đề tài Thiết kế hệ truyền động cán thép thanh

1


Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU 3
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÁN THÉP 4
1.1. Tổng quan về công nghệ cán thép 4
1.2. Cấu tạo máy cán 4
1.2.1. Hộp cán 6
1.2.2. Cơ cấu và thiết bị truyền 6

1.3. Phân loại máy cán 6
1.4. Yêu cầu về truyền động điện-trang bị điện máy cán 7
1.5. Trang bị điện dây chuyền cán thép thanh 8
Chương 2. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ 10
2.1. Lựa chọn phương án chỉnh lưu 10
2.1.1. Chỉnh lưu cầu 1 pha 10
2.1.2. Chỉnh lưu hình tia 3 pha 11
2.1.3. Chỉnh lưu cầu 3 pha 12
2.2. Thiết kế mạch lực 13
2.2.1. Sơ đồ nguyên lí mạch lực 13
2.2.2. Thiết kế máy biến áp lực 16
2.2.3. Tính chọn van mạch lực 19

2.2.4. Thiết kế cuộn kháng lọc 20
2.2.5. Các vấn đề bảo vệ mạch lực. 23
Chương 3. THIẾT KẾ MẠCH PHÁT XUNG ĐIỀU KHIỂN 25
3.1. Sơ đồ khối mạch tạo xung điều khiển 25
3.2. Thiết kế mạch tạo xung điều khiển 25
3.2.1. Khâu đồng pha 25
3.2.2. Mạch tạo xung răng cưa 26
3.2.3. Khâu so sánh 27
3.2.4. Khâu tạo xung chùm 28
3.2.5. Khâu tách xung 29
3.2.6. Khâu trộn xung-khuếch đại xung-biến áp xung 30
3.3. Tính toán mạch tạo xung điều khiển 32

3.3.1. Tính toán biến áp xung 32
3.3.2. Tính toán khuếch đại xung 33


2


3.3.3. Tính toán khâu tạo xung chùm 33
3.3.4. Tính toán khâu so sánh 34
3.3.5. Tính toán khâu răng cưa 34
3.3.6. Tính toán khâu đồng pha 34
Chương 4. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH 36

4.1. Sơ đồ khối hệ hai mạch vòng 36
4.1.1. Sơ đồ khối động cơ một chiều kích từ độc lập 36
4.1.2. Sơ đồ khối bộ biến đổi 37
4.1.3. Sơ đồ khối các phần tử khác. 38
4.1.4. Sơ đồ khối hệ hai mạch vòng điều chỉnh 40
4.2. Tính toán cụ thể các thông số bộ điều chỉnh R
i
và điều chỉnh . 40
4.2.1. Tính toán tham số động cơ 40
4.2.2. Tính toán tham số bộ biến đổi. 41
4.2.3. Tính toán tham số các khâu phản hồi 41
4.3. Tổng hợp mạch vòng dòng điện. 42

4.4. Tổng hợp mạch vòng tốc độ 43
4.5. Mô phỏng hệ điều chỉnh TĐĐ động cơ một chiều KTĐL. 46
4.6. Tính toán các phần tử bộ điều chỉnh 47
Tài liệu tham khảo 49


3




LỜI NÓI ĐẦU

Trong nền sản xuất công nghiệp hiện đại, vấn đề tự động hóa luôn được các công ty
chú trọng phát triển.Mục đích nhằm để nâng cao chất lượng và tăng tính cạnh tranh của
sản phẩm.Trong các dây chuyền sản xuất thì hệ truyền động điện có điều chỉnh tốc độ và
momen là không thể thiếu.Hiện nay có rất nhiều hệ điều chỉnh truyền động điện được sử
dụng như hệ máy phát - động cơ một chiều (F – Đ), hệ thyristor - động cơ một chiều (T
– Đ), hệ xung áp - động cơ một chiều…
Trong những năm gần đây kinh tế Việt Nam đã có những bước phát triển mạnh mẽ,
nhờ áp dụng những tiến bộ của khoa học kỹ thuật mà có nhiều sản phẩm được sản xuất ra
với số lượng và chất lượng ngày càng tốt đặc biệt là sức lao động của con người được
giảm đáng kể.Sự phát triển rất nhanh chóng của máy tính điện tử, công nghệ thông tin và

những thành tựu của lý thuyết truyền động điện đã làm cở sở và hỗ trợ cho sự phát triển
tương xứng của lĩnh vực tự động hoá.
Cán kim loại là một trong những phương pháp gia công kim loại bằng áp lực rất cần
thiết đối với nền sản xuất hàng công nghiệp ở nuớc ta, chính vì vậy để hiểu rõ hơn về vấn
đề này em đã được giao nhiệm vụ làm đồ án chuyên ngành với đề tài: “Thiết kế hệ truyền
động cán thép thanh”
Trong quá trình thực hiện, em đã nhận được sự hướng dẫn rất tận tình của cô giáo –
Thạc sĩ: Nguyễn Thị Liên Anh để hoàn thiện được đồ án của mình.Tuy đã có nhiều cố
gắng song với những kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế, chắc chắn sẽ không
tránh khỏi những thiếu sót.Em rất mong nhận được những góp ý của thầy, cô để qua đó
khắc phục và hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cám ơn!!!

Chương I : Tổng quan về công nghệ cán thép

4


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÁN THÉP

1.1. Tổng quan về công nghệ cán thép
Cán là một hình thức gia công bằng áp lực để thay đổi hình dạng và kích thức của vật
thể kim loại dựa vào biến dạng của nó.
Yêu cầu quan trọng của quá trình cán là ứng suất nội biến dạng dẻo không được lớn,

đồng thời kim loại vẫn giữ được độ bền cao.
Căn cứ theo nhiệt độ trong quá trình tái kết tinh để phân chia cán nóng và cán nguội:
- Cán thép ở nhiệt độ

÷ 

C được gọi là cán nóng.
- Cán thép ở nhiệt độ 

÷ 

C được gọi là cán nguội.

1.2. Cấu tạo máy cán

a)




b)
12
1
9

8
8
3
13
14
13
±0
Chương I : Tổng quan về công nghệ cán thép

5

c)

d)
Hình 1.1.Cấu tạo máy cán.

Máy cán là một loại máy gia công kim loại bằng áp lực (không tạo phôi) để cán sản
phẩm có hình dáng, kích thước nhất định máy cán gồm ba bộ phận chính: Các giá cán, bộ
truyền động, nguồn động lực động cơ truyền động giá cán.

2

i=1
4
5
3
±0
12
1
10
11
13
14
8

7
6
Chương I : Tổng quan về công nghệ cán thép

6


Trong đó:
1: Bộ phận ép trục. 8: Lò xo đỡ trục nối.
2: Trục chính. 9, 10, 11: Các trục cán.
3: Động cơ truyền động. 12: Khung giá cán.
4: Hộp bánh răng. 13: Đế dưới.

5: Hộp tốc độ. 14: Bu lông nền.
6, 7: Khớp nối. 15: Trục trung gian.

1.2.1. Hộp cán
Mỗi trục cán gồm có hai trục cán hoặc nhiều hơn (thể hiện trên hình a hình 1.1 với hai
trục cán, thể hiện trên trên hình b hình 1.1 với nhiều trục cán). Các trục cán được đặt
trong thân máy thường thì trục cán dưới được đặt cố định, trục cán trên thể dịch chuyển
theo phương thẳng đứng hoặc được định vị bởi thiết bị kẹp trục bởi sau mỗi chu trình cán
kích thước của phôi cán thay đổi nên phải chỉnh định lại khoảng cách giữa hai trục cán.

1.2.2. Cơ cấu và thiết bị truyền
Bộ phận truyền động gồm hộp giảm tốc, trục khớp nối, hộp bánh răng truyền lực.Tuỳ

theo từng yêu cầu và công nghệ, về cấu tạo của máy cán, theo từng nhiệm vụ mà cơ cấu
và thiết bị truyền đối với từng giá cán có thể khác nhau.
Đối với máy cán lớn như máy cán thô, cán lá thép dày hay máy cán có tốc độ lớn thì
các trục cán được truyền động riêng rẽ từ hai động cơ riêng biệt tới các trục cán không
qua hộp bánh răng hình a, b trên hình 1.1.
Còn đối với một số máy cán khác thì việc truyền động được thực hiện bởi một động
cơ chung (gọi là truyền động nhóm) thông qua hộp bánh răng, hộp giảm tốc hoặc tăng tốc
trên đường dẫn động từ động cơ tới trục của giá cán hình c, d trên hình 1.1.
Đối với máy cán thường sử dụng động cơ không đồng bộ hoặc động cơ một chiều
kích từ độc lập có yêu cầu điều chỉnh tốc độ.

1.3. Phân loại máy cán

Có thể phân loại máy cán theo công dụng, theo số giá cán trong máy cán, theo số trục
cán có trong giá cán và theo cỡ kích thước của sản phẩm.Còn tại phân xưởng cán thì phân
loại theo tên sản phẩm cuối cùng, theo cách bố trí của các máy các trong xưởng theo công
nghệ cán
Máy cán phôi là loại máy chuyên sản xuất phôi ban đầu cho các máy cán khác, máy
sản xuất ra hai loại phôi chính: phôi thỏi có tiết diện vuông và phôi tấm có tiết diện hình
chữ nhật.
Máy cán hình là loại máy cán dùng để cán thép hình.Sản phẩm của máy có rất nhiều
loại và rất đa dạng. Máy cán hình chia làm ba loại:
- Máy cán hình cỡ lớn (đường kính trục cán Ф ≥ 500mm)
- Máy cán hình trung bình (đường kính trục cán Ф500-300mm)
- Máy cán hình cỡ nhỏ (đường kính trục cán Ф350-250mm)

Chương I : Tổng quan về công nghệ cán thép

7


Máy cán hình cỡ nhỏ chuyên dùng để sản xuất đường ray và dầm thép thì còn gọi là
máy cán ray dầm. Máy cán hình cỡ nhỏ chuyên dùng để sản xuất các loại dây thép có Ф6,
Ф8 ở dạng cuộn gọi là máy cán dây thép.
Máy cán tấm: Tuỳ thuộc vào chiều dày sản phẩm mà phân ra máy cán tấm dày, máy
cán tấm trung bình máy cán tấm mỏng máy cán tấm cực mỏng.Tuỳ thuộc vào trạng thái
nhiệt độ các kim loại khi cán mà ta chia ra máy cán tấm nóng, máy cán tấm nguội.
Máy cán ống được phân loại theo sản phẩm : máy cán tóp ống, hệ thống máy hàn ống,

máy cán uốn hình.Và theo công nghệ cán ta có: máy cán ống tự động, máy cán ống liên
tục, máy cán ống khứ hồi, hệ thống hàn ống bằng phương pháp hồ quang điện trở.
Phân loại máy cán theo cách bố trí các thiết bị chính (giá cán ):
- Máy cán có một giá cán
- Máy cán bố trí theo hàng có các giá cán bố trí thành một hay nhiều hàng ngang,
các máy cán được dẫn động chung bằng một động cơ hoặc dẫn động riêng biệt tuỳ
theo ý đồ công nghệ .
- Máy cán liên tục: loại máy cán này thường có hai nhóm giá cán. Nhóm thứ nhất
làm nhiệm vụ cán thô thường được bố trí liên tục, nhóm thứ hai làm nhiệm vụ cán
tinh thường được bố trí theo hàng.

1.4. Yêu cầu về truyền động điện-trang bị điện máy cán

Yêu cầu chung cho hệ truyền động máy cán là:
- Dải điều chỉnh tốc độ rộng
- Tần số đóng cắt lớn
- Chịu được phụ tải lớn khi ngoạm phôi
- Hệ làm việc hiệu quả, tin cậy, đảm bảo chất lượng sản phẩm
Hiện tại, nhiều nhà máy cán thép dùng hệ máy phát- động cơ (F-Đ), hệ chỉnh lưu -
động cơ (CL-Đ) nhưng hệ Thyristor-Động cơ (T-Đ) có nhiều ưu việt hơn cả và đang thay
thế dần các hệ truyền động trên.

Chương I : Tổng quan về công nghệ cán thép

8

1.5. Trang bị điện dây chuyền cán thép thanh

Hình 1.4. Sơ đồ dây chuyền công nghệ cán thép thanh

Quy trình công nghệ sản xuất thép thanh:
- Phôi thép được nhập về có kích thước dài, sau khi tính toán cắt chia với độ dài yêu

cầu, phôi thép được vào sàn con lăn chuyển phôi, ở đây nhờ hoạt động của xilanh-
pitông phôi thép được so bằng đầu và được nạp vào lò nung. Phôi thép được nung
trong khoảng thời gian (3-4)h, đạt được nhiệt độ yêu cầu tức là phải động nhiệt
giữa trong long phôi thép và bề ngoài của phôi.
- Sau khi nung đạt tiêu chuẩn, phôi thép được tống ra ở cửa ra của lò (cửa vào phôi
thép mới lại được tiếp tục nạp), hệ thống con lăn ở cửa lò dẫn phôi thép qua giá
cán thô qua M1 qua lần cán thứ nhất, sau đó động cơ kéo trục cán đảo xoay chiều
qua thực hiện cán nghịch, lần thứ hai phôi thép đã được chuyển xuông băng lăn
phía dưới qua trục cán thứ hai sau đó động cơ lại đảo chiều thực hiện cán nghịch.
Cứ như vậy, tổng số lần cán thô ở đây là 7 lần với 4 lần cán thuận, 3 lần cán
nghịch. Tiếp theo phôi qua giá cán M2 và M3, phôi thép đã dài ra và đường kính
thì nhỏ đi, lúc này tốc độ máy đã tăng lên nhằm đảm bảo năng suất máy.

- Qua máy cắt bay thép được cắt đầu, do quá trình cán thô đầu thép bị rạn nứt.
- Máy cắt bay được điều khiển tự động hoàn toàn bằng PLC S7-200, tín hiệu khi có
thép đi qua được cảm biến quang đưa về PLC kết hợp tính toán tốc độ ra phôi sẽ
quyết định thời điểm cắt hợp lý.
- Tiếp theo thép được lần lượt cán qua các giá cán trung M4, M5, M6 và các giá cán
tinh M7, M8, M9, M10, lúc này thép đã đạt tiêu chuẩn về chất lượng, đáp ứng độ
bền, độ tin cậy cũng như đường kính sản phẩm đáp ứng công nghệ yêu cầu.
- Sau chu trình cán thép, thép được chuyển qua máy cắt đĩa dùng để cắt phân đoạn
theo chiều dài, khi có thép đi qua (tín hiệu từ cảm biến được gửi qua PLC) và tính
Sàn
chuyển
phôi

Bãi
phôi
Lò
nung
Tống
nạp phôi
Ra
phôi
Cán
thô
Cán
trung1

Cắt đầu
cắt đuôi
Cán
trung 2
Cán
tinh
Đẩy tiếp
Cắt
đĩa
Dàn khe
kẹp
Sàn

Nguội
Máy
cắt
Máy
đóng bó
Cân

Sản
phẩm
thép
Chương I : Tổng quan về công nghệ cán thép

9


độ dài của phôi thép sau khi cán máy cắt sẽ giật thanh dẫn hướng thép về phía lưỡi
dao cắt để cắt thép đi rồi quay góc cắt đoạn thép tiếp theo, cứ như vậy máy cắt sẽ
cắt toàn bộ số thép sau khi cán.
- Sau máy cắt,lúc này tốc độ của thép đã giảm đi rất nhiều,để tăng tốc độ chuyển
thép người ta cho thép qua máy đẩy tiếp tạo kẹp vào thép để đẩy thép đi và nhờ hệ
thống xilanh khí nén mở dàn khe nhả thép rơi xuống sàn nguội.Khi có thép rơi
xuống động cơ kéo dàn răng cưa hoạt động,thép được so bằng đầu và được đưa về
băng tải thép.Sau khi đủ số thanh thép,thép được dồn tới máy cắt nguội 600T thực
hiện cắt phân đoạn với chiều dài 7m mỗi thanh.

- Công đoạn phân loại thép để loại bỏ thép không đạt tiêu chuẩn đặt ra trước khi
đóng bó được thực hiện đẩy ra bằng tay.Mỗi bó thép bó xong được cẩu cân,kiểm
tra,dán nhãn mác.Như vậy chu trình thép thành phẩm đã hoàn tất.



Chương 2:Thiết kế hệ truyền động Tiristor-Động cơ


10

Chương 2. THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG T-Đ

2.1. Lựa chọn phương án chỉnh lưu
2.1.1. Chỉnh lưu cầu 1 pha


Hình 2.1.Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 1 pha.




Hình 2.2.Giản đồ điện áp và dòng điện của mạch chỉnh lưu cầu 1 pha.

Chương 2:Thiết kế hệ truyền động Tiristor-Động cơ


11


Nguyên tắc phát xung : Để cấp điện cho tải phải có 2 van dẫn:một của nhóm lẻ,một
của nhóm chẵn,do đó xung điều khiển cũng phải đưa tới 2 van cùng một thời điểm:


cùng với 


;

cùng với 

.

Ưu điểm : Chỉnh lưu cầu 1 pha có chất lượng điện áp ra tương đương với chất
lượng điện áp ra của chỉnh lưu 1 pha có biến áp trung tính.Không nhất thiết phải có
biến áp nguồn,khi điện áp ra tải phù hợp với cấp điện áp xoay chiều ta có thể mắc trực
tiếp mạch chỉnh lưu vào lưới điện.

Nhược điểm : Do số lượng van phải gấp đôi sơ đồ hình tia nên sụt áp trong mạch

van cũng tăng gấp đôi,vì vậy nó không thích hợp với tải cần dòng lớn nhưng điện áp ra
lại nhỏ.

2.1.2. Chỉnh lưu hình tia 3 pha


Hình 2.3.Sơ đồ mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha.




Hình 2.4.Giản đồ điện áp và dòng điện của mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha.

Chương 2:Thiết kế hệ truyền động Tiristor-Động cơ


12


Nguyên tắc phát xung : Ở mỗi 1/3 chu kì sẽ có một van có điện thế anot dương nhất,
đồng thời vna đó phải có tín hiệu điều khiển thì van đó sẽ mở và điện thế ở anot sẽ
được đặt lên phần ứng động cơ.Khi điện áp âm hoặc dòng qua van giảm đến 0 và cứ
như vậy trong cả chu kì sẽ có 3 van lần lượt thay nhau dẫn.

Ưu điểm: Sụt áp trong mạch van nhỏ nên thích hợp với phạm vi làm việc thấp.Vì sử

dụng nguồn 3 pha nên cho phép nâng công suất tải lên nhiều,mặt khác độ đập mạch
của điện áp ra sau mạch chỉnh lưu giảm đáng kể nên kích thước bộ lọc cũng nhỏ đi.

Nhược điểm: Chỉnh lưu dạng này cần có biến áp nguồn để có điểm trung tính đưa ra
tải,công suất máy biến áp này lớn hơn công suất 1 chiều 1,35 lần.

2.1.3. Chỉnh lưu cầu 3 pha


Hình 2.5.Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha.

Hình 2.6.Giản đồ điện áp và dòng điện của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha.
Chương 2:Thiết kế hệ truyền động Tiristor-Động cơ


13


Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha Hình 2.6 gồm 6 Thiristo chia thành hai nhóm : Nhóm
đấu chung catot(T1,T3,T5)và đấu chung anot(T2,T4,T6) .
Ưu điểm:
- Cho phép đấu thẳng vào lưới điện 3 pha;

- Độ đập mạch rất nhỏ (5,7%);
- Công suất máy biến áp cũng chỉ bằng công suất tải đồng thời gây méo điện lưới
ít hơn các loại trên.
Nhược điểm:Sụt áp trên van gấp đôi sơ đồ hình tia,không phù hợp với cấp điện áp
ra tải dưới 10V.
Do có nhiều ưu điểm vượt trội nên ta chọn mạch chỉnh lưu cầu ba pha để thiết kế
mạch lực.

2.2. Thiết kế mạch lực
Các thông số cơ bản của động cơ:
- Dòng điện định mức ở cuộn dây phần ứng động cơ: 


=

= 1180A;
- Điện áp phần ứng ở cuộn dây phần ứng động cơ : 

=660V;
- Tốc độ định mức :
550
dm
n 
(vòng/phút);
- Tốc độ tối đa:

max
1200n 
(vòng/phút);
- Hiệu suất động cơ:

=







=



= 0,963;
- Điện trở mạch phần ứng động cơ được tính gần đúng :
- 

= 0,5(1-

)





= 0,5.(1- 0,963).


= 0,01035 Ω


2.2.1. Sơ đồ nguyên lí mạch lực

Hình 2.7.Sơ đồ mạch lực.
Chương 2:Thiết kế hệ truyền động Tiristor-Động cơ


14




Hình 2.8.Giản đồ điện áp và dòng điện của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha
 Giới thiệu phần tử:
- Biến áp: Biến áp 3 pha tạo điện áp phù hợp để cấp cho mạch chỉnh lưu thu

được điện áp mong muốn
- T1-T6: Các thyristor. T1-T3-T5 đấu kiểu Catod chung, T2-T4-T6 đấu kiêu
Anod chung.
- ĐC-Ckt: Động cơ và cuộn kích từ của động cơ.
 Các tham số chính:
- Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu ( điện áp tải ) : 


- Giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu :
d
d
UE

I
R



- Trị số trung bình dòng điện quan van : 

=




- Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu khi làm việc :


=

.


- Công suất thực tế phía một chiều của mạch : 

= 


.


- Công suất tính toán mạch MBA nguồn :

= 1.05. 


- Hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu : K
đm
= 0,057

Chương 2:Thiết kế hệ truyền động Tiristor-Động cơ


15


 Nguyên lí làm việc:
- Xung điều khiển được phát lần lượt đúng theo thứ tự đánh số tù T1-T6 cách
nhau 60

0
điện; còn mỗi nhóm xung phát cách nhau 120
0
.
- Để thông mạch cần 2 van cùng dẫn trong đó phải có một van tham gia nên
cần phát xung cho 2 van dẫn cùng lúc. Vì vậy dạng xung có dạng xung kép
xác định góc điều khiển và đảm bảo điều kiện thông mạch.
- Góc mở  được tính từ giao điểm của các nửa hình sin.
- Các xung điều khiển lệch nhau


được lần lượt đưa đến cực điều khiển các

Thiristo theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1…
- Trong mỗi nhóm khi 1 Thiristo mở nó sẽ khoá ngay Thiristo dẫn dòng trước
nó.

Thời điểm
Mở
Khoá

1
= /6 + 
T
1

T
5


2
= 3/6 + 
T
2

T
6


3
= 5/6 + 
T
3

T
1

4 = 7/6 + 
T
4

T
2


5
= 9/6 + 
T
5

T
3


6
= 11/6 + 
T
6

T
4


Bảng 2.1.Thời điểm mở và khóa của các van.

- Trong khoảng [/6 +   3/6 +  ] thì van T1 và T2 dẫn :Dòng điện chay
từ pha A , qua T1, qua tải, qua T2 rồi quay trở về pha C.Khi đó :
I
T2
= 

; I
T1
= 

và U

d
= U
AC
- Trong khoảng [3/6 +   5/6 +  ] thì van T2 và T3 dẫn: dòng điện chảy
từ pha C qua T3, rồi qua tải, qua T2 và trở về pha B của nguồn. Khi đó :
U
d
= U
BC
và I
T2
= 


;
I
T3
= 


.

- Trong khoảng

[5/6 +   7/6 +  ] thì van T3 và T4 dẫn:Dòng chảy từ

pha B qua van T3, qua tải, qua van T4 rồi quay trở về pha A của nguồn.
Khi đó : I
T3
= 


;

I
T4
= 


và U
d
= U
BA

- Trong khoảng [7/6 +   9/6 +  ] thì van T5 và T4 dẫn:Dòng chảy từ
pha C qua van T5, qua tải, qua van T4 rồi quay trở về pha A. Khi đó :


= 


; 


= 

và U
d
= U
CA
- Trong khoảng [9/6 +   11/6 +  ]

thì van T5 và T6 dẫn:Dòng chảy từ

pha C qua T5, qua tải, qua T6 rồi quay trở về pha B của nguồn. Khi đó :



= 


;

I
T6
= 



và U
d
= U
CB

Chương 2:Thiết kế hệ truyền động Tiristor-Động cơ


16

2.2.2. Thiết kế máy biến áp lực
a) Tính toán các thông số của máy biến áp
- Điện áp pha sơ cấp máy biến áp: 

= 220 V.
- Điện áp pha thứ cấp máy biến áp:
+ Điện áp một chiều tổng quát U
d
tương ứng với tải định mức được xác
định theo công thức :



=

+

+

+


Trong đó:

+ 

là điện áp phần ứng động cơ.

= 660V
+ 

là độ sụt áp trên van (1,5÷3V); chọn sụt áp trên van là 2,5V.


= 2,5.2=5V.
+ 


là sụt áp trên cuộn kháng bằng 5% giá trị định mức.


= 5%.660 = 33V
+ 

là độ sụt áp trên máy biến áp là 5% giá trị định mức.


= 5%.660 = 33V
Thay số vào ta có :



=

+

+

+

= 660+5+33+33 = 731V

Ta chọn lượng sụt áp của lưới cấp điện theo tỷ lệ với điện áp định mức


=10%.
Suy ra :


(đm) =





=


= 812,2 V

Theo phương án chỉnh lưu ta có :

= 




Trong đó :
+ 

là điện áp thứ cấp của máy biến áp.
+ 

là góc mở van nhỏ nhất và được chọn là 

.
Vậy điện áp định mức thứ cấp máy biến áp:



=




=



= 352,4 V
- Dòng điện hiệu dụng thứ cấp: 


= 

.


với 

là hệ số dòng điện chỉnh lưu,đối với sơ đồ cầu ba pha thì 

= 0,816.
Từ đó:



= 

.

= 0,816.1180 = 962,9 A

- Dòng điện hiệu dụng sơ cấp: 

= 


.

=




 


với 


là hệ số máy biến áp.



= 

.

=





 

=


. 962,9 = 1542,4 A
Chương 2:Thiết kế hệ truyền động Tiristor-Động cơ


17

- Công suất định mức của tải:


= 

.

= 812,2.1180 = 958,396 W
- Công suất biểu kiến của máy biến áp:



= 

.

.

= 812,2.1180.1,05 =1006 kVA
Chọn máy biến áp có công suất 

=1250 kVA
- Điện trở máy biến áp được tính theo công thức :



= 

.






Trong đó :
+ m là số pha của máy biến áp ,m=3

+ 

là tổng công suất biến áp
+ 

 là hệ số phụ thuộc máy biến áp,chọn 

=2%
Thay số vào ta được:


= 


.





= 0,02.





= 0,006 Ω
- Điện cảm máy biến áp : 

= 

.






Trong đó :
+ m là số pha của máy biến áp ,m=3
+ 

là tổng công suất biến áp
+ 

 là hệ số phụ thuộc máy biến áp,chọn 

= 8 %
Thay số ta được :



= 

.





= 0,08.





= 0.0238 Ω

- Cuộn cảm máy biến áp :

=



=



=0,076 mH

b) Tính toán mạch từ
- Tiết diện sơ bộ của trụ: 

= 

.









Trong đó:
+ m là số trụ của máy biến áp,biến áp ba pha có m=3;
+ 

là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát (4÷5) là biến áp dầu,(5÷6) là
biến áp khô.Chọn 


= 5.
→ 

= 

.




= 5.




= 14,43 


- Bề dày và bề rộng của trụ:


= a.b
Chương 2:Thiết kế hệ truyền động Tiristor-Động cơ

18


Trong đó :
+ a là bề rộng của trụ.
+ b là bề dày của trụ.Theo kinh nghiệm ta chọn


= 1,5
Suy ra 

= a.b = 1,5.


= 14,43 → a =



= 3,1 cm
→ b = 1,5.a = 1,5.3,1 = 4,65 cm
Ta lấy a=3,1 cm và b=4,65 cm.

- Đường kính trụ:
D = 





= 



= 4,29 cm
Lấy đường kính của trụ là D = 5 cm.
- Chọn loại thép : 330, các lá thép có độ dày 0,5 mm
Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ B
T

= 1 T.
- Chọn chỉ số : m= h/D = 2,3
Có h= 2,3.D = 2,3.5 = 11,5 cm. Chọn chiều cao trụ h = 12 cm.
c) Tính toán dây quấn:
- Dây quấn máy biến áp(chọn mật độ từ cảm trong trụ là B=1 Tesla).
- Số vòng dây của cuộn sơ cấp :


=








=



= 1186,22 vòng

Ta chọn 


= 1187 vòng.
- Số vòng dây của cuộn thứ cấp:


=




. 

=



. = 1100,8 vòng

Ta chọn 

= 1101 vòng.
- Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp:
Chọn dây dẫn đồng, 

= 


=2,5 A/

.
- Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp: 

=




=



= 617m


- Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp:



=





= 962,9/ 2,5 = 385,16 

.


Chương 2:Thiết kế hệ truyền động Tiristor-Động cơ


19

2.2.3. Tính chọn van mạch lực
Các van trong mạch chỉnh lưu công suất thường phải làm việc với dòng điện
và điện áp lớn,công suất phát nhiệt mạnh nên việc chọn van phải hợp lí mới đảm bảo
mạch hoạt động tin cậy.Khi chọn van ta cần phải theo hai chỉ tiêu chính:
- Chỉ tiêu về dòng điện: Cần phải tính được trị số dòng điện trung bình(hoặc trị
số hiệu dụng) lớn nhất chảy qua van,mặt khác cũng cần quan tâm đến dạng
dòng điện,giá trị dòng điện đỉnh,dòng quá tải tùy theo từng trường hợp cụ thể.
- Chỉ tiêu về điện áp:Điện áp ngược tối đa đặt lên van trong quá trình làm việc.
- Các vấn đề tản nhiệt,làm mát cho van.
a) Chọn van theo chỉ tiêu dòng điện
Dòng điện làm việc của van:



= 

= 

.



với 

là hệ số dòng điện hiệu dụng của chỉnh lưu cầu ba pha và bằng 1/


.
Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt và có đủ diện tích tản
nhiệt,không có quạt gió đối lưu không khí,ứng với điều kiện này thì dòng điện định
mức của van cần chọn là:


= 

.


với 

là hệ số dự trữ dòng điện khi động cơ thường xuyên làm việc ở điều kiện
quá tải,nằm trong khoảng (2÷4).Chọn 

= 4.

Từ các thông số trên,tính được:




= 

= 

.

= 1180/

 = 681,3 A


= 


.

=4.681,3 = 2725,2 A
Chọn 

= 2730 A.
b) Chọn van theo chỉ tiêu điện áp
Nguyên tắc điện áp của van được chọn cần phải thỏa mãn điều kiện:


>


.


Trong đó:
- 

là hệ số dự trữ về điện áp cho van ,thường lấy trong khoảng 1,7÷2,2).
- 

là điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu:



= 

.

= 







Trong đó:
- 

là hệ số điện áp ngược của van,với sơ đồ cầu ba pha thì 

=

 ;
- 


là hệ số điện áp chỉnh lưu,có giá trị bằng 2,34.
Thay số ta có điện áp ngược của van cần chọn:


= 

.

= 







=

.


= 690,9 V

Chương 2:Thiết kế hệ truyền động Tiristor-Động cơ

20




= 

.

= 1,8. 690,9 = 1243,6 V
Lấy 


= 1250 V


Chọn Tiristor:Từ các thông số trên ta chọn 6 van Tiristor loại T3160N do Tây Âu
chế tạo:
- Dòng điện trung bình cho phép : 

= 3160 A.
- Cấp điện áp : 1200-1800 V.
- Điện áp ngược cực đại của van : 


= 0,85.1800 =1530 V.
- Dòng điện xung điều khiển : 

= 300 mA.
- Điện áp xung điều khiển : 

= 2,5 V.
- Nhiệt trở của van : RT= 0,35 /W.
- Tốc độ tăng dòng cực đại
cho phép qua van : di/dt=200 A/s.

2.2.4. Thiết kế cuộn kháng lọc

a) Tính giá trị cuộn kháng lọc
Quan hệ giữa trị số điện cảm với hệ số bộ lọc được thông qua công thức:
2
1
1
.
d
d sb
dm
R
Lk
m




Trong đó:
-
d
R
- Tổng điện trở các tải, dây dẫn.
847
0,718( )
1180
d

d
d
U
R
I
   

-
dm
m
- Số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ điện áp nguồn
xoay chiều (với chỉnh lưu cầu 3 pha

dm
m
=6)
-
1

- Tốc độ góc của điện áp xoay chiều
50( ) 314( / )Hz rad s

-
sb
k

- Hệ số san bằng của cuộn lọc
 Tính
sb
k

Giá trị của
sb
k
được tính theo công thức:
dmvao
sb
dmra

k
k
k


Trong đó:
dmvao
k
là hệ số đập mạch đầu vào khi chưa qua cuộn kháng lọc

dmra
k

là hệ số đập mạch đầu ra khi chưa qua cuộn kháng lọc
Giá trị của
dmvao
k
được tính theo công thức:
*
1
.
cos
dmvao
kk




Tính toán xác định
cos


với

là góc điều khiển ở chế độ định mức:
Tốc độ định mức của động cơ:
550
57,59( / )

9,55 9,55
dm
dm
n
rad s



Chương 2:Thiết kế hệ truyền động Tiristor-Động cơ


21

Hệ số từ thông định mức:
.
660 1180.0,01035
11,25
57,59
dm dm u
dm
U I R
k





  

Tính toán
ddm
U
:

dm
ddm dm u

U k I R U
D


   

Trong đó:
-
ddm
U
là điện áp chỉnh lưu với tải định mức
-

k

là hệ số từ thông
-
dm

là tốc độ định mức
-
dm
I
là dòng điện định mức
-

u
R
là điện trở phần ứng
-
U
là tổng sụt áp trên các van bán dẫn và máy biến áp. Theo tính toán ở trên
thì ∑U = 72 V
- D là dải điều chỉnh tốc độ
4/1D 

Thay số vào ta có :U
ddm

=

11,25.


+ 1180.0,01035 + 72 = 246,2 V
Lại có :
2
2,34. . os
ddm
U U c



nên : cos =




=


= 0,2986
→  = 


→ Vậy hệ số đập mạch với  = 

 tính được :



() =








  




 = 0,328
→ 

=



.


= 0,328.


= 1,01
Chọn
0,1
dmra

k 
nên
1,01
10,1
0,1
dmvao
sb
dmra
k
k
k
  

→ L =






. 

=



.10,1 = 3,85 mH
Vì bản thân máy biến áp đã có điện cảm ở cuộn thứ cấp có giá trị
0,123( )
ba
L mH
nên
cuộn cảm lọc cần lắp thêm có giá trị :

= L  

= 3,85  0,076 = 3,774 mH

b) Thiết kế cuộn kháng lọc:
- Kích thước lõi thép:
+ Kích thước cơ sở:
a =2,6








= 2,6






= 12,45cm
Chương 2:Thiết kế hệ truyền động Tiristor-Động cơ


22

b = 1,5.a = 18,675 cm
c = 0,8.a = 9,96 cm
h = 3.a = 37,35 cm
+ Tiết diện lõi thép: 

= a.b = 12,45. 18,675 = 232,5 


+ Diện tích cửa sổ : 


= h.c = 37,35.9,96 = 372 


+ Độ dài trung bình đường sức :


= 2.(a+h+c) = 2.(12,45+37,35+9,96) = 119,52 cm
+ Độ dài trung bình dây quấn:


= 2.(a+b)+ π.c = 2(12,45+18,675)+9,96π = 93,54cm
+ Thể tích lõi thép:



= 2ab.(a+h+c) = 2.12,45.18,675(12,45+37,35+9,96) = 27789



- Điện trở dây quấn ở nhiệt độ 

đảm bảo độ sụt áp cho phép:


=
















→ 

=









= 0,021 Ω

- Số vòng dây của cuộn cảm:
w = 414








= 414



= 119,64 vòng
Chọn w = 120 vòng.

- Mật độ tử trường: H=





=


= 119663 A/m

- Cường độ từ cảm :
B=









=



= 0,0089 T

- Hệ số  theo H và B :






.

= 1,022. 

(H/m)

- Trị số điện cảm nhận được :










=







= 2,86 mH
- Tiết diện dây quấn: s=0,072







= 0,072




= 92,68 



Chọn s=93


- Đường kính dây tròn :d = 1,13


 = 1,13

 = 10,9 mm

Chương 2:Thiết kế hệ truyền động Tiristor-Động cơ


23


- Khe hở tối ưu: 


= 1,16

w.

= 1,16.

.120.1180 = 164,256mm


= 0,5.

= 82,128 mm

- Kích thước cuộn dây:
+ Độ cao sử dụng để quấn dây:

= h- 2c= 37,35 – 1= 36,35 cm

+ Số vòng dây trong 1 lớp : 

=





=


= 24,2 vòng
lấy 

= 24 vòng.
+ Tính số lớp dây : n=




=


= 5 lớp.

2.2.5. Các vấn đề bảo vệ mạch lực.
Trong mạch lực, phần tử kém khả năng chịu được các biến động mạnh về điện áp
và dòng điện chính là các van bán dẫn.Vì vậy việc bảo vệ mạch lực chủ yếu là bảo vệ
các van bán dẫn khỏi hai trạng thái quá dòng và quá áp.

a) Bảo vệ quá dòng.
Có hai kiểu bảo vệ quá dòng là bảo vệ quá dòng ngắn hạn và quá dòng dài hạn.Đối

với mạch có chứa Thyristor cần có thêm bảo vệ tốc độ tăng dòng điện qua van.
Khi bộ chỉnh lưu mắc thằng vào lưới điện thì buộc phải có điện cảm bảo vệ.Ta
chọn điện cảm theo biểu thức kinh nghiệm:
1
(0,04 ~ 0,1)
.
dm
U
L
I



Trong đó:
1
U
là trị số hiệu dụng điện áp lưới điện



là tần số góc của điện áp lưới điện (50hz  100

)

dm
I
là trị số hiệu dụng dòng điện định mức của chỉnh lưu tiêu thụ từ lưới.
2dm
II
( dòng thứ cấp máy biến áp)
Chọn hệ số là 0,1. Thay số ta được:
380
0,1. 0,126( )
100 .962,88
L mH




 Bảo vệ quá dòng lâu dài.
Điều này sảy ra khi đấu song song nhiều van bố dòng trên mỗi van không
đều,có van sẽ chịu dòng lớn hơn tính toán.Để chống hiện tượng này phải cùng loại để
tăng dòng tổng,tuy nhiên do đặc tính V-A của van khác nhau dẫn đến sự phân dùng
các phần tử hỗ trợ phân bố dòng cho đều bằng điện trở hoặc điện cảm.

 Bảo vệ quá dòng ngắn hạn:
- Bảo vệ bằng cầu chì.
- Bảo vệ bằng aptômat.
- Bảo vệ bằng cách ngắt xung điều khiển.

- Bảo vệ bằng cách chuyển mạch nghịch lưu sang chạy ở chế độ nghịch lưu
phụ thuộc.

Chương 2:Thiết kế hệ truyền động Tiristor-Động cơ


24


b) Bảo vệ quá áp.
 Bảo vệ quá áp do phía nguồn xoay chiều gây ra.

Hình 2.9. Một số mạch bảo vệ quá áp.
 Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Thyristor được thực hiện bằng cách
mắc R-C song song với Thyristor
Chọn giá trị R; C theo kinh nghiệm:
- Điện trở nằm trong khoảng 10~100

. Chọn R=80


- Tụ điện C nằm trong khoảng
0,1~ 2 F


. Chọn giá trị
0,5CF





Chương 3:Thiết kế mạch phát xung điều khiển


25

Chương 3. THIẾT KẾ MẠCH PHÁT XUNG ĐIỀU KHIỂN

3.1. Sơ đồ khối mạch tạo xung điều khiển


Hình 3.1.Sơ đồ khối mạch tạo xung điều khiển.

Mạch tạo xung điều khiển trên bao gồm các khâu:
 Đồng pha dùng biến áp,tạo xung đồng bộ nhờ OA;
 Khâu điện áp tựa tạo điện áp răng cưa tuyến tính hai nửa chu kì kiểu đi xuống

dùng khuếch đại thuật toán OA;
 So sánh bằng OA kiểu hai cửa;
 Mạch dao động tần số cao dùng IC logic;
 Khâu tách xung dùng OA;
 Để tạo xung chùm dùng cách ghép bằng IC logic AND 3 cổng;
 Khuếch đại xung ghép đầu ra bằng biến áp xung.
Sơ đồ này cho phép điều khiển của cùng 1 pha nguồn xoay chiều.
3.2. Thiết kế mạch tạo xung điều khiển
3.2.1. Khâu đồng pha
Khâu đồng pha 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 .
Ở khâu này ta dùng mạch chỉnh lưu với khuếch đại thuật toán.

Hình 3.2.Sơ đồ và đồ thị làm việc.