Thiết kế hệ truyền động biến tần – động cơ không đồng bộ cơ cấu quay chi tiết máy mài tròn

Đồ Án Chuyên Ngành

1
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

2
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay trong các lĩnh vực sản xuất của nền kinh tế quốc dân, cơ khí hóa có liên
quan chặt chẽ đến điện khí hóa và tự động hóa. Hai yếu tố sau cho phép đơn giản kết cấu
cơ khí của máy sản xuất, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng kĩ thuật của quá
trình sản xuất và giảm nhẹ cường độ lao động.
Việc tăng năng suất máy và giảm giá thành thiết bị điện cảu máy là hai yêu cầu
chủ yêu đối với hệ thống truyền động điện và tự động hóa nhưng chúng mâu thuẫn nhau.
Một bên đòi hỏi sử dụng các 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 thích hợp cho máy là một bài toán khó.
Qua thời gian học tập và tìm hiểu, em thực hiện một đề tài nhỏ: “Thiết kế hệ
truyền động biến tần – động cơ không đồng bộ cơ cấu quay chi tiết máy mài tròn” dưới
sự hướng dẫn tận tình của ThS. Nguyễn Thị Liên Anh, bộ môn Tự động hóa Công
nghiệp, Viện Điện, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Trong một thời gian tương đối ngắn do vậy đồ án này chắc chắn không tránh khỏi
những thiếu sót, với sự nỗ lực của bản thân, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của
các thầy cô để bản đồ án này hoàn thiện hơn!

Hà Nội, ngày 06 tháng 06 năm 2015.
Sinh viên thực hiện:
Đinh Hữu Giang

3
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

CHƢƠNG I:
YÊU CẦU CÔNG NGHỆ VÀ TRUYỀN ĐỘNG
1.1.TỔNG QUAN VỀ MÁY MÀI.
Trong sản xuất cơ khí cũng như trong các lĩnh vực sản xuất khác sản phẩm tạo ra
ở giai đoạn cuối cùng của một quá trình sản xuất, tuy nhiên để tạo ra sản phẩm cuối cùng
cần phải tiến hành qua rất nhiều khâu, từ chỗ là nguyên vật liệu cho đến sản phẩm thường
được tiến hành liên tục theo một quy trình công nghệ nào đó hình thành một hệ thống gọi
là dây chuyền sản xuất, tùy theo mức độ phức tạp của sản phẩm mà dây chuyền sản xuất
cũng có độ phức tạp tương ứng. Trong sản xuất cơ khí thì mài thuộc giai đoạn gia công
chi tiết để tạo ra một sản phẩm có bề mặt đạt yêu cầu về kỹ thuật. Máy mài để gia công
tinh với lượng dư bé, bề mặt trước khi mài đã được gia công thô hoặc tinh trên các máy
khác ( như máy tiện, phay, bào... ) cũng như các loại máy chuyên để mài thô dùng trong
phân xưởng chuẩn bị phôi với lượng dư hàng mm ( mài các phôi thép đúc, vỏ hộp gang
đúc... ).
Trên máy mài ta có thể mài được các mặt trụ ngoài, trong, mặt côn, mặt định hình,
mài răng, ren, mài sắc. Mài đóng vai trò quan trọng trong gia công lần cuối nên được
dùng rộng rãi trong các nhà máy và phân xưởng cơ khí.
Hiện nay máy mài có hai loại chính : Máy mài tròn và máy mài phẳng. Ngoài ra
còn có các máy khác nhau : máy mài vô tâm, máy mài rãnh, máy mài cắt, máy mài rang

v.v…. Thường trên máy mài có ụ chi tiết hoặc bàn, trên đó kẹp chi tiết và ụ đá mài, trên
đó có trục chính với đá mài. Cả hai ụ đều đặt trên bệ máy. Sơ đồ sau cho ta một mô hình
tổng quan về máy mài.
Máy mài công nghiệp

Máy mài phẳng

Máy
mài
bằng
biên đá

Máy
mài
mặt
đầu

Các loại khác

Máy mài tròn

Máy
mài
tròn
ngoài

Máy
mài
tròn
trong

Máy
mài
vô
tâm

Máy
mài
rãnh

Máy
mài
cắt

Máy
mài
răng

4
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

Sơ đồ biểu diễn công nghệ mài được giới thiệu ở hình 1.1.

Hình 1.1. Sơ đồ gia công chi tiết trên máy mài
Giải thích ký hiệu:
a) Máy mài tròn ngoài.
b) Máy mài tròn trong.

c) Máy mài mặt phẳng bằng biên đá.
d) Máy mài mặt phẳng bằng mặt đầu (bàn chữ nhật).
e) Máy mài mặt phẳng bằng mặt đầu (bàn tròn).
1. Chi tiết gia công.
2. Đá mài.
3. Chuyển động chính.
4. Chuyển động ăn dao dọc.
5. Chuyển động ăn dao ngang.
Máy mài tròn có hai loại : máy mài tròn ngoài ( hình 1-1a) và máy mài tròn trong
( hình 1-1b). Trên máy mài tròn chuyển động chính là chuyển động quay của đá mài ;
chuyển động ăn dao là di chuyển tịnh tiến của ụ đá dọc trục (ăn dạo dọc trục) hoặc di
chuyển tịnh tiến theo hướng ngang trục (ăn dao ngang) hoặc chuyển động quay của chi
tiết (ăn dao vòng). Chuyển động phụ là di chuyển nhanh ụ đá hoặc chi tiết v.v…
Máy mài phẳng có hai loại : mài bằng biên đá ( hình 1-1c) và mặt đầu ( hình 11d). Chi tiết được kẹp trên bàn tròn hoặc chữ nhật. Ở máy mài bằng biên đá, đá mài quay
tròn và chuyển động tịnh tiến ngang so với chi tiết, bàn máy mang chi tiết chuyển động
tịnh tiến qua lại. Chuyển động quay của đá là chuyển động chính, chuyển động ăn dao là
di chuyển của đá ( ăn dao ngang ) hoặc chuyển động của chi tiết ( ăn dao dọc ). Ở máy
5
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

mài bằng mặt đầu đá, bàn có thể là tròn hoặc chữ nhật, chuyển động quay của đá là
chuyển động chính, chuyển động ăn dao là di chuyển ngang của đá ( ăn dao ngang ) hoặc
chuyển động tịnh tiến qua lại của bàn mang chi tiết ( ăn dao dọc ).
Một tham số quan trọng của chế độ mài là tốc độ cắt (m/s) :

v  0,5d .d .103
Trong đó :

[m/s]

d - đường kính đá mài, mm .
d - tốc độ quay của đá mài, rad/s.
Thông thường v = 30  50 m/s.

 Ngoài ra ra cũng cần chú ý tới yêu tố ảnh hưởng tới chất lượng mài:
 Chọn đá mài: Để đảm bảo chất lượng sản phẩm và nâng cao năng suất khi chọn đá
mài ra cần chú ý tới các điều sau:
 Vật liệu mài.
 Chất kết dính đá mài.
 Độ cứng đá mài.
 Kết cấu đá...
Những điều trên quy định trong công nghệ cắt.
 Chọn chế độ cắt: Chọn chế độ mài là chọn chế độ quay của đá, tốc độ quay của chi
tiết lượng chạy dao ngang và chiều sâu cắt. Ví dụ:
 Tốc độ quay đá quá chậm sẽ tăng lực cắt chóng mòn đá. Nếu tốc quá
cao lực li tâm lớn sẽ gây gẫy trục vỡ đá...
 Tốc độ vật mài phụ thuộc vào yêu cầu kĩ thuật độ bóng bề mặt gia
công. Mài tinh hay mài thô tùy thuộc vào lượng chạy dao có tốc độ
mài hợp lý.
1.2. ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN ĐỘNG CỦA MÁY MÀI.
Một đặc điểm quan trọng trong hệ thống máy mài đó là hệ thống thực hiện nhiều
truyền động cùng một lúc và có hai loại chuyển động chủ yếu : Chuyển động cơ bản và
chuyển động phụ.
 Chuyển động cơ bản là sự di chuyển tương đối của dao cắt so với phôi để đảm bảo
quá trình cắt gọt. Chuyển động này lại chia ra : chuyển động chính và chuyển
động ăn dao.
- Chuyển động chính ( chuyển động làm việc ) là chuyển động đưa dao cắt ăn

vào chi tiết.
- Chuyển động ăn dao là chuyển động xê dịch của lưỡi dao hoặc phôi để tạo ra
một lớp phoi mới.
 Chuyển động phụ là những chuyển động không liên quan trực tiếp đến quá trình
cắt gọt, chúng cần thiết khi chuẩn bị gia công, hiệu chỉnh máy, v.v… Ví dụ : di
chuyển thanh dao hoặc phôi…
Các chuyển động chính, ăn dao có thể là chuyển động quay hoặc chuyển động tịnh
tiến của dao hoặc phôi.

6
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

1.2.1. Truyền động chính.
Trên máy mài tròn truyền động chính là truyền động quay của đá mài, với vận tốc
được tính theo biểu thức:
.Dd .nd
(m/s)
v
60.1000
Dd - đường kính của đá mài.
Trong đó:
nd - số vòng quay trục chính mang đá (vòng/phút).
Trong các truyền động của đá mài thì truyền động quay đá mài có yêu cầu phải
đảm bảo một tốc độ tương đối ổn định, do vậy trong các thiết kế người ta thường sử dụng
động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc. Tuy nhiên ở các máy mài cỡ nặng, để duy trì tốc
độ cắt là không đổi khi mòn đá hay kích thước chi tiết gia công thay đổi, thường sử dụng
truyền động động cơ có phạm vi điều chỉnh tốc độ là D = 2  4/1 với công suất không

đổi.
Ở máy mài trung bình và nhỏ v = 50  80 m/s nên đá mài có đường kính lớn thì
tốc độ quay đá khoảng 1000 vg/ph. Ở những máy có đường kính nhỏ, tốc độ đá rất cao.
Động cơ truyền động là các động cơ đặc biệt, đá mài gắn trên trục động cơ, động cơ có
tốc độ ( 24000  48000 vg/ph), hoặc có thể lên tới ( 150000  200000 vg/ph). Nguồn
động cơ là các bộ biến tần. có thể là các máy phát tần số cao ( BBT quay), hoặc là các bộ
biến tần tĩnh (BBT bằng thyristor).
Mô men cản tĩnh trên trục động cơ thường là 15  20% momen định mức. Momen
quán tính của đá và cơ cấu truyền lực lại lớn : 500  600% momen quán tính của động
cơ, do đó cần hãm cưỡng bức động cơ quay đá. Không yêu cầu đảo chiều quay động cơ
quay đá.
1.2.2. Truyền động ăn dao.
a) Máy mài tròn : Ở máy cỡ nhỏ, truyền động quay chi tiết dùng động cơ không
đồng bộ nhiều cấp tốc độ (điều chỉnh số đôi cực p) với D = (2  4) /1 . Ở các máy lớn thì
dùng hệ thống bộ biến đổi – động cơ điện một chiều ( BBD – DM), hệ KDT – DM có D
= 10/1 với điều chỉnh điện áp phần ứng.
Truyền động ăn dao dọc của bàn máy tròn cỡ lớn thực hiện theo hệ BBD – DM
với D = (20  25) /1
Truyền động ăn dao ngang sử dụng thủy lực.
b) Máy mài phẳng : Truyền động ăn dao của ụ đá thực hiện lặp lại nhiều chu kì,
sử dụng thủy lực. Truyền động ăn dao tịnh tiến qua lại của bàn dùng hệ truyền động một
chiều với D = (8 10) /1
1.2.3. Truyền động phụ.
Truyền động phụ trong máy mài và truyền động di chuyển nhanh đầu mài, bơm
dầu của hệ thống bôi trơn, bơm nước làm mát thường dùng hệ truyền động xoay chiều
với động cơ không đồng bộ roto lồng sóc.
7
Đinh Hữu Giang - 20111449

Đồ Án Chuyên Ngành

1.2.4. Truyền động quay chi tiết máy mài.
-

Phạm vi điều chỉnh tốc độ 80–50/1.
Mở máy có tải momen mở máy từ 150 – 200% Mđm.
Momen quán tính có thể lớn gấp 7 – 8 lần momen quán tính trục động cơ.

Do những đặc điểm trên đối với máy mài cỡ nặng người ta dùng động cơ điện 1 chiều
(F-D hoặc T-D). Còn đối với những máy mài cỡ nhỏ người ta dùng động cơ lồng sóc
nhiều cấp tốc độ.

8
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

CHƢƠNG II:
TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ LỰA CHỌN BIẾN TẦN
2.1.THÔNG SỐ KỸ THUẬT.
Theo những yêu cầu kỹ thuật của đề bài ta phải thiết kế hệ truyền động với động
cơ có các thông số kỹ thuật như sau:
- Mômen cực đại 48 [Nm]
- Tốc độ quay chi tiết (n)
- Tỉ số truyền (i)
- Hiệu suất ()
- Mômen quán tính cơ cấu (J)

33  330 [Vòng/phút]
3
0,9
0,009 [kg/s2]

2.2.TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ.
Trong một hệ thống truyền động thì thành phần quan trọng nhất là động cơ truyền
động, nó là nguồn động lực cho hệ thống, chất lượng làm việc của hệ thống cả về mặt
kinh tế cà kỹ thuật phụ thuộc rất mạnh mẽ vào động cơ được chọn truyền động và nhiều
khi nó còn ảnh hưởng đến sự hoạt động chung của các hệ thống khác. Động cơ được
chọn phải yêu cầu đáp ứng được các chỉ tiêu ký thuật sau:
-

Động cơ phải có đủ công suất để có thể thực hiện được yêu cầu của truyền động.
Có tốc độ, phạm vi điều chỉnh tốc độ phù hợp yêu cầu với một phương án truyền
động tương ứng.
Thỏa mãn các yêu cầu về mở máy và hãm động cơ.
Ngoài ra còn một số yêu cầu khác như phù hợp với nguồn điện năng tiêu thụ cũng
như thích hợp với điều kiện làm việc, tính gọn nhẹ trong sử dụng v.v...

Theo số liệu đầu bài ta có:
- Tốc độ lớn nhất của chi tiết là:
2 nct max nct max 330
ct max 


 34,555(rad / s)
60
9,55
9,55

-

Tốc độ lớn nhất của chi tiết là:
2 nct min nct min
33
ct min 


 3, 455(rad / s)
60
9,55 9,55

-

Công suất lớn nhất của cơ cấu là:
Pct  M ct .ct max  48.34,555  1,658(kW )

9
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

-

-

-

Tốc độ lớn nhất của động cơ cho phép (với tỷ số truyền i = 3) là:

max  i.ct max  3.34,55  103,665(rad / s) hay nmax  990(vong / phut )
Tốc độ nhỏ nhất của động cơ cho phép (với tỷ số truyền i = 3) là:
min  i.ct min  3.3,455  10,366(rad / s) hay nmin  99(vong / phut )
Dải điều chỉnh tốc độ :

n
990
D  max  max 
 10 :1
min nmin 99
Công suất tính toán của động cơ là:
P
1,658kW
Pdc  ct 
 1,842(kW )

0,9
Công suất định mức của động cơ là:
Pdm  (1,1  1,3).Ptt
Ở đây ta chọn
Pdm  1,2.Ptt  1,2.1,842  2,2(kW )

Để thực hiện truyền động ta sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, do
động cơ được chọn phải có công suất đáp ứng được yêu cầu truyền động với công suất
2,2 kW. Căn cứ vào số liệu đó ta chọn được động cơ của Siemens (với số hiệu là
1LA7113-64A) có các thông số như sau:
- Công suất động cơ: Pdm  2,2(kW ) .
- Tốc độ quay: n = 940 vòng/phút.
- Hiệu suất:  = 78%.
- Hệ số công suất: cosφ = 0,78.

- Dòng điện stato: Is = 5,2 A.
- Momen động cơ: Mđc = 22 N.m.
- Số đôi cực: p = 3.
- Điện trở roto: Rr = 2,5385 .
- Điện trở stato: Rs = 4, 7398 .
- Điện kháng ngắn mạch:  L  6,028.
- Điện cảm từ hóa: Lm  0,0954 H .
- Điện cảm tản của stato: L s  0,0096 H .
- Điện cảm tản của rotor: L r  0,0096 H .
- Suất điện động pha stato: ES  181,7V .
-

Momen quán tính: J  0,011(kg.m2 ) .

2.3. LỰA CHỌN BỘ BIẾN TẦN.
Từ các thông số của động cơ 1LA7113-64A đã chọn như trên ta lựa chọn bộ biến
tần phù hợp với tiêu chí:
- Cấp đủ công suất cho động cơ.
- Chịu được dòng điện stato của động cơ.

10
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

Ta lựa chọn loại biến tần của Siemens với các thông số sau:
- Tên biến tần: MM 440 với mã hiệu 6SE6440-2UD22-2BA1.
- Công suất của biến tần: P  2, 2kW .
- Dòng điện đầu ra: I r  5,9 A.

- Dòng điện đầu vào: I v  7,5 A.

11
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

CHƢƠNG III:
NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN VÀ BỘ BIẾN TẦN CỦA HỆ THỐNG
3.1.NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN.
3.1.1.Vector không gian các đại lƣợng ba pha.
Xây dựng vector không gian.
Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha có ba ( hay bội số của ba) cuộn dây
stator bố trí trong không gian như hình vẽ sau:

Hình 3.1. Bố trí các cuộn dây trong stator của ĐCKĐB ba pha.

Hình 3.2. Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của ĐCKĐB ba pha.
(Ba trục của ba cuộn dây lệch nhau một góc 1200 trong không gian

Ba điện áp cấp cho ba đầu dây của động cơ từ lưới ba pha hay từ bộ nghịch lưu, biến tần;
ba điện áp này thỏa mãn phương trình:
usa (t )  usb (t )  usc (t )  0
12
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

Trong đó:
usa (t ) | us | cos(s t )

0
usb (t ) | us | cos(s t  120 )

0
usc (t ) | us | cos(s t  120 )
Với s  2 f s ; f s là tần số của mạch stator; | us | là biên độ của điện áp pha, có thể thay
đổi.
Trên mặt phẳng cơ học động cơ không đồng bộ có 3 cuộn dây đặt lệch nhau một
góc 1200, nếu trên mặt phẳng đó ta thiết lập một hệ tọa độ phức với trục thực đi qua cuộn
dây A của động cơ, ta có thể xây dựng vector không gian cho điện áp stator
2
us  [usa (t )  usb (t )  usc (t )]
3
0
0
2
us  [usa (t )  usb (t )e j120  usc (t )e  j120 ]
3
Theo công thức trên, vector us là vector có modul không đổi, quay trên mặt phẳng
phức với tốc độ s  2 f s , và tạo với trục thực (cuộn dây pha A) 1 góc pha   s .t .
Việc xây dựng được mô tả như hình dưới:

Hình 3.3. Vector trên mặt phẳng cơ học
Theo hình vẽ trên, điện áp của từng pha chính là hình chiếu của vector điện áp
stator u s lên trục của cuộn dây tương ứng. Đối với các đại lượng khác của động cơ: dòng
điện stator, dòng rotor, từ thông stator và từ thông rotor đều có thể xây dựng các vector
không gian tương ứng như đối với điện áp stator ở trên.

13
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

3.1.2. Chuyển hệ tọa độ vector không gian.
a. Hệ tọa độ cố định stator ( Hệ tọa độ α-β).
Vector không gian điện áp stator là một vector có modul xác định ( | us | ) quay trên
mặt phẳng phức với tốc độ góc s và tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha A) một
góc s .t . Đặt tên cho trục thực là  và trục ảo là  , vector không gian (điện áp stator)
có thể được mô tả thông qua hai giá trị thực ( u s ) và ảo ( us  ) là hai thành phần của
vector. Hệ tọa độ này là hệ tọa độ stator cố định, gọi tắt là hệ tọa độ αβ.

Hình 3.4. Hệ tọa độ α-β.
Bằng cách chiếu vector không gian điện áp stator us lên hai trục tọa độ (α,β) ta có
thể tính được thành phần theo 2 trục tọa độ bằng phương pháp hình học. Xét thành phần
vector điện áp trong hệ tọa độ (α,β):

usa  us

1
3

us 
usb  us 
2
2



1
3
us 
usc  us  us   us 
2
2

Suy ra:
us  usa

1
1

us   3 (usa  2usb )  3 (usa  usc )

Theo phương trình trên chỉ cần xác định 2 thành phần điện áp A và B thì ta có thể
xác định vector điện áp không gian, vì đây là điện áp 3 pha cân bằng, điện áp pha C đã ở
sẵn trong phương trình : us  us  jus 

14
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

Bằng cách tương tụ như đối với vector không gian điện áp stator, các vector không
gian dòng điện stator, dòng điện rotor, từ thông stator và từ thông rotor đều có thể được
biểu diễn trong hệ tọa độ stator cố định (Hệ tọa độ α-β) như sau:
us  us  jus 


is  is  jis 

ir  ir  jir 

 s   s  j s 
    j
r
r
 r
b. Hệ tọa độ từ thông rotor ( Hệ tọa độ d-q).
Trước hết ta quy ước như sau: f (thay cho field coordinates hoặc tọa độ dq) và s
(thay cho stator coorfinates hoặc tọa độ αβ).
Ví dụ:
 iss : vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ αβ.
 ifs : vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ dq.
Từ đó ta có:
iss  is  jis 

(3.1a)

isf  isd  jisq

(3.1b)

Trong mặt phẳng của hệ tọa độ (α,β) ta xét thêm một hệ tọa độ thứ hai, có trục
hoành là trục d, trục tung là trục q. Hệ tọa độ này có chung điểm gốc và nằm lệch đi một
góc  s so với hệ tọa độ stator. Khi đó tồn tại hai hệ tọa độ và một vector không gian có
thể biểu diễn trên 2 hệ tọa độ này.
d

a  a quay tròn quanh gốc tọa độ chung, với góc a  a t  a 0
dt
Hình vẽ dưới đây mô tả mối liên hệ của hai tọa độ này.

Hình 3.5. Hệ tọa độ d-q
15
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

Quan hệ giữa 2 hệ tọa độ
us  usd cos  s  usq sin  s

us   usd sin  s  usq cos  s
Và

us  us  jus 
us dq  usd  jusq
Biến đổi 2 hệ phương trình trên ta có:
usd  us cos  s  us  sin  s

usq  us sin  s  us  cos  s
Các hệ phương trình trên có tác dụng chuyển đổi từ hệ tọa độ (α-β) sang hệ tọa độ (d-q)
cho điện áo stator, cũng đúng cho các thành phần khác của động cơ. Khi xét hệ (d-q), ta
cho trục d trùng với trục từ thông rotor và quay với tốc độ bằng tốc độ góc của vector từ
thông rotor.

Hình 3.6. Tổng hợp hệ α-β và d-q
Trong hệ tọa độ tựa từ thông rotor, các vector dòng stator và các vector từ thông

rotor quay cùng với hệ tọa độ (d-q), do đó các phần từ của vector dòng rotor là đại lượng
1 chiều, trong chế độ xác lập các giá trị này gần như không đổi, trong quá trình quá độ,
các đai lượng này biến thiên theo 1 luật toán định trước.
Thành phần từ thông rotor trên trục q có giá trị là 0 do trục d trùng với vector từ
thông rotor, do đó từ thông rotor chỉ có thành phần d và đại lượng một chiều
16
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

Một cách tương tự như đối với vector dòng stator, ta có thể biểu diễn tất cả các
vector còn lại trên hệ tọa độ dq.
usf  usd  jusq

(3.2a)

irf  ird  jirq

(3.2b)

 rf   rd  j rq

(3.2c)

 sf   sd  j sq

(3.2d)

Ta dễ dàng nhận thấy trong phương trình (3.2c) có ψ rq = 0 do trục q đứng vuông góc với

bản thân vector ψr .
Các cuộn day của động cơ có các điện cảm sau đây:
Lm
: hỗ cảm giữa rotor và stator
Lσ s
: điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator
Lσ r
: điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor (đã quy đổi về stator)
Từ các điện cảm đó ta định nghĩa thêm các tham số sau:
Ls = Lm + Lσs : điện cảm stator
Lr = Lm + Lσr : điện cảm rotor
Ts = Ls/Rs
: hằng số thời gian stator
Tr = Lr/Rr
: hằng số thời gian rotor

L2m
: hệ số tiêu tán tổng
Ls Lr
Với các tham só mới được định nghĩa ta có thêm các phương trình của từ thông stator và
từ thông rotor sau đây:
 s  is Ls  ir Lm
(3.3a)
 r  is Lm  ir Lr
(3.3b)
Ta có phương trình điện áp stator và rotor trên hệ tọa độ dq

  1

usf  Rs .i sf 

0

Rr .i rf

d sf
 js sf
dt

(3.4)

d rf

 jr rf
dt

(3.5)

3.1.3. Nguyên lý làm việc của hệ truyền động điều khiển bằng phƣơng pháp điều
khiển vector gián tiếp.
Nguyên lý điều khiển vector tựa từ thông rotor
Phương pháp điều khiển cả biên độ và vị trí pha của vecto dòng điện (điện áp)
giúp tạo được hệ thống điều chỉnh từ thông hoàn hảo mà không cần sử dụng cảm biến từ
thông động cơ. Trong chế độ xác lập vecto từ thông roto quay đồng bộ với từ trường
quay stato, nếu ta chọn vecto này trùng với trục d của hệ thống tọa độ quay đồng bộ thì ta
có hình sau:

17
Đinh Hữu Giang - 20111449

Đồ Án Chuyên Ngành

Hình 3.7. Nguyên lý điều khiển vector tựa từ thông rotor
Trong hình trên, ở chế độ xác lập thì vì tất cả các vecto đều quay đồng bộ với hệ
trục tọa độ nên góc γ là hằng số và do đó các thành phần của dòng điện chiếu lên hệ trục
cũng là 1 chiều (biến thiên rất chậm). Đây là một lợi thế rất lớn của phương pháp này để
có thể dễ dàng tổng hợp các bộ điều chỉnh kiểu vô hướng theo hình chiếu của vecto dòng
điện.
Từ các phương trình (3.1a,b),(3.2a,b),(3.2c,d) và (3.3a,b),(3.4),(3.5).
f
f
f d s
us  Rs .i s 
 js sf
(3.6a)
dt
f
f d r
(3.6b)
0  Rr .i r 
 jr rf
dt
 sf  isf Ls  irf Lm
(3.6c)

 rf  isf Lm  irf Lr

(3.6d)

Các đại lượng không cần thiết như vector dòng điện rotor ifr , vector từ thông stator ψfs bị
triệt tiêu ra khỏi hệ. Từ hai phương trình (3.6c) và (3.6d) có thể rút ra được hai vector đó.
1
(3.7a)
irf  ( rf  isf Lm )
Lr
L
(3.7b)
 sf  isf Ls  m ( rf  isf Lm )
Lr
Thay ifr và ψfs vào (3.6a) và (3.6b) ta sẽ thu được hệ phương trình (3.8) sau một vài biến
đổi.

18
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

disd
1 1
1    rd 1    rq
1
 (

)i sd  sisq 

s

usd

dt
 Ts  Tr
 Tr Lm

Lm  Ls
disq
1 1
1    rd 1    rq
1
 (

)i sq  sisd 
s


usq
dt
 Ts  Tr

Lm  Tr Lm  Ls
d rd Lm
1

isd   rd  sl rq
dt
Tr
Tr
d rq Lm
1


isq   rq  sl rd
dt
Tr
Tr

(3.8a)
(3.8b)
(3.8c)
(3.8d)

Với trục d trùng với vecto từ thông roto nên:
 rd   r ; rq  0

isd  i s cos  cũng trùng với vector  r
do đó ta nói isd là thành phần dòng điện sinh từ thông roto
isq  i s sin 
Ta có công thức momen của động cơ:
L
3
3
M  p.I m { r .is }  p.I m { m  r .is }
2
2
Lr



3 Lm
3 L
p.

( rd .isq  rq .isd )  p. m .  rd isq
2 Lr
2 Lr

3 Lm2
.I sd .I sq
 M p
2 Lr
Nếu ta giữ được biên độ vecto từ thông roto không đổi (bằng các bộ điều chỉnh
cần thiết) thì momen động cơ sẽ tỷ lệ thuận với thành phần dòng điện stato chiếu lên trục
q: isq do đó ta gọi thành phần dòng điện này là thành phần dòng điện sinh momen.
Nên phương pháp này được gọi là phương pháp “điều khiển tựa từ thông roto”.

Có chiến lƣợc điều khiển giống động cơ 1 chiều: giữ isd không đổi
(tƣơng ứng với ψ không đổi), sau đó điều khiển isq (tƣơng ứng với điểu khiển Iƣ)

isd |  r |


isq  M  

19
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

3.1.4. Điều khiển vector gián tiếp.

Hình 3.8. Sơ đồ hệ thống điều khiển vector tựa từ thông rotor gián tiếp.

Với phương pháp này, góc θs được tính theo chuỗi các phương trình sau:

 s   s dt
s  slip  
slip 
Tr 

I sq
Tr .I sd

Lr
Rr

3.2. BỘ BIẾN TẦN BÁN DẪN.
3.2.1. Cấu trúc bộ biến tần bán dẫn.
Bộ biến tần (BBT) là thiết bị biến đổi năng lượng điện từ tần số công nghiệp
(50Hz) sang nguồn có tần số thay đổi cung cấp cho động cơ xoay chiều. Bộ biến tần chia
làm hai loại: biến tần trực tiếp ( cycloconverter) và biến tần gián tiếp ( có khâu trung gian
một chiều).
Bộ biến tần trực tiếp được sử dụng ở hệ thống công suất cao. Bộ biến tần gián tiếp
có sơ đồ khối như hình 3.9.
Id
+
u1 f1
uI fI

Lọc

CL

Ud

ĐC

NL

Hình 3.9. Sơ đồ khối bộ biến tần gián tiếp.
20
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp (50Hz) được chỉnh lưu thành nguồn một
chiều nhờ bộ chỉnh lưu (CL) không điều khiển hoặc bộ chỉnh lưu điều khiển, sau đó được
lọc và bộ nghịch lưu (NL) sẽ biến đổi thành nguồn điện áp xoay chiều ba pha có tần số
biến đổi cung cấp cho động cơ. Bộ biến tần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
 Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ đặt mong muốn.
 Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở không đổi
trong vùng điều chỉnh momen không đổi.
 Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số.
Bộ biến tần bán dẫn có thể chia làm ba loại chính tùy thuộc vào bộ chỉnh lưu và nghịch
lưu như sơ đồ hình 3.1

(a)

(b)

(c)

Hình 3.10. Sơ đồ khối các biến tần gián tiếp:
a. Biến tần nghịch lưu nguồn áp dạng PWM và bộ chỉnh lưu diot.
b. Biến tần nghịch lưu nguồn áp dạng xung vuông và bộ chỉnh lưu điều khiển.
c. Biến tần nghịch lưu nguồn dòng với bộ chỉnh lưu điều khiển.
1. Bộ biến tần với nghịch lưu nguồn áp điều biến độ rộng xung với bộ chỉnh lưu
dùng diot (3.10a).
Điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu không điều khiển (dùng diot) có trị số không
đổi được lọc nhờ tụ điện có trị số khá lớn. Điện áp và tần số được điều chỉnh nhờ bộ
nghịch lưu điều biến độ rộng xung (Pulse Modulation Width – PWM). Các mạch nghịch

21
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

lưu bằng các tranzito (BJT, MOSFEST, IGBT) được điều khiển theo nguyên lý PWM
đảm bảo cung cấp điện áp động cơ có dạng gần sinh nhất.
2. Bộ biến tần nghịch lưu nguồn áp dạng xung vuông và bộ chỉnh lưu điều khiển
(3.10b).
Điện áp điều chỉnh nhờ bộ chỉnh lưu có điều khiển (thông thương bằng tiristo hoặc
tranzito). Bộ nghịch lưu có chức năng điều chỉnh tần số động cơ. Dạng điện áp ra có dạng
hình xung vuông.
3. Bộ biến tần với nghịch lưu dòng điện và chỉnh lưu điều khiển dùng tiristo (3.10c).
Nguồn một chiều cung cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng với bộ lọc là cuộn kháng
đủ lớn.
3.2.2. Mạch chỉnh lƣu.
Đối với nguồn cấp cho mạch nghịch lưu thì tính chất nguồn điện là bằng phẳng để
hạn chế sự nhấp nhô điện áp có thể làm hỏng van khi van được băm với tần số lớn. Vì thế
chúng ta phải lựa chọn mạch chỉnh lưu sao cho dạng điện áp ra càng bằng phẳng thì càng

tốt. Khi đó chúng ta thực hiện điều chế độ rộng xung PWM với tần số cao nên có thể điều
khiển động cơ chạy trơn và mở rộng vùng tốc độ điều chỉnh.
3.2.3. Mạch nghịch lƣu.
Xét một mạch nghịch lưu một pha có sơ đồ khối ở hình 3.11a; điện áp u o được lọc
sao cho có dạng hình sin. Tải của nghịch lưu là động cơ, mang tính cảm kháng, nên dòng
điện io sẽ chậm pha so với điện áp uo như hình 3.11b. Trong khoảng 1, điện áp uo và dòng
điện io đều mang dấu dương, trong khi ở khoảng 3, chúng đều có dấu âm; nên công suất
tức thời sẽ được truyền từ mạch một chiều tới mạch xoay chiều, tương ứng với chế độ
nghịch lưu của bộ biến đổi. Ngược lại, khoảng 2,4 điện áp uo ngược dấu với dòng điện io,
dòng công suất sẽ truyền từ mạch xoay chiều về mạch một chiều, tương ứng với chế độ
chỉnh lưu. Như vậy mạch nghịch lưu hình 3.11a sẽ phải có khả năng làm việc ở bốn góc
phần tư trên mặt phẳng (io0uo) trong một chu kỳ điện áp lưới như minh họa trên hình
3.11c.
Hai dạng mạch nghịch lưu là:
 Nghịch lưu điều biến độ rộng xung (PWM) với điện áp một chiều là hằng số, điện
áp và tần số ra được điều chỉnh nhờ điều khiển chuyển mạch nghịch lưu.
 Nghịch lưu dạng xung vuông (square – wave pulse) là trường hợp đặc biệt của
nghịch lưu PWM.

22
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

(a)

(b)

(c)

Hình 3.11. Nguyên tắc của nghịch lưu một pha:
a. Sơ đồ mạch điện.
b. Dạng điện áp và dòng điện.
c. Các chế độ làm việc trong mặt phẳng.

23
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

3.3. GIỚI THIỆU VÀ CÀI ĐẶT BỘ BIỂN TẦN (BBT) MM440 CHO ĐỘNG CƠ
1LA7113-64A.
3.3.1. Cài đặt mặc định.
Bộ biến tần MICROMASTER 440 được cài đặt mặc định khí xuất xưởng sao cho
có thể vận hành mà không cần cài đặt thêm bất kỳ thông số nào nữa. Để đạt được điều
này, các thông số của động cơ được kết nối với biến tần phải có thông số định mức phù
hợp với thông số cài đặt mặc định ( P0304, P0305, P0307, P0310) tương ứng với động cơ
1LA7 4 cực của Siemens.
Các thông số mặc định khác:
 Các nguồn lệnh
P0700 = 2 (Đầu vào số).
 Nguồn điểm đặt
P1000 = 2 (Đầu vào tương tự).
 Chế độ làm mát động cơ
P0335 = 0.
 Giới hạn dòng điện
P0640 = 150%.
 Tần số nhỏ nhất
P1080 = 0 Hz.

 Tần số lớn nhất
P1082 = 50 Hz.
 Thời gian tăng tốc
P1120 = 10 s.
 Thời gian giảm tốc
P1121 = 10 s.
 Chế độ điều khiển
P1300 = 0.
a.Khóa chuyển đổi DIP 50/60 HZ.
Tần số định mức mặc định cho động cơ của bộ biến tần MICROMASTER là 50 Hz. Đối
với động cơ được thiết kế chạy ở tần số định mức 60 Hz, các bộ biến tần có thể được đặt
ở tần số này nhờ sử dụng khóa chuyển DIP 50/60 Hz.
 Vị trí OFF: Các thông số mặc định của Châu Âu (tần số định mức của động cơ =
50Hz, công suất tính theo kW...)
 Vị trí ON: Các thông số mặc định của Bắc Mỹ (tần số định mức của động cơ = 60
Hz, công suất tính theo hp...).

3.3.2. Cài đặt thông số.
3.3.2.1. Cài đặt thông số nhanh.
Bộ biến tần tương thích với động cơ nhờ sử dụng chức năng cài đặt thông số nhanh, và
các thông số kĩ thuật quan trọng sẽ được cài đặt. Cài đặt nhanh không cần được thực hiện
nếu thông số định mức của động cơ ghi trong bộ biến tần FU ( ví dụ động cơ tiêu chuẩn
1LA 4 cực của Siemens) thích hợp với thông số định mức ghi trên nhãn của động cơ
đang nối vào biến tần.

24
Đinh Hữu Giang - 20111449


Đồ Án Chuyên Ngành

Bắt đầu

P0003 = 1

Mức truy nhập của ngƣời dùng.
1 Mức cơ bản: Cho phép truy nhập tới những thông số thường dùng
nhất.

P0004 = 0

Lọc thông số.
0 Tất cả các thông số.

P0010 = 1

P0100 = 0

P0300 = 0

Cài đặt thông số.
1 Cài đặt nhanh
Chú ý.
P0010 nên được để ở 1 để cài đặt thông số định mức trên nhãn của
động cơ
Tiêu chuẩn Châu Âu/Bắc Mỹ.
0 Châu Âu [KW], tần số mặc định 50Hz.
Chú ý
Đối với P0100 = 0 hoặc 1, giá trị P0100 được xác định khi cài đặt
khóa chuyển DIP 50/60

OFF = kW, 50 Hz
ON = hp, 60 Hz
Chọn kiểu động cơ.
1 Động cơ không đồng bộ ( hay động cơ dị bộ)

P0304 = 220

Điện áp định mức động cơ
Điện áp định mức [V] ghi trên nhãn động cơ là 220V

P0305 = 5,2

Dòng điện định mức động cơ.
Dòng điện định mức [A] ghi trên nhãn của động cơ là 5,2A.

P0307 = 2,2

Công suất định mức động cơ.
Công suất định mức [kW] ghi trên nhãn động cơ là 2,2kW.

P0308 = 0,78

Hệ số Cosφ định mức động cơ.
Hệ số công suất định mức (cosφ) của động cơ là 0,78.

25
Đinh Hữu Giang - 20111449