành trình bàn máy trong quá trình tăng tốc (gia
tốc) và quá trình giảm tốc ( hãm) ở hành trình ngược
V
th
, V
ng
là tốc độ hành trình thuận, ngược của bàn máy.
Thay cái t
th
và t
ng
từ (1 -2) , (1 -3) vào (1-1) ta nhận được:
1 1
( 1).
/ /

n
k L
L V L V t
t
th ng dc
dc
V
ng
= =
+
+ +
+
(1-4)
Trong đó L=L
th
+L
g.ht
+L
h.th
= L
ng
+L
g.ng
+L
h.ng
- chiều dài hành trình của bàn máy
K=
ng
th
V

V
tỉ số giữa tốc độ hành trình thuận và hành trình ngược
t
dc-
thời gian đảo chiều quay
Từ (1-4) ta thấy khi đã chọn tốc độ cắt V
th
thì năng suất của máy phụ
thuộc vào hệ số k và thời gian đảo chiều t
dc
. Khi tăng K thì năng suất của
máy tăng nhanh nhưng khi k>3 thì năng suất của máy tăng không đáng kể
vì lúc đó thời gian đảo chiều lại tăng. Nếu chiều dài bàn L>3m thì t
dc
ít
ảnh hưởng đến năng suất mà chủ yếu là k. Khi L
b
bé nhất là khi tốc độ
thuận lớn V
th
=(75-120) m/ph thì ảnh hưởng nhiều đến năng suất. Vì vậy
khi thiết kế máy bào giường phải làm giảm thời gian quá trình quá độ. Đó
là một trong những vấn đề quan trọng khi thiết kế máy bào giương. Một
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
trong những biện pháp đó là xác định tỉ số truyền tối ưu của cơ cấu truyền
động của động cơ đến trục làm việc đản bảo máy khởi động với gia tốc
cao nhất. Ta có tỷ số truyền tối ưu:
i
t.

=
Jd
Jm
M
Mc
M
Mc
++ 2)(
Trong đó:
M: momen của động cơ lúc khởi động, Nm
Mc: Mô men cản trên trục làm việc, Nm
Jm, Jd: Mô men quán tính của máy và động cơ. Kgm
Nếu coi Mc =0 thì
i
tu
=
Jd
Jm
Việc lựa chọn tỷ số truyền tối ưu ở máy bào giương là khá quan trọng.
Thời gian quá trình quá độ phụ thuộc vào momen quán tính của máy. Mô
men quán tính của máy tỷ lệ với chiều dài của máy.
Tuy nhiên thời gian quá trình quá độ không thể giảm nhỏ được vì bị hạn
chế bởi:
Lực tác động phát sinh trong hệ thống
Thời gian quá trình quá độ phải đủ để di chuyển đầu dao
1.2 Các yêu cầu đối với hệ thống truyền động và trang bị điện của máy
bào giương.
 Truyền động chính:
+Phạm vi điều chỉnh tốc độ
. ax

ax
min .min
ng m
m
th
V
V
D
V V
= =
Với V
ng.max
là tốc độ lớn nhất của bàn máy trong hành trình ngược
V
th.min
là tốc độ nhỏ nhất của bàn máy trong hành trình ngược.
Giả thuyết suy ra V
ng.max
= 60 m/ph, chọn V
th.min
= 5 m/ph, ta có:
60
max
12:1
5
.min
V
ng
D
V

th
= = =
+Độ ổn định tốc độ.
Tốc độ cần được ổn định trong trường hợp gia công chi tiết, tức là
khi dao cắt vào chi tiết để tránh làm sứt mẻ chi tiết hoặc dao cắt.
+Độ trơn điều chỉnh tốc độ:
Là tỉ số giữa hai giá tri kề nhau của tốc độ:
1i
i
ω
φ
ω
+
=
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
trong đó
,
1i i
ω ω
+
là tốc độ cấp thứ i và i+1, được xác định bằng
công thức:
1
max
1
min
z
D
z

ω
φ
ω
−
= =
−
Trong đó z là số cấp tốc độ của máy
+Hệ thống truyền động là hệ truyền động có đảo chiều quay
+Do máy bào giường chỉ có nhiệm vụ gia công thô bề mặt chi tiết,
không cần độ bóng, nhẵn nên độ chính xác yêu cầu không cao
δ
%< 5%. Thường chọn
δ
% = 2%
+Quá trình quá độ khởi động, hãm yêu cầu xảy ra êm, tránh va
chạm trong bộ truyền với tác động cực đại
 Truyền động ăn dao:
Truyền động ăn dao làm việc có tính chất chu kỳ, trong mỗi hành
trình kép làm việc một lần ( từ thời điểm đảo chiều từ hành trình
ngược sang hành trình thuận và kết thúc trước khi dao cắt vào chi
tiết).
Phạm vi điều chỉnh lượng ăn dao D= (100-200)/1. Lượng ăn dao
cực đại có thể đạt tới (80-100) mm/ hành trình kép.
Cơ cấu ăn dao yêu cầu làm việc với tần số lớn, có thể đạt 1000
lần/giờ. Hệ thống di chuyển đầu dao cần phải đản bảo theo hai
chiều ở cả chế độ di chuyển làm việc và di chuyển nhanh.
Truyền động ăn dao có thể được thực hiện bằng nhiều hệ thống cơ
khí, điện khí, thủy lực khí nén… thông thường sử dụng rộng rãi hệ
thống điện cơ: động cơ điện và hệ thống truyền động trục vít – ecu
hoặc bánh răng – thanh răng.

 Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải.
Đặc tính cơ của cơ cấu sản suất có dạng
( ).( )
0
q
M M M M a
c dm o
dm
ω
ω
= + −
trong đó:
q=0 ta có Mc = Mdm = const ứng với truyền động ăn dao
q=1 ta có Mc=1/
ω
( Pc = const ) ứng với truyền động chính
thay đổi, còn mômen tỉ lệ ngược với tốc độ. Tuy nhiên nếu ở tốc độ
thấp mômen có thể lớn do đó kích thước của các bộ phận cơ khí
phải chọn lớn lên, điều đó không có lợi. Mặt khác, thực tế sản xuất
cho thấy rằng ở tốc độ thấp chỉ dùng cho các chế độ nhẹ, nghĩa là
Fz và Pz nhở. Vì vậy ở vùng tốc độ thấp ta giữ mômen không đổi
còn công suất cắt thay đổi theo quan hệ bậc nhất đối với tốc độ
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
 Chế độ làm việc: Chế độ làm việc của máy bào giường là chế độ
ngắn hạn lặp lại, đảo chiều với tần số lớn, momen khởi động và
hãm lớn. Quá trình quá độ chiếm tỷ lệ đáng kể trong chu trình làm
việc
 Khởi động và hãm: Quá trình quá độ khởi động và hãm yêu cầu
xảy ra nhanh, êm, tránh va đập trong bộ truyền với độ tác động cực

đại
 Yêu cầu về nguồn: hệ thống sử dùng nguồn điện lưới công nghiệp
xoay chiều ba pha, điện áp lưới 380V, tần số 50hz
 Yêu cầu vận hành: an toàn cho người và thiết bị. Cụ thể là có biện
pháp bảo vệ chống quá tải, ngắn mạch, dừng khẩn cấp khi có sự cố
 Tính kinh tế: khi thiết kế ta cần quan tâm đến vốn đầu tư, chi phí
vận hành, tổn hao năng lượng trong quá trình làm việc ổn định và
quá trình quá độ. Ngoài ra còn phải đánh giá đến mức độ tin cậy,
thuận tiện trong vận hành, dễ kiếm vật tư thay thế
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
CHƯƠNG II. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Chọn phương 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 phương án
khả thi đáp ứng được cả yêu cầu về đặc tính kỹ thuật và kinh tế với
công nghệ đặt ra. Lựa chọn phương án truyền động tức là phải xác
định được loại động cơ truyền động là một chiều hay xoay chiều,
phương pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặc tính tải, sơ đồ nối
bộ biến đổi đảm bảo yêu cầu truyền động.
2.1. Chọn loại động cơ
Động cơ truyền động cho máy bào giương trong đề tài của em là
động cơ có công suất nhỏ (P < 50KW), do đó có thể sử dụng các loại
động cơ:
- Động cơ một chiều.
- Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc.
- Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu.
a. Động cơ một chiều
Ưu điểm:
- Điều chỉnh tốc độ đơn giản và tuyến tính.

- Động cơ một chiều có đặc tính khởi động tốt.
Nhược điểm:
- Giá thành đắt; dễ hỏng do cấu tạo phức tạp và có chổi than.
b. Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu
Ưu điểm:
- Có hiệu suất cao hơn động cơ không đồng bộ, phù hợp ở dải công
suất nhỏ, thường dùng cho cơ cấu truyền động có vùng điều chỉnh
rộng, độ chính xác cao.
- Có kích thước nhỏ gọn hơn so với động cơ không đồng bộ cùng
công suất.
- Sử dụng vật liệu từ, có mật độ từ cao, tổn thất từ và độ nhụt từ nhỏ,
khả năng tái nạp từ tốt, chịu nhiệt độ cao.
Nhược điểm: Giá thành vẫn cao hơn động cơ roto lồng sóc.
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
c. Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc
Động cơ điện không đồng bộ roto lồng sóc được sử dụng rất rộng
rãi trong thực tế sản xuất
Ưu điểm:
- Cấu tạo đơn giản.
- So với động cơ một chiều thì động cơ không đồng bộ có giá thành
hạ, vận hành tin cậy, chắc chắn.
- Sử dụng trực tiếp điện xoay chiều 3 pha nên không cần trang bị
thêm các thiết bị biến đổi đi kèm khi không cần điều chỉnh tốc độ.
Nhược điểm:
Điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn,
động cơ roto lồng sóc có chỉ tiêu khởi động xấu hơn nhiều so với động
cơ một chiều.
Ngày nay do ứng dụng công nghệ điện tử và vi điều khiển rộng
rãi việc điều khiển động cơ không đồng bộ không còn là vấn đề khó

khăn nữa. Từ các phân tích trên, do tính phổ biến của động cơ
không đồng bộ roto lồng sóc và các ưu điểm của nó, đồ án của em
sẽ sử dụng động cơ không đồng bộ roto lồng sóc trong thiết kế hệ
truyền động cho thang máy chở người.
2.2 Lựa chọn biến tần.
Do yêu cầu về điều chỉnh tốc độ nên ta dùng biến tần để cấp nguồn
cho động cơ. Hơn nữa, việc dùng biến tần cho ta dễ dàng mở rộng
dải điều chỉnh, dễ dàng áp đặt các kỹ thuật điều khiển hiện đại, áp
đặt nhanh và chính xác mômen, điều chỉnh trơn và ổn định tốc độ.
Ngoài ra biến tần còn hoạt động tin cậy và chắc chắn, dễ dàng cài
đặt tham số điều khiển, có thể dùng một loại biến tần cho nhiều loại
truyền động. Do đó, việc sử dụng biến tần đã trở thành một chuẩn
công nghiệp. Có nhiều hãng sản xuất nổi tiếng như ABB, Siemens,
… với các sản phẩm rất nổi trên thị trường, tuy nhiên ở đây ta sẽ
thiết kế lại bộ biến tần để phục vụ cho bài toán yêu cầu mà không sử
dụng biến tần có sẵn.
Biến tần có hai loại: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp phân biệt
với nhau bởi khâu trung gian một chiều giữa bộ chỉnh lưu và bộ
nghịch lưu. Sau đây sẽ phân tích ưu nhược điểm của từng loại biến
tần để lựa chọn biến tần thích hợp nhất
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
2.2.1 Biến tần trực tiếp.
Hình 3. Biến tần trực tiếp sơ đồ tia 3 pha
Ưu điểm:
- Mạch chỉ cần dùng van Tiristor thông thường, quá trình chuyển
mạch theo điện áp lưới
- Bộ biến tần không sử dụng khâu trung gian một chiều nên hiệu
suất rất cao
- Có khả năng làm việc ở tần số thấp thậm chí ngay cả khi có sự

cố
- Thường sử dụng cho dải công suất rất lơn đến vài chục MW
Nhược điểm:
- Sử dụng nhiều van bán dẫn làm cho mạch điều khiển rất phức
tạp
- Hệ số công suất thấp
Tóm lại với ứng dụng là hệ truyền động cho máy bào giương ta
không chọn loại biến tần này.
2.2.2 Biến tần gián tiếp.
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
Biến tần gián tiếp khác biến tần trực tiếp ở chỗ nó có khâu trung gian
một chiều. Nhờ có khâu trung gian một chiều này mà khâu chỉnh luu
và khâu nghịch lưu cách ly nhau và điều chỉnh độc lập với nhau. Tần
số đầu ra nhờ đó có thể được điều chỉnh mà không phụ thuộc tần số
đầu vào. Tùy thuộc vào khâu trung gian một chiều mà phân ra thành
biến tần nguồn dòng và biến tần nguồn áp
 Biến tần nguồn dòng
Hình 4. Biến tần nguồn dòng
Khâu trung gian là cuộn kháng Lf , thực hiện chức năng nguồn dòng
cho bộ nghịch lưu.
Ưu điểm:
- Có khả năng trả năng lượng về lưới
- Không sợ chế độ ngắn mạch vì dòng điện một chiều được giữ
không đổi
- Phù hợp cho dải công suất lớn trên 100kW
Nhược điểm:
- Hiệu suất kém ở dải công suất nhở
- Cồng kềnh vì có them cuộn kháng
- Hệ số công suất thấp và phụ thuộc vào phụ tải nhất là khi tải nhỏ.

Do đó, với ứng dụng là máy bào giương tải chỉ vào khoảng đưới
30kW, biến tần nguồn dòng rõ ràng là không phù hợp
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
 Biến tần nguồn áp
Hình 5. Biến tần nguồn áp
Khâu trung gian là tụ C thực hiện chức năng nguồn áp cho bộ nghịch
lưu.
Ưu điểm:
- Phù hợp với tải nhỏ, dưới 30kW
- Hệ số công suất của mạch lớn
- Hình dạng và biên độ điện áp ra không phụ thuộc vào tải, dòng
điện cho tải quy định
- Có thể áp dụng kỹ thuật PWM để giảm tổn hao do sóng hài bậc
cao, khử đập mạch momen
Nhược điểm:
- Không trả được năng lượng về lưới, nếu muốn trả năng lượng về
lưới thì phải mắc thêm một khâu chỉnh lưu mắc song song ngược
với khâu chỉnh lưu ban đầu
Như vậy ta thống nhất chọn bộ biến đổi là biến tần nguồn áp . Phần tiếp
theo sẽ chọn phương pháp điều khiển cho loại biến tần này.

2.3 Phương pháp điều khiển biến tần
Có nhiều phương pháp điều khiển biến tần nguồn áp. Phổ biến nhất
trong công nghiệp hiện nay là ứng dụng ba phương pháp điều khiển
sau:
 Điều khiển từ thông khe hở không đổi theo luật U/f = const
 Hệ truyền động biến tần sử dụng phương pháp điều khiển tựa từ
thông rotor – động cơ không đồng bộ FOC
 Hệ truyền động biến tần sử dụng phương pháp điều khiển trực tiếp

momen – động cơ không đồng bộ DTC
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
Ở đây, ta chỉ phân tích ưu nhược điểm hai phương pháp FOC và DTC
a. Phương pháp DTC:
Ưu điểm
- Phương pháp DTC cho phép áp đặt nhanh mô-men do đó, hoàn
toàn phù hợp với máy bào giương.
- Phương pháp DTC cho phép có thể điều chỉnh với độ chính xác là
tùy ý, phụ thuộc vào khả năng về tần số chuyển mạch của biến tần.
- Không phải thực hiện các phép quay trục tọa độ do đó thời gian
tính toán nhanh.
- Mô hình ước lượng chỉ phụ thuộc vào tham số là điện trở dây
quấn stato là tham số dễ dàng nhận dạng được sự biến thiên theo
nhiệt độ
- Mô men động cơ phát huy nhanh ( gấp 4-5 lần so với điều khiển
FOC)
Nhược điểm
- Đáp ứng tốc độ kém, đáp ứng mô-men không trơn
- Xuất hiện những mô-men xung nên hệ làm việc ở vùng tốc độ
thấp khó ổn định
b. Phương pháp FOC
Ưu điểm
- Phù hợp với vùng tốc độ dưới tốc độ cơ bản, có thể làm việc ổn
định rất tốt ở tốc độ cận không.
- Cho họ đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ giống hệt với họ
đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập ở vùng từ
thông không đổi.
Nhược điểm:
- Rất nhạy với sự biến thiên thông số của động cơ, nhất là điện

trở roto có thể thay đổi đến 50% giá trị chuẩn do sự thay đổi
nhiệt độ và hiệu ứng mặt ngoài.
- Do phải thực hiện nhiều phép đổi hệ tọa độ nên tính toán phức
tạp, tốc độ không cao. Hiện nay, công cụ điều khiển số rất
mạnh do đó vấn đề tính toán phức tạp không còn là vấn đề lớn.
Từ các phân tích trên, do ưu điểm là mô hình đơn giản, tính
toán và đáp ứng momen nhanh, mô hình ít nhạy cảm với sự thay
đổi thông số động cơ nên ta sẽ sử dụng phương pháp điều khiển
trực tiếp momen (DTC) để điều khiển biến tần.
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
Vậy phương án được lựa chọn là: Hệ truyền động động cơ không
đồng bộ roto lồng sóc - biến tần nguồn áp - điều khiển bằng
phương pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC).
CHƯƠNG III. TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ KIỂM
NGHIỆM ĐỘNG CƠ
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
Số liệu ban đầu của hệ thống:
- Tốc độ hành trình thuận Vth: 20 m/ph
- Tốc độ hành trình ngược Vng: 60 m/ph
- Bán kính quy đổi lực cắt về trục động cơ điện: 0,007 m
- Hiệu suất định mức của cơ cấu: 0.81
- Hệ số ma sát trượt giữa bàn và gờ trượt: 0.081
- Chiều dài hành trình bàn: 3m
- Khối lượng bàn:
b
m
= 800 kg
- Lực cắt: F=28kN

- Khối lượng chi tiết:
ct
m
=500kg
- Mô men quán tính của các bộ phận chuyển động bao gồm: chi tiết,
bàn máy và cơ cấu truyền lực (J): J = 0.2
2
kgm
3.1. Tính chọn động cơ truyền động:
3.1.1. Phụ tải truyền động chính:
Phụ tải truyền động chính xác định bởi lực kéo tổng. Nó là 2 thành lực cắt
và lực masat:
F
K
= F
Z
+ F
ms
Fz: lực cắt (N)
Fms: lực ma sát, (N)
• Chế độ làm việc hành trình thuận:
F
ms
=
[ ]
).(
ctby
mmgF
++
µ

µ
=0.081 là hệ số ma sát ở gờ trượt
z
F 4,0=
y
F
là thành phần thẳng đứng của lực cắt, (N)
b
m
khối lương bàn
ct
m
khối lượng chi tiết
Ta có
F
ms
=0,081[0,4.28.10
3
+9,8.(800+500)] = 1939,14 N
Do đó: F
Kth
=F
z
+F
ms
= 28000 + 1939,14 = 29939,14 (N)
≈
30 (KN)
• Chế độ không tải.
Do thành phần lực cắt bằng không nên lực ma sát:

F
ms
=
µ
g(m
ct
+ m
b
)
Và lực kéo tổng Fk =Fms=
µ
g(m
ct
+ m
b
)
Quá trình bào chi tiết ở máy bào giường được tiến hành với công suất
gần như không đổi tức là lực cắt lớn sẽ tương ứng với tốc độ cắt nhỏ
và lực cắt nhỏ sẽ tương ứng với tốc độ cắt lớn. Tuy nhiên ở những
máy bào giường cỡ nặng thì đồ thị phụ tải có hai vùng như đồ thì hình
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
vẽ dưới đây, ở đó trong vùng 0<v<v
gh
lực kéo là hằng số, trong vùng
v
gh
<v<v
max
công suất kéo Pk gần như không đổi.

Khi làm việc ở không tải F
y
=F
z
= 0
Do đó F
Kng
=F
ms
= 0,081.9,8.( 800 + 500 ) = 2084,94 N
3.1.2. Chọn sơ bộ động cơ:
Việc chọn chính xác công suất động cơ truyền động là hết sức quan
trọng. Nếu như ta chọn công suất động cơ lớn hơn giá trị cần thiết thì
vốn đầu tư sẽ tăng lên, động cơ thường xuyên chạy non tải làm cho
hiệu suất và hệ số công suất thấp. nếu chọn công suất động cơ nhỏ hơn
trị số yêu cầu thì máy sẽ không đản bảo năng suất cần thiết, động cơ
thường xuyên chạy quá tải làm giảm tuổi thọ động cơ, tăng phí tổn
vận hành do phải sửa chữa nhiều.
Động cơ điện được chọn cho truyền động phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
 Yêu cầu kỹ thuật về điều chỉnh tốc độ
 Giá trị tốc độ và phạm vi điều chỉnh
 Công suất động cơ
 Các đặc tính khởi động và hãm
 Loại động cơ
 Điều khiện về môi trường và hệ thống làm mát
Đặc điểm của truyền động máy bào giường là đảo chiều với tần số lớn
momen khởi động, hãm lớn, quá trình quá độ chiếm tỷ lệ đáng kể
trong chu kỳ làm việc. Chiều dài hành trình bàn càng giảm thì ảnh
hưởng của quá trình quá độ càng tăng. Vì vậy khi chọn công suất
truyền động chính máy bào giương cần xét cả phụ tải tĩnh lẫn phụ tải

động.
Ứng với chế độ cắt gọt, xác định lực kéo tổng trên trục vít của bộ
truyền, công suất đầu trục động cơ và công suất tính toán. Lực kéo
tổng được xác định theo công thức:
( )
k z b ct y
F F G G F
µ
= + + +
Công suất đầu trục động cơ khi bắt đầu cắt: ( Công suất động cơ trong
hành trình thuận)
.
32000.20
13,16
60.1000. 60.1000.0,81
th th
th
F V
P
η
= = =
(kw)
Công suất đầu trục động cơ khi quay ngược không tải có tốc độ không
tải V
ng
=60 m/ph là:
.
2084,94.60
2,57
60.1000. 60.1000.0,81

ng ng
ng
F V
P
η
= = =
(kw)
Công suất tính toán:
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
60
. 13,16. 39,48
20
ng
tt th
th
V
P P
V
= = =
(Kw)
Ta có bảng số liệu ghi để chọn công suất động cơ máy bào giương:
V
th
(m/ph)
V
ng
(m/ph)
Lực
cắt F

z
(kN)
Lực
dọc
trục
F
y
(kN)
Tr.lượng
chi
tiết(kg)
Lực
kéo
F
k
(N)
Công suất tính
toán P
tt
(kW)
20 60 28 11.2 500 30 39.48
Dựa vào số liệu tính toán trên và bảng tra thông số kỹ thuật roto
lồng sóc của công ty cổ phần máy điện VIHEM ta chọn được động cơ
có P
dm
=45(Kw) có số thứ tự 18 trên bảng tra:
Các thông số kỹ thuật của động cơ:
Tên: 3K225M2
Công suất: P
dm

=45kw
Tốc độ: 2960( vòng/ph)
Dòng định mức: I
dm
=85(A)
Hiệu suất: 91%
Hệ số công suất:
os =0.9c
ϕ
Tỉ số momen cực đại:
ax
2.2
M
m
M
dm
=
Tỉ số momen khởi động:
1.4
M
kd
M
dm
=
Tỉ số dòng điện khởi động:
7.0
I
kd
I
dm

=
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
Cấp bảo vệ : 55
Khối lượng: 340kg
3.1.3. Kiểm nghiệm lại động cơ
• Kiểm nghiệm theo điều kiện khởi động:
Ta có
9550.
9550.45
144,7
2969
P
dm
M Nm
dm
n
dm
= = =
Suy ra
1,4. 1,4.144,7 202,6
kd dm
M M Nm= = =
Do khi bắt đầu làm việc bàn máy chỉ có lực cản là lực ma sát có độ lớn
bằng F
ms
=1939.14N
Suy ra mômen cản tĩnh trên trục động cơ:
.
1939,14.0,007

16,75
0,81
F
ms
M Nm
c
ρ
η
= = =
Như vậy động cơ đã chọn thỏa mãn điều kiện khởi động.
• Kiểm nghiệm theo điều kiện quá tải:
Kiểm nghiệm điều kiện quá tải, đối với động cơ không đồng bộ cần xét
đến hiện tượng sụt áp của lưới điện. Thông thường, cho phép sụt áp 10%,
nên mô-men tới hạn của động cơ trong tính toán kiểm nghiệm chỉ còn:
M’
th
=(90%)
2
. M
th
=0,81. M
th
Từ số liệu tra được của động cơ đã chọn ta tính được
Mô-men lớn nhất của động cơ M
max
=0,81.144,7.2,2=257,8N.m
Giá trị mô-men này lớn hơn giá trị mô-men cản lớn nhất ( định mức) khi
làm việc:
max
. 28000.0,007

241.9
0,81
z
c
F
M
ρ
η
= =
N.m
Vậy động cơ đã chọn thỏa mãn điều kiện quá tải momen.
• Kiểm nghiệm theo điều kiện phát nóng
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
Hình 6. Đồ thị tốc độ tối ưu của máy bào giương
Thời gian các khoảng t1,t4,t6,t9,t10,t12 được xác định bằng công thức
( 2 1)
j
t
Mqd Mc
ω ω
= −
−
Các khoảng thời gian t2, t3, t7 được xác định theo kinh nghiệm vận hành.
Chọn t2=t3=t7=t8=0.2(s)
Trong đó mô=men động cơ trong quá trình quá độ M
qd
được lấy bằng:
M
qd

=3.1 M
dm
Tốc độ bàn khi cắt ứng với tốc độ chạy định mức của động cơ ta có bán
kính quy đổi lực cắt về trục động cơ
V
th
ρ
ω
=
V
th
= 35/60 = 0,58(m/s)
1
2 2.3,14.2960
3
309,8( / ) 0,001
60 60 309,8
n
rad s
ω ρ
Π
= = = ⇒ = =
Để có
ρ
=0,007 ta có thể chọn hộp số có tỷ số truyền
0.007
7
0.001
i = =
Mô-men phụ tải của động cơ khi đã quy đổi về trục động cơ

3
13,16.10
42,47( )
309,8
P
th
M Nm
c
th
ω
= = =
Tốc độ vào dao chọn V
0
=5(m/ph) = 5/60=0.083 (m/s)
Do đó:
0
ω
=10.41 (rad/s)
Mô-men phụ tải động cơ khi không cắt ( hành trình ngược ):
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
60
142,8( / )
0,007
ng
ng
V
rad s
ω
ρ

= = =
2570
18( . )
142,8
n
n
g
g
c
P
M N m
ω
= = =
Mô-men quán tính của bàn máy quy đổi về trục động cơ:
J
m
=J
b
+ J
ct
(bỏ qua mô-men quán tính bộ truyền)
J
m
= (m
b
+ m
ct
).
ρ
.

ρ
= (800+500). 0,007. 0,007=0,0637 kg.m
2
Mô-men quán tính của hệ thống:
J=J
m
+ J
d
• Tính mô men trong các giai đoạn làm việc của động cơ
Trong các khoảng t1, t4,t6, t9,t10,t12 dòng điện động cơ có giá trị bằng
dòng quá độ
I
qd
=6.I
dm
=7.85=595A
Ta có
2 2
60
f
n
p
π π
ω
= =
trong đó f=50Hz; n=2960 v/ph
Suy ra số đôi cực từ 2p=2
2 2
3 9550.45 3
2 2 6

. . 2,2. .1. 85 18,7.10
' 0,2
2 2960 2
314
L L
m m
M p I H
s
th
L
r
−
= <=> = =>
Vì trong khoảng thời gian chạy thuận, mô-men động cơ không đổi và
trong quá trình chạy ngược, công suất động cơ không đổi nên ta có:
M
thuân
=M
dm
=144,7(Nm)
P
dm
M
ng
n c
uo
o
c
gu
ω

=
1
2 2
.( . . ) 142( . )M M t M t N m
ng ng
dt thuan thuan
t
ck
= + =
Từ kết quả trên ta có M
dộng cơ
>M
dt
. Vậy động cơ chọn là hoàn toàn phù
hợp
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
CHƯƠNG IV. TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ MẠCH LỰC
4.1. Tính chọn thiết bị biến đổi
Nhận xét, máy bào giương dùng trong công nghiệp sử dụng điện áp 3 pha
có Ud = 380V trong khi đó động cơ mà ta chọn dùng điện áp lớn hơn
nhiều. Do đó ta không cần điều chỉnh điện áp DC bus của đầu ra chỉnh
lưu. Do đó, mạch chỉnh lưu sẽ dùng diode và không cần mạch xung áp để
thay đổi DC bus. Khi đó, theo hướng dẫn mà nhà sản xuất ABB đưa ra,
dòng điện định mức của mỗi pha động cơ sẽ là I
dm
=5.04 A. Trên cơ sở đó
ta chọn các van phù hợp.
Mạch nghịch lưu có đầu vào là khâu trung gian một chiều, đầu ra là điện
áp bap ha nối vào động cơ. Dòng cực đại mỗi pha động cơ chính là dòng

đỉnh qua mỗi van. Bằng thuật toán điều khiển, ta có thể giới hạn dòng
điện khởi động - là dòng cực đại qua mỗi pha động cơ không vượt quá
2.5 lần dòng điện định mức. Do đó, dòng điện hiệu dụng lớn nhất qua van
I
max
=2.5 I
dm
=12.5 A
Dòng một chiều của khâu trung gian một chiều
I
d
= I
max
/0.861 = 12.6/0.0861 = 14.6 A
Dòng điện hiệu dụng qua van của mạch chỉnh lưu
I
lv
= I
d
/3 = 4,9 A
4.1.1. Chọn khối chỉnh lưu cầu 3 pha
Hình 7. Khối chỉnh lưu
- Giá trị trung bình của điện áp ra:
6
2 2 2
6
6 3 6
6 os( ) 2,34
2
d f f f

U U c d U U
π
π
θ θ
π π
−
= = ≈
∫
- Số đập mạch: n = 6
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
- Dòng trung bình qua van: I
v
=
3
d
I
- Điện áp ngược max trên van:
max 2
6
v f
U U=
4.1.2. Chọn thyristor và diode cho mạch nghịch lưu.
Hình 8. Khối nghịch lưu
Trị trung bình của dòng qua thyristor và diode là:
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
Đồ án Tổng hợp hệ điện cơ
1
( ).0,9.
3 6

I
stdm
I I
T D
k
f
π
= =
Trong đó k
f
là hệ số hạn chế dòng qua thyristor theo tần số, nó thay đổi
k
f
=0,85 tới 0,98 khi f biến thiên từ 5Hz tới 50Hz. Vì ta chỉ điều chỉnh tần
số theo chiều giảm để điều chỉnh tốc độ nâng lên f
max
=50Hz. Vậy:
1 85
.( ).0,9. 33,3
3 0,98
6
I I A
T D
π
= = =

Vậy ta chọn van có
66.6 83.5
ax
(0,4 0,5)

I
tb
I A A
tbm
>= = − >
− >
, với điều
kiện làm mát bằng quạt gió + cánh tải nhiệt.
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van:
Theo lý thuyết thì :
. ax
U U U U
ng m co ab c
= = + ∆
ta sử dụng công thức kinh
nghiệm sau:
( 1). 6.
v ba u f
U K K U= +
Trong đó. K
ba
là tỷ số truyền của MBA, ở đây ta không sử dụng máy biến
áp nên K
ba
=1.
Ku=1,3:1,4. Ta chọn Ku=1,4 để an toàn bảo đảm chuyển mạch chắc chắn.
f
U
+
là điện áp pha động cơ khi fmax =50Hz. (Uf=220V). Do đó.

Uv=(1.3+1)
. 6.220 1239V=
vậy ta chọn van có
1239
1.6
. ax
0,7 0,7
U
vthuc
U kV
ng m
≥ = =
Từ kết quả trên ta tra sổ tay linh kiện ta chọn các thyristor và diode sử
dụng trong sơ đồ các thông số như sau:
Thyristor loại DK-10 do hang Thomson chế tạo
I
hd
(A) U
i.m
(kV) I
g
(A) U
g
(V)
t
off
(µs) du/dt (V/µs) di/dt (A/µs)
100
0,2 ÷ 1,6
0,15 2 40 200 200

Diode loại 130EPSI0 cũng của hang Thomson
Mã hiệu I
tb.,max
(A) U
im
(V)
∆U (V)
I
r
(A) I
th
(A) T
cp
(
0
C)
130EPS16S 130 1800 1,1 100 40 150
Hà Đức Nhã. TĐH1 – K52
ỏn Tng hp h in c
4.1.3. Chn t cho khõu trung gian
Khi lc cú chc nng san bng nhp nhụ in ỏp u ra ca b chnh lu
thc hin chc nng ngun ỏp cho b nghch lu.
Khõu trung gian mt chiu l t cú dung lng ln. Thng chn theo
kinh nghim v theo cụng sut ti: c 1W thỡ ng vi 1 2.10^-6 F dung
lng t
Cụng sut m nghch lu cn cp cho ng c ó tớnh trờn suy ra cn
chn t cú in dung c khong 2530 5060u. Tuy nhiờn, t thng
c ch to theo cp 1000, 2200, 3300u, do ú õy ta chn t cú
in dung 3300u l c.
4.2. Chn mỏy phỏt tc

Mỏy phỏt tc l thit b o tc trong h truyn ng. Mch nguyờn lý
o tc bng mỏy phỏt tc mt chiu:
Mỏy phỏt tc c lp trc ng c. Khi trc ng c quay thỡ roto ca
mỏy phỏt tc cng quay phớa stato ca mỏy phỏt tc s cú in ỏp tng
ng. Khi từ thông máy phát tốc không đổi điện áp đầu ra máy phát tốc:
U

=K

.
Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền máy phát tốc:
( )
( )
( ) 1
U p K
F p
FT
p pT



= =
+
Trong đó: K


hệ số khuếch đại K

= U

/
Chọn máy phát tốc loại T4005 có điện áp đầu ra tỉ lệ tuyến tính với .
U

= 10V khi = 1000 rpm = 104,72 rad/s => K

= 0,0955.
H c Nhó. TH1 K52