Thiết kế hệ thống truyền động ăn dao máy tiện

Mục lục
Lời nói đầu
Đất nước ta đang bước vào thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa, khoa học kỹ
thuật ngày càng phát triển, nhiều thành tựu mới đã được áp dụng vào lĩnh vực công
nghệ sản xuất, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng, kỹ thuật của quá trình
sản xuất và giảm nhẹ cường độ lao động. Việc tăng năng suất máy và giảm giá
thành thiết bị là hai yếu tố của hệ truyền động điện hay một cơ cấu nào đó là rất
khó khăn.
Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó và cùng với những kiến thức đã được học,
nhóm em đã chọn đồ án môn học với đề tài : “ Thiết kế hệ thống truyền động ăn
dao máy tiện”
Đề tài bao gồm 4 chương lớn:
Chương 1: Yêu cầu về công nghệ và truyền động cho máy tiện
Chương 2: Tính toán chọn động cơ
Chương 3: Lựa chọn phương án truyền động và tính toán mạch
Chương 4 : Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
Chương 5: Xây dựng cấu trúc hệ truyền động và mô phỏng
Trong thời gian làm đồ án vừa qua, với sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của cô
giáo Nguyễn Thị Liên Anh, em đã hoàn thành xong bản đồ án môn học này.
1
Trong quá trình thiết kế đồ án, với kiến thức còn hạn chế, nên bản đồ án của
em không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy em rất kính mong nhận được sự góp
ý bổ sung của các thầy, cô giáo để đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày 10 tháng 6 năm 2014

Chương I : Yêu cầu về công nghệ và truyền động cho
máy tiện
I. Yêu cầu công nghệ.
1. Đặc điểm công nghệ.
1.1. Công dụng của 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 được nhiều công nghệ tiện khác nhau như :
tiện trụ ngoài, tiện trụ trong, tiện mặt cầu,tiện định hình.
2
Trên máy tiện cũng có thể thực hiện doa, khoan và tiện ren, bằng các dao
cắt, dao doa, taro ren
Kích thước gia công trên máy tiện có thể từ cỡ vài milimet đến hàng chục
mét.
Hình 1.1. Dạng bên ngoài của máy tiện
Dạng bên ngoài của máy tiện như hình trên. Trên thân máy 1 đặt ụ trước
2, trong đó có trục chính quay chi tiết. Trên gờ trượt đặt bàn dao 3 và ụ sau
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 quá trình gia công,
hoặc để giá mũi khoan, mũi doa khi khoan, doa chi tiết.
1.2. Truyền động ăn dao của máy tiện.
Biểu thức tổng quát đặc tính cơ của máy tiện :
M
c
= M
c0
+ (M
c.đm
– M
c0
).()
q
.
Trong đó : - M
c0

là momen ứng với tốc độ w = 0.
- M
c
là momen khi máy có tốc độ w
c
.
- M
c.đm
momen ứng với tốc độ định mức.
Ứng với truyền động ăn dao thì q = 0, tức là M
c
= M
c.đm
= const.
Từ đây ta vẽ được đặc tính cơ của truyền động ăn dao :
3
Hình 1.2. Đặc tính cơ của truyền động ăn dao.
2. Đồ thị phụ tải.
Lực ăn dao của truyền động ăn dao được xác định theo công thức:
F
ad
=kF
x
+ F
ms
+ F
d
, [N]
Công suất ăn dao của máy tiện được xác định bằng công thức:
P

ad
= F
ad
.v
ad
.10
-3
, [kW]
Công suất ăn dao thường nhỏ hơn công suất cắt 100 lần vì tốc độ ăn dao
được xác định bởi lượng ăn dao và tốc độ góc chi tiết:
v
sd
= s’. ω
ct
.10
-3
, [m/s]
nhỏ hơn tốc độ cắt nhiều lần.
Lực và mômen phụ tải của truyền động ăn dao không phụ thuộc vào tốc độ
của nó, vì phụ tải của truyền động ăn dao chỉ được xác định bởi khối lượng
bộ phận di chuyển của máy và lực ma sát ở gờ trượt và ở hộp tốc độ.
Trong thực tế, ở vùng tốc độ thấp , lượng ăn dao nhỏ ,nên lực cắt bị giới
hạn bởi chiều sâu cắt tới hạn, do đó trong vùng này khi tốc độ ăn dao giảm ,
lực ăn dao và momen cũng giảm theo. Ở tốc độ cao, tốc độ cắt của truyền
động chính lớn, nếu giữ F
ad
lớn như cũ thì công suất truyền động sẽ rất lớn.
Do đó cho phép giảm nhỏ lực ăn dao trong vùng này, momen truyền động ăn
dao cũng giảm theo. Từ đó ta vẽ được đồ thị đặc tính phụ tải của truyền
động ăn dao.

4
Hình 1.3. Đồ thị phụ tải của truyền động ăn dao.
Ở dải tốc độ rộng v
1
<v<v
2
momen phụ tải là hằng số, ở vùng tốc độ v<v
1

và v>v
2
momen phụ tải sẽ thay đổi tuyến tính theo tốc độ.
II. Yêu cầu về truyền động.
- Truyền động ăn dao cần phải đảo chiều quay để đảm bản ăn dao hai
chiều. Đảo chiều bàn dao có thể thực hiện bằng đảo chiều động cơ điện
hoặc dùng khớp li hợp điện tử. Phạm vi điều chỉnh tốc độ của truyền
động ăn dao thường là D = (50 ÷ 300)/1 với độ trơn điều chỉnh φ = 1,06
và 1,26 và mô men không đổi ( M = const).
- Truyền động ăn dao là liên tục, động cơ chạy theo chế độ dài hạn.
- Ở chế độ xác lập, độ sai lệch tĩnh yêu cầu nhỏ hơn 5% khi phụ tải thay
đổi từ không đến định mức. Động cơ cần khởi động và hãm êm. Tốc độ
di chuyển bàn dao của máy tiện cỡ nặng và máy tiện đứng cần liên hệ với
tốc độ quay chi tiết để đảm bảo giữ nguyên năng lượng ăn dao.
Truyền động ăn dao thường có phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, nên động cơ cần
được kiểm tra theo điều kiện momen cản tĩnh ở tốc độ nhỏ nhất có tính đến sự
giảm momen động cơ do điều kiện làm mát xấu và kiểm tra theo điều kiện momen
khởi động.
5
Chương 2 : Tính toán chọn động cơ
I. Thông số động cơ.

Lực ăn dao
(F
ad
)
Tốc độ ăn dao
(V
ad
)
Bán kính
quy đổi (ρ)
Hiệu
suất (ղ)
Momen quán tính
cơ cấu (J)
600 (N) 0.049 ÷470(m/ph) 0.049 (m) 80% 0.01 (Kg.m
2
)
II. Chọn động cơ.
1. Chọn loại động cơ.
Động cơ một chiều kích từ độc lập Động cơ không đồng bộ
Ưu điểm :
- Điều chỉnh tốc độ dễ dàng.
- Cấu trúc mạch lực , mạch điều
khiển đơn giản.
- Chất lượng điều chỉnh cao
trong dải điều chỉnh tốc độ
rộng.
Nhược điểm :
- Phải có bộ chỉnh lưu điện áp
lưới thành điện áp một chiều.

Ưu điểm :
- Cấu tạo đơn giản, giá thành
hạ, vận hành tin cậy chắc
chắn.
- Có thể sử dụng trực tiếp nguồn
xoay chiều.
Nhược điểm :
- Điều khiển tốc độ khó khăn
hơn động cơ một chiều.
- Các chỉ tiêu khởi động xấu
hơn động cơ một chiều.
So sánh ưu điểm và nhược điểm của 2 loại động cơ trên ,ta chọn sử dụng động cơ
điện một chiều kích từ độc lập.
2. Tính toán và chọn động cơ.
2.1. Tính toán công suất động cơ.
• Công suất ăn dao của máy tiện :
P
ad
= F
ad
. V
ad
. 10
-3
(kW)
F
ad
= 600 (N), V
ad.min
= 0,049 (m/phút) ; V

ad.max
= 470(m/phút).
 Công suất ăn dao :
6
P
ad.max
= 600. .10
-3
= 4,7 (kW)
P
ad.min
= 600. .10
-3
= 4,9.10
-4
(kW)
Vậy công suất động cơ là:
P
Đtt
= P
ad.max
/ ղ = = 5,875 (kW).
Chọn động cơ có công suất định mức P
Đ.đm
≥ (1,1 ÷ 1,3) P
Đtt
.
 Chọn P
Đ.đm
= 1,3 . 5,875 = 7,6375 (kW)

2.2. Tính toán tốc độ động cơ.
- Tốc độ ăn dao nhỏ nhất :V
ad.min
= 0,049 (m/phút) ;
- Tốc độ ăn dao lớn nhất : V
ad.max
= 470(m/phút) ;
- Bán kính qui đổi là ρ = V
ad
/ W
Đ
= 0,049 (m)
• Tốc độ động cơ nhỏ nhất là :
Đtt.min
= = 0,0167 (rad/s)
• Tốc độ động cơ lớn nhất là :
Đtt.max
= = 159,864 (rad/s)
 Tốc độ lớn nhất : n
max
= 159,864.9,55 = 1527 (vòng /phút)
• Momen qui đổi về trục động cơ :
M
cqđ
= = = 36,75 (N.m)
• Từ các số liệu tính toán trên ta chọn được động cơ phù hợp :
Tên động cơ Công suất định
mức (P
đm
)

Tốc độ cho phép
cực đại (n
max
)
Dòng định
mức (I
đm
)
Điện áp định
mức (U
đm
)
π52 8 (Kw) 1500 (v/ph) 43,5 (A) 220 (V)
7
Chương 3 : Lựa chọn phương án truyền động và
tính toán mạch
I. Phương án truyền động.
Sử dụng hệ truyền động chỉnh lưu Tiristor – động cơ : T-Đ.
Công suất động cơ P
đm
= 8(kW) , U
đm
= 220(V) nên chọn hệ chỉnh lưu
cầu ba pha.
Hình 3.1a: Mạch chỉnh lưu cầu ba pha
8
Hình 3.1b: Giản đồ điện áp – dòng điện.
Chỉnh lưu cầu ba pha dùng các van bán dẫn T
1
, T

3
, T
5
là các tiristor nhóm
catot chung, T
2
T
4
T
6
nhóm anot chung. Động cơ được điều khiển bằng
cách thay đổi góc mở α của hệ để thay đổi điện áp ra phần ứng của động
cơ. Góc mở α được tính từ giao điểm các nửa hình sin.
Giả thiết T
5,
T
6
đang dẫn nên V
F
= U
c
, V
G
= U
b
Tại = π/6 + α cho xung điều khiển để mở T
1
, tiristor này sẽ mở vì U
a

>0. Sự mở T
1
làm cho T
5
bị khóa một cách tự nhiên vì U
a
> U
c
, lúc này
T
6
và T
1
dẫn và điện áp trên tải U
d
= U
a
– U
b
Tại = 3π/6 + α cho xung điều khiển để mở T
2
, tiristor này sẽ mở vì khi
T
6
dẫn thì có điện áp U
b
tác dụng lên anot của T
2
mà U
b

> U
c
. Sự mở T
2

9
làm cho T
6
bị khóa một cách tự nhiên , lúc này T
1
và T
2
dẫn và điện áp
trên tải U
d
= U
a
– U
c
Tại = 5π/6 + α lúc này ta có U
b
> U
a
, U
c
cho xung mồi mở T
3
, tiristor
này sẽ mở vì U
b

>0. Sự mở T
3
làm cho T
1
bị khóa lại một cách tự nhiên
vì U
b
> U
a,
lúc này T
3
và T
2
dẫn và điện áp trên tải U
d
= U
b
– U
c
Tại = 7π/6 + α lúc này ta có U
b
> U
a
, U
c
cho xung mồi mở T
4
, tiristor
này sẽ mở vì khi T
2

dẫn thì có điện áp U
c
tác dụng lên anot của T
4
mà U
c

> U
a
. Sự mở T
4
làm cho T
2
bị khóa một cách tự nhiên , lúc này T
3
và T
4

dẫn và điện áp trên tải U
d
= U
b
– U
a
Tại = 9π/6 + α lúc này ta có U
c
> U
a
, U
b

cho xung mồi mở T
5
, tiristor
này sẽ mở vì U
c
> 0. Sự mở T
5
làm cho T
3
bị khóa một cách tự nhiên vì
U
c
> U
b
, lúc này T
4
và T
5
dẫn và điện áp trên tải U
d
= U
c
– U
a
Tại = 11π/6 + α lúc này ta có U
c
> U
a
, U
b

cho xung mồi mở T
6
, tiristor
này sẽ mở vì khi T
4
dẫn thì có điện áp U
a
tác dụng lên anot của T
6
mà U
a

> U
b
. Sự mở T
6
làm cho T
4
bị khóa một cách tự nhiên , lúc này T
5
và T
6

dẫn và điện áp trên tải U
d
= U
c
– U
b.
10

II. Tính toán mạch.
1. Mạch lực.
1.1. Tính toán tham số máy biến áp lực.
Điện áp một chiều ra tải định mức :
U
dđm
= U
Ddm
+ ∑∆U
v
+ ∆U
ba
+ ∆U
L
Trong đó :
+ U
Ddm
= 220V.
+ ∆U
v
là sụt áp trung bình trên các van bán dẫn. Trong 1 chu kỳ
có 2 van dẫn nên phải tăng gấp đôi ∆U
v
= 2.1,8 = 3,6V
+ ∆U
ba
là sụt áp trên máy biến áp, thường khoảng (5 ÷ 10%)U
tải,đm
Chọn ∆U
ba

= 6% U
Ddm
= 13,2V là sụt áp trên máy biến áp.
- + ∆U
L
là sụt áp trên cuộn kháng lọc, thường khoảng (5 ÷ 10%)U
tải,đm
.
Chọn ∆U
L
= 2%U
Ddm
= 4,4V là sụt áp trên cuộn kháng lọc.
Từ đó, điện áp một chiều sau chỉnh lưu tính được :
U
dđm
= 220 + 2.1,8 + 13,2 + 4,4 = 241,2 (V).
Do là chỉnh lưu cầu ba pha nên :
U
dđm
= 2,34U
2
cosα
min
.
Chọn α
min
= 15
o
, do đó điện áp thứ cấp định mức máy biến áp

bằng :
U
2
= = 106,7V.
Ta có : P
d
= U
dđm
.I
d
= 241,2. 43,5 = 10492,2(W)
Công suất biểu kiến của biến áp :
S
ba
= 1,05P
d
= 1,05.10492,2= 11016,81(VA).
Biến áp nguồn đấu theo kiểu Y/Y,điện áp pha thứ cấp U
1
=220V
Hệ số máy biến áp :
= 2,06
Trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp :
I
2
= 0,816I
d
= 0,816.43,5 = 35,496 A.
Dòng điện cuộn sơ cấp :
I

1
= I
2
/k
ba
= 35,496 /2,06 = 17,23 A.
1.2. Tính toán mạch lọc.
Sau chỉnh lưu, nhất thiết phải có bộ lọc để san bằng độ đập
mạch (hay lọc loại bỏ thành phần xoay chiều ) của điện áp
chỉnh lưu đến mức cần thiết mà tải yêu cầu. Mục đích của việc
tính toán bộ lọc là xác định các trị số cần thiết của điện cảm lọc
và tụ điện lọc sao cho thỏa mãn hệ số đập mạch cho trước đồng
thời hiệu chỉnh để có kích thước vừa phải.
11
Hình 3.2a. Bộ lọc điện cảm
Sử dụng lọc điện cảm mắc nối tiếp với tải. Lọc điện cảm rất
phù hợp với loại tải công suất lớn, vì công suất càng lớn thì
điện trở tải R
t
sẽ càng nhỏ và dễ dàng thực hiện điều kiện lọc tốt
là X
L
>> R
t
. Các bộ lọc một chiều thường dùng hệ số san bằng
k
sb
để đánh giá hiệu quả của bộ lọc :

Trong đó :

+ là hệ số đập mạch đầu vào, thường là của sơ đồ chỉnh lưu.
+ là hệ số đập mạch đầu ra. Đặc trưng cho khả năng giảm độ
đập mạch của bộ lọc. Vì bộ lọc phải có tác dụng giảm độ đập
mạch do đó phải có k
đmr
<k
đmv
, nghĩa là bộ lọc có k
sb
càng lớn thì
càng hiệu quả.
Khi đó hệ số san bằng :
Do là chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển nên hệ số k
đmv
phụ thuộc vào
góc điều khiển . Góc càng tăng thì biên độ thành phần sóng hài bậc cao
càng lớn, nghĩa là đập mạch của điệp áp, dòng điện tăng lên. Sự đập
mạch này làm xấu đi chế độ chuyển mạch của vành góp, đồng thời gây ra
tổn hao phụ dưới dạng nhiệt trong động cơ. Vì vậy để bộ lọc là tốt nhất
thì k
đmv
sẽ được tính toán dựa vào góc
max
.
Dựa vào thông số đề bài ta tính được phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ
thống :
D = = = 9592.
12
D: là phạm vi điều chỉnh tóc độ mà ta có thể điều chỉnh được tại giá trị
phụ tải là định mức

Với V
admax
, V
admin
lần lượt là tốc độ ăn dao lớn nhất và nhỏ nhất của máy
tiện.
Mặt khác : D = D
cơ
. D
điện
.
Trong đó : D
cơ
là phạm vi điều chỉnh cơ, theo bài D
cơ
= 100/1
D
điện
là phạm vi điều chỉnh điện của động cơ. D
điện
=
- là tốc độ động cơ lớn nhất, ứng với
- là tốc độ động cơ nhỏ nhất, ứng với
Khi góc mở nhỏ nhất α = α
min
thì điện áp trên tải lớn nhất:
U
dmax
= 2,34U
2

cos
min
= U
dđm
lúc này tương ứng với tốc độ động cơ
sẽ lớn nhất.
Khi góc mở lớn nhất α = α
max
thì điện áp trên tải nhỏ nhất:
U
dmin
= 2,34U
2
cos
max
(*) và lúc này tương ứng với tốc độ động cơ
sẽ nhỏ nhất.
D
điện
= = =
= = = 1,64 (rad/s).
Theo phương trình đặc tính cơ :
=
k = = = 1,33Wb.
U
Dmin
= (k). + R
ư
.I
udm

= 1,33.1,64 + 0,269.43,5 = 13,88V
Từ đây ta tính được điện áp phía một chiều nhỏ nhất :
U
dmin
= U
Dmin
+ = 13,88 + 25,6 = 39,48V.
Từ (*) , ta được :
13
Cos
max
= = = 0,15
Dựa vào cos
max
ta tính được hệ số đập mạch tương đối k
*
dm
= 0,34
Hệ số đập mạch vào :
k
đmv
= k
*
dm
. = = 2,67.
Chọn k
dmr
= 0,5. Ta tính được hệ số san bằng :
k
sb

= = 5,34.
Giá trị của điện cảm lọc :
L = (H) nếu k
sb

Trong đó :
+ R
t
là tổng trở tải.
R
t
= = = 5,54 Ω
+ m
đm
là số lần đập mạch trong một pha của điện áp chỉnh lưu, với chỉnh lưu
cầu ba pha ta chọn m
đm
= 6.
+ = 2πf = 2.π.50 = 314(rad/s).
Vậy điện cảm cuộn kháng lọc là :
L = .5,34 = 0,016(H) = 16(mH)
1.3. Tính chọn van mạch lực.
1.3.1. Theo chỉ tiêu dòng điện.
Chọn van theo nguyên tắc
I
v
> k
iv
.I
tbv

Trong đó: I
v
– dòng trung bình của van được chọn;
K
iv
– hệ số lưu trữ về dòng điện cho van.
I
tbv
= I
đm
/ 3 = 43,5 /3 =14,5 (A)
K
iv
= 1,2 ÷ 1,4. Chọn k
iv
= 1,3
Từ đó ta được : I
v
> 18,85 (A).
1.3.2. Theo chỉ tiêu điện áp.
Điện áp của van phải thỏa mãn điều kiện :
U
v
> k
uv
.U
ngmax
.
14
Trong đó: k

uv
– hệ số dự trữ về điện áp cho van
k
uv
= 1,7 ÷ 2,2.
Chọn k
uv
= 1,8 ( do thực tế điện áp lưới điện không ổn định)
.U
2max
= . 1,1 . = 253,3 (V).
Từ đó ta được : U
v
> 455,94 (V)
Từ 2 thông số trên ta chọn được Thyristo : NO18RH08 có
U
ngmax
(V) I
đmmax
(A) U
g
(V) I
g
(mA) ∆U (V)
800 21 3 100 1,5
1.4. Tính toán bảo vệ mạch lực.
1.4.1. Bảo vệ quá dòng.
Bảo vệ quá dòng ngắn hạn sử dụng cầu chì thỏa mãn :
I
cc

= 1,1I
v
= 1,1.21 = 23,1 (A).
Chọn cầu chì GSGB25 có I
đm
= 25A.
1.4.2. Bảo vệ quá áp.
+ Bảo vệ quá áp do phía nguồn xoay chiều gây ra.
Chọn varistor V420LA10 có U
đm
= 420(VAC) và U
bảo vệ max
=
1120(V).
+ Bảo vệ các xung áp trên van.
Sử dụng mạch RC mắc song song với van và đặt càng gần van
càng tốt sao cho dây nối ngắn tối đa.
R khoảng vài chục đến 100Ω, chọn R= 40Ω.
C từ 0,1 đến 2µF, chọn C = 1,5 µF.
2. Mạch điều khiển.
2.1. Cấu trúc mạch điều khiển
Mạch điều khiển bao gồm các khâu:
- Khâu đồng bộ (ĐB)
- Khâu tạo điện áp tựa (U
tựa
)
- Khâu so sánh (SS)
- Khâu tạo xung (TX)
- Khâu khuếch đại xung (KĐX)
15

Hình 3.2b. Giản đồ cấu trúc mạch điều khiển
Khâu U
tựa
tạo ra điện áp tựa cố định ( thường có răng cưa, đôi khi có
dạng hình sin) theo chu kỳ do nhịp đồng bộ của U
đb
. Khâu so sánh (SS)
xác định điểm cân bằng của 2 điện áp U
tựa
và U
đk
để phát động khâu tạo
xung(TX).
- Khâu đồng bộ ( hay đồng pha)
Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa đồng bộ với điện áp lưới, cho phép xác
định được góc điều khiển α.
- Khâu tạo điện áp tựa.
+ Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa dạng thích hợp sao cho trong mỗi nửa
chu kì của điện áp cần chỉnh lưu đều có dạng điện áp ra theo quy luật
giống nhau.
+ Có 2 dạng điện áp tựa:
Dạng răng cưa: Răng cưa sườn trước; răng cưa sườn sau
Dạng hình sin: Dạng hình sin cho điện áp chỉnh lưu tuyến tính với
điện áp điều khiển nhưng có nhược điểm là phụ thuộc vào lưới điện và bị
nhiễu theo nguồn. Trong thực tế người ta hay dùng điện áp tựa dạng hình
răng cưa hơn.
- Khâu so sánh
Thực hiện nhiệm vụ so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển để phát
động tạo xung có độ rộng thích hợp điều khiển tới van.
- Khâu tạo xung

Vì xung dương sau khối so sánh là một xung vuông có độ rộng kéo dài
từ khi xuất hiện cho đến hết nửa chu kì đang xét của điện áp chỉnh lưu,
xung này chưa thích hợp để mở thysistor. Do vậy khâu tạo xung này có
nhiệm vụ:
+ Chế biến xung ra thành dạng thích hợp cho việc mở thysistor ( dạng
xung kim đơn hoặc xung chùm)
+ Khuếch đại đủ công suất mở thysistor
+ Chia xung cấp cho các thysistor
- Khâu khuyếch đại xung
Có nhiệm vụ khuyếch đại để đảm bảo về:
+ Độ lớn của xung
+ Công suất xung điều khiển
+ Cách ly mạch lực với mạch điều khiển.
2.2. Nguyên tắc điều khiển
16
0
α
π
π
2
ω
ω
0
uđf
- Có 2 hệ điều khiển chỉnh lưu cơ bản là hệ đồng bộ và hệ không đồng bộ.
• Hệ đồng bộ: Trong hệ đồng bộ góc mở
α
luôn được xác định, xuất phát từ
một thời điểm cố định của điện áp mạch lực. Vì vậy trong mạch điều khiển
phải có một khâu thực hiện nhiệm vụ này gọi là khâu đồng bộ hay đồng pha

để đảm bảo mạch điều khiển hoạt động theo nhịp của mạch lực.
Hệ đồng bộ có:
+ Nhược điểm là nhạy với nhiễu
+ Ưu điểm là hoạt động ổn định và dễ thực hiện.
• Hệ không đồng bộ: Trong hệ này góc
α
không xác định theo điện áp lực mà
được tính dựa vào trạng thái của tải chỉnh lưu và vào góc điều khiển của lần
phát xung mở van trước đấy.
Do đó hệ không đồng bộ có:
+ Ưu điểm : Mạch điều khiển này không cần khâu đồng bộ, có khả
năng chống nhiễu tốt hơn hệ đồng bộ vì hệ đồng bộ được điều khiển theo
mạch vòng kín.
+ Nhược điểm: Chỉ thực hiện điều khiển ở trong mạch vòng kín, có độ
ổn định kém hơn hệ đồng bộ.
- Với những đặc điểm đó, em lựa chọn hệ điều khiển đồng bộ để thực hiện điều
khiển mạch chỉnh lưu.
- Hệ điều chỉnh đồng bộ có thể được điều khiển thông qua nguyên tắc điều khiển
thẳng đứng tuyến tính
17
- Nguyên lý hoạt động :
+ Dùng 2 điện áp : U
RC
,

U
đk
 Điện áp răng cưa (U
RC
) có dạng tuyến tính được động bộ từ lưới điện,

và thông thường thời điểm tạo điện áp răng cưa trùng với thời điểm
chuyển mạch tự nhiên.
 Điện áp điều khiển (U
đk
)là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được
biên độ .
+ Điện áp răng cưa (U
RC
) và điện áp điều khiển (U
đk
) được đưa vào bộ so
sánh, khi U
RC
= U
đk
sẽ có xung điều khiển mở thông Thyristor.
+ Bằng cách thay đổi điện áp điều khiển U
đk
ta có thể điều chỉnh được thời
điểm phát xung điều khiển mở Thyristor ( tức là điều khiển góc mở α (α = Π
U
U
RC
dk
max
) để xác định U
đk
)
 U
đk

= U
RC max
khi α = Π
 U
đk
= 0 khi α = 0
+ Thường chọn: U
RCmax
= U
đkmax
=10V
- Nhận xét:
Ta xây dựng mạch điều khiển dựa trên nguyên tắc : “điều khiển thẳng đứng
tuyến tính” (điều khiển dọc) vì đây là phương pháp phổ biến.
18
2.3. Các khâu trong mạch điều khiển.
2.3.1. Khâu đồng bộ.
- Có 2 chức năng :
+ Đảm bảo quan hệ về góc pha cố định với điện áp của van lực
nhằm xác định điểm gốc để tính góc điều khiển
+ Hình thành điện áp có dạng phù hợp làm xung nhịp cho khâu tạo
điện áp tựa phía sau nó
- Theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính ta tạo ra điện áp U
đf
là
điện áp răng cưa sườn thẳng sao cho trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp cần chỉnh
lưu đều có điện áp đồng pha thay đổi theo quy luật giống nhau.
- Mạch tạo tín hiệu đồng bộ: Để tạo tín hiệu đồng bộ với điện áp cần chỉnh
lưu ta có thể dùng chỉnh lưu hình tia kết hợp biến áp điểm giữa
Hình Mạch tạo xung nhịp đồng bộ

- Ưu điểm của mạch tạo xung đồng bộ bằng biến áp điểm giữa kết hợp với chỉnh
lưu:
+ Chuyển đổi điện áp lực thường có giá trị cao sang giá trị phù hợp với
mạch điều khiển thường là điện áp thấp.
19
+ Cách ly hoàn toàn về điện giữa mạch điều khiển cới mạch lực. Điều này
đảm bảo an toàn cho ngưới sử dụng cũng như các linh kiện điều khiển.
+ Khuyếch đại thuật tóan giúp chuẩn hóa dạng xung đồng bộ đồng thời biến
trở R
x1
giúp điều chỉnh độ rộng xung.
Do vậy để tạo ra điện áp tựa đồng bộ với điện áp lưới ta sử dụng biến áp có điểm
giữa kết hợp với chỉnh lưu.
- Nguyên lý hoạt động:
+ Điện áp xoay chiều 220 V được đưa vào cuộn sơ cấp máy biến áp đồng
pha (sử dụng máy biến áp điểm giữa) qua mạch chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ.
Điện áp chỉnh lưu U
cl
được đưa tới cửa (+) của khuếch đại thuật toán OA để so
sánh với điện áp U
ng
lấy từ biến trở P
1
,
 Nửa chu kỳ đầu U
ba
>0 và U
ba
'
< 0 ⇒ D

1
dẫn.
 Nửa chu kỳ sau U
ba
<0 và U
ba
' > 0 ⇒ D
2
dẫn.
+ Điện áp U
cl
được đưa vào cổng (+) so sánh với điện áp U
ng
đưa vào cực (-)
của khuếch đại thuật toán.
Điện áp đồng bộ tuân theo quan hệ :
U
db
= A
0
(U
+
- U
-
) = A
0
(U
cl
– U
ng

).
 Nếu U
cl
< U
ng
thì U
db
= - U
bh
(V)
 Nếu U
cl
> U
p
thì U
db
= +U
bh
(V)
+ Điện áp ra U
db
là xung đồng bộ có dạng xung chữ nhật.
+ Điều chỉnh P
1
để thay đổi điện áp U
ng
đưa vào cực (-) từ đó thay đổi độ
rộng xung của xung đồng bộ. Ta điều chỉnh biến trở P
1
để độ rộng xung âm là

nhỏ nhất.
2.3.2. Khâu tạo điện áp tựa.
Dùng khuếch đại thuật toán tạo điện áp răng cưa tuyến tính hai nửa chu kì.
20
- Nguyên tắc để tạo ra xung răng cưa là dựa trên quá trình phóng nạp của tụ
Ta dùng mạch tạo điện áp răng cưa như sau:
Hình Mạch tạo xung răng cưa hai nửa chu kỳ bằng khuếch đại thuật toán
- Nguyên lý hoạt động:
+ Khi U
db
< 0 thì D
3
dẫn, dòng từ đất, qua cổng (+) của khuếch đại thuật
toán, qua tụ C đi về D3, đồng thời dòng đi qua R
3
. Do R
2
rất nhỏ so với R
3
nên
dòng qua R
3
coi như không đáng kể so với R
2
. Như vậy điện áp tụ C sẽ nạp theo
công thức
U
rc
= U
C

=
∫
−
t
tc
di
C
0
.
1
=
d
t
t
R
E
C
∫
−
−
0
)(
1
21
Như vậy điện áp trên tụ C tăng trưởng tuyến tính tạo nên sườn lên của xung
răng cưa.
+ Khi U
db
> 0 thì D
3

khoá, dòng qua R
2
bằng 0, lúc này có dòng qua R
3
, qua tụ,
ngược chiều so với dòng lúc U
db
<0 nên tụ C phóng điện. Nên điện áp tụ giảm dần
về 0 rồi xuống âm. DZ dẫn theo chiều thuận như các diode thông thường giữ cho
điện áp ở giá trị xấp xỉ, sụt áp trên diode bằng -0,7V.
2.3.3. Khâu so sánh.
Có chức năng so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa để định thời điểm
phát xong điều khiển để định góc mở α, thông thường đó là thời điểm khi hai điện
áp này bằng nhau.
- Để so sánh các tín hiệu tương tự, có thể dùng Tranzitor hoặc khuếch đại
thuật toán (OPAM).
- Khuếch đại thuật toán có các ưu điểm sau:
+ Điện trở vào vô cùng lớn: R
v
= ∞ (thực tế R
v
= 10
6
đến 10
9
Ω) nên không
gây ảnh hưởng đến điện áp đưa vào so sánh , nó có thể tách biệt hoàn toàn chúng
để không gây tác động sang nhau .
+ Tầng vào của Opam thường là loại khuyếch đại vi sai , mặt khác có nhiều
tầng nên hệ số khuyếch đại rất lớn. Hệ số khuếch đại k = ∞ (thực tế k = 10

6
). Vì thế
độ chính xác so sánh rất cao , độ trễ không quá vài micro giây. Điện trở ra R
r
= 0
(thực tế R
r
= 0 đến 200Ω).
+ Thời gian chuyển từ - U
bh
đến+ U
bh
bằng 0 (thực tế là vô cùng nhỏ).
- Do U
đk
dùng trong mạch điều khiển không âm nên ta chọn mạch so sánh hai cửa
dùng khuếch đại thuật toán OA
22
- Nguyên lý hoạt động:
+Điện áp răng cưa U
rc
được đưa vào cửa (-) của khuếch đại thuật toán, còn
điện áp điều khiển U
đk
được đưa vào cửa (+). Khi đó điện áp ra là:
U
ra
= k
0
(U

đk
- U
rc
).
+ Khi U
đk
> U
rc
thì điện áp ra là dương bão hoà U
ss
= U
ra
= +U
bh
+ Khi U
đk
< U
rc
thì điện áp ra là âm bão hoà. U
ss
= -U
bh
2.3.4. Khâu tạo xung chùm.
Sau khâu so sánh ta đã nhận được xung có sườn dốc đứng,nhưng độ rộng
xung lớn và thường phụ thuộc vào góc điều khiển.Tại một thời điểm bất kỳ,dòng
phải chảy qua ít nhất là hai van, một thuộc nhóm catôt chung, một thuộc nhóm
anôt chung,vì vậy,nếu điều khiển các tiristo bằng các xung ngắn thì sơ đồ sẽ không
khởi động được hoặc không làm việc được trong chế độ dòng gián đoạn.Trong
thực tế vấn đề này được giải quyết bằng một khâu tạo xung kép hoặc xung
chùm.Dưới đây trình bày về phương pháp tạo xung chùm bằng cách cho AND tín

hiệu sau khâu so sánh với nguồn tạo xung chùm.
23
Khâu tạo xung trùm.
2.3.5. Mạch khuếch đại xung.
Sử dụng khuếch đại xung ghép biến áp xung, đây là phương pháp ghép thông
dụng nhất hiện nay vì dễ dàng cách ly điều khiển và lực.
+ Hệ số khuếch đại dòng K
I
= I
g
/I
v
. Do đó, K
I
rất lớn, trong khoảng (100÷200A),
mà các tầng khuếch đại thường có hệ số khuếch đại β<100 nên KĐX thường gồm
2 tầng khuếch đại. - Xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé cỡ 10 ÷ 200 µs , trong
khi đó thời gian mở thông Thyristor dài, điều này sẽ làm cho công suất tỏa nhiệt
của Transitor lớn và kích thước biến áp xung lớn . Để khắc phục ta sửa các xung
vuông thành dạng xung kim bằng cách nối thêm tụ C
2
.
- Điện áp trên tụ :

).21.(
)(
e
U
t
u

bh
c
Χ
−
−
=
τ
; với
CR.=
τ
- Điện áp đầu ra mạch vi phân chính là điện áp trên điện trở R
12
:

ττ
t
bh
t
bhbhc
eUeUUuuu
−−
=−−=−=
2).21.(
910
do vậy dòng điện có quy luật :
e
U
i
x
t

bh
t
R
−
=
.
.2
24
Sơ đồ mạch khuếch đại xung
+E
Tr1
Tr2
BAX
D6
*
*
R13
R14
um
U10
Như vậy điện áp suy giảm theo hàm mũ với hằng số thời gian
τ
,do đó sau
thời gian khoảng 3
τ
thì có thể cho rằng điện áp ra về không.Vậy độ rộng xung đơn
tạo ra theo phương pháp này là : t
x
=3
τ

- Sơ đồ nối darlington 2 Transitor Tr1, Tr2 có nhiệm vụ khuyếch đại xung điều
khiển nhằm đáp ứng đủ yêu cầu về công suất xung điều khiển kích mở Thyristor.
- Biến áp xung có nhiệm vụ cách ly mạch điều khiển và mạch lực về điện, đảm bảo
an toàn cho các linh kiện điện tử.
- Didode D
6
và điện trở công suất R
14
có nhiệm vụ khép mạch 2 đầu sơ cấp BAX
tiêu tán dòng điện khi Tr1, Tr2 khóa từ đó bảo vệ cuộn sơ cấp BAX.
U
m
điện áp đặt vào 2 cực G-K của Thyristor
25
K
G