Thiết kế hệ thồng truyền động một chiều sử dụng nguồn chỉnh lưu điều khiển Thyristor cho động cơ quay chi tiết của máy mài tròn

Đồ án môn học Tổng hợp hệ điện cơ
lời nói đầu
Trong mọi ngành sản xuất hiện nay, các công nghệ tiên tiến, các dây chuyền và thiết bị
hiện đại đang từng ngày, từng giờ đợc ứng dụng vào nớc ta. Với chính sách mở cửa của Đảng
và Nhà nớc ta hiện nay, chắc chắn các công nghệ tiên tiến và hiện đại của thế giới sẽ ngày
càng đợc áp dụng hiệu quả vào Việt Nam với quy mô, số lợng, chất lợng một cách nhanh
chóng. Tác dụng của các công nghệ mới và dây chuyền sản xuất hiện đại đã góp phần thúc
đẩy sự nghiệp Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nớc mà Nghị quyết Đại hội Đảng toàn quốc
lần thứ VIII và lần thứ IX đã đề ra.
Sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia phụ thuộc rất nhiều vào mức độ cơ giới hoá và tự
động hoá các quá trình sản xuất. Với vai trò là mũi nhọn của kỹ thuật hiện đại, lĩnh vực tự động
hoá đang phát triển với tốc độ ngày càng cao. Những thành tựu của lý thuyết Điều khiển tự
động, Tin học công nghiệp, Điện tử công suất, Kỹ thuật đo lờng.... đã và đang đợc triển khai
trên quy mô rộng lớn, tạo nên những thiết bị và dây chuyền công nghiệp sản xuất tự động với
năng suất cao và chất lợng tốt. Trong quá trình sản xuất, việc tự động hoá một dây chuyền sản
xuất đóng vai trò rất quan trọng. Nó là cầu nối giữa các hạng mục sản xuất, giữa các phân x-
ởng trong nhà máy, giữa các máy công tác trong một dây chuyền. Việc điều khiển hoạt động
của các dây chuyền hiện đại, tiên tiến cũng ngày càng đa dạng và phức tạp.
Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản
xuất. Đặc biệt trong dây chuyền sản xuất tự động hiện đại, truyền đồng điện đóng góp vai trò
quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lợng sản phẩm. Vì vậy, các hệ truyền động
điện luôn luôn đợc quan tâm nghiên cứu nâng cao chất lợng để đáp ứng các yêu cầu công
nghệ mới với mức độ tự động hoá cao. Việc tăng năng suất máy sản xuất và giảm giá thành
thiết bị điện của máy là hai yêu cầu cần chủ yếu đối với hệ thống truyền động điện và tự động
hoá sản xuất nhng chúng lại mâu thuẫn nhau. Một bên đòi hỏi sử dụng các hệ thống phức tạp,
một bên lại yêu cầu hạn chế số lợng thiết bị chung trên máy và số thiết bị cao cấp. Vậy việc
lựa chọn một hệ thống truyền động diện và tự động hoá thích hợp cho cơ cấu sản xuất là một
bài toán khó.
Với việc ứng dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử - tin học, các hệ truyền
động điện đợc phát triển và có thay đổi đáng kể. Đặc biệt, do công nghệ sản xuất các thiết bị
điện tử công suất ngày càng hoàn thiện nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền

động điện không những đáp ứng đợc yêu cầu tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp
phần làm giảm kích thớc và hạ giá thành của hệ truyền động.
Hệ truyền động điện một chiều có một u thế rất nổi bật là khả năng điều chỉnh tốc độ dễ
dàng, cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời có thể đạt chất lợng điều
chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Chính vì vậy mà truyền động điện một chiều đóng
một vai trò quan trọng trong các dạng truyền động điện đang dùng, nhất là trong các lĩnh vực
đòi hỏi khả năng điều khiển linh hoạt nh trong các máy sản xuất...
Xuất phát từ những vấn đề liên quan tới hệ truyền động điện một chiều, bản đồ án này sẽ
nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền động một chiều sử dụng nguồn chỉnh lu điều khiển
Thyristor cho động cơ quay chi tiết của máy mài tròn. Trong phạm vi nhiệm vụ đợc giao của
bản đồ án, ngoài việc tính toán các thông số và giá trị cần thiết cho mạch động lực và mạch
điều khiển, thiết kế mạch điều khiển... em dành sự quan tâm chủ yếu cho việc xây dựng cấu
trúc điều khiển tổng hợp hệ truyền động T-Đ, thiết kế các bộ điều chỉnh cho mạch vòng phản
hồi nối cấp, thực hiện mô phỏng các đặc tính hệ thống bằng chơng trình Simulink...
Trong quá trình thiết kế, với sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Tự động
hoá XNCN và của các bạn sinh viên khác cộng với sự nỗ lực của bản thân, em đã hoàn thành
đợc bản đồ án này. Tuy nhiên, do thời gian tơng đối ngắn và trình độ chuyên môn còn hạn chế
nên bản đồ án không tránh khỏi thiếu sót. Em mong nhận đợc sự góp ý của các thầy cô giáo
và các bạn để bản đồ án này đợc hoàn thiện hơn.
Sinh viên thực hiện
Hà Đăng Chính
3
Đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động
đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động của máy mài tròn
1. Đặc điểm công nghệ
1.1. Giới thiệu chung
Máy mài có hai loại chính: Máy mài tròn và máy mài phẳng. Ngoài ra, còn có các loại
máy khác nhau: máy mài vô tâm, máy mài rãnh, máy mài cắt, máy mài răng... Thờng
trên máy mài có ụ chi tiết hoặc bàn để kẹp chi tiết và ụ đá mài, trên đó có trục chính với
đá mài. Cả hai ụ đều đặt trên bệ máy.

Máy mài công nghiệp
Máy mài trònMáy mài phẳng Các loại khác
Máy
mài
tròn
ngoài
Máy
mài
tròn
trong
Máy
mài
bằng
biên
đá
Máy
mài
mặt
đầu
Máy mài vô tâm
Máy mài rãnh
Máy mài cắt
Máy mài răng
Hình 1-1. Sơ đồ phân loại máy mài công nghiệp
Máy mài tròn có hai loại: máy mài tròn ngoài và máy mài tròn trong. Sơ đồ biểu diễn
công nghệ mài tròn đợc biểu diễn trên hình 1-2.
a. Máy mài tròn ngoài
b. Máy mài tròn trong
Đá mài
Chi tiết

Hình 1-2. Sơ đồ gia công chi tiết trên máy mài tròn
Các dạng chuyển động trong máy mài tròn gồm có:
- Chuyển động chính là chuyển động quay của đá mài.
- Chuyển động ăn dao là di chuyển tịnh tiến của ụ đá ăn dao theo hờng dọc trục (ăn
dao dọc trục) hoặc theo hớng ngang trục (ăn dao ngang), hoặc chuyển động quay của chi
tiết (ăn dao vòng).
- Chuyển động phụ là di chuyển nhanh của ụ đá hoặc chi tiết...
4
Đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động
2. Yêu cầu truyền động điện máy mài tròn
1.2. Truyền động chính
Thông thờng truyền động chính máy mài không yêu cầu điều chỉnh tốc độ nên sử
dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. ở máy mài cỡ nặng, để duy trì tốc độ cắt
không đổi khi mòn đá hay kích thớc chi tiết gia công thay đổi, thờng sử dụng truyền
động động cơ có phạm vi điều chỉnh tốc độ là D=2 ữ 4/1 với công suất không đổi.
ở máy mài trung bình và nhỏ v = 50 ữ 80 m/s nên đá mài có đờng kính lớn thì tốc độ
quay của đá khoảng 1000 vòng/phút. ở những máy có đờng kính nhỏ, tốc độ đá rất cao.
Động cơ truyền động là các động cơ đặc biệt có tốc độ 24000 ữ 48000 vòng/phút hoặc có
thể lên tới 150000 ữ 200000 vòng/phút, đá mài gắn trên trục động cơ. Nguồn của động
cơ là các bộ biến tần, có thể là các máy phát tần số cao - biến tần quay hoặc là các bộ
biến tần tĩnh - biến tần thyristor.
Mômen cản tĩnh trên trục động cơ thờng là 15 ữ 20% mômen định mức. Mômen quá
tính của đá và cơ cấu truyền lực lại lớn 500 ữ 600% mômen quán tính của động cơ, do đó
cần hãm cỡng bức động cơ quay đá và không yêu cầu đảo chiều quay động cơ quay đá.
1.3. Truyền động ăn dao
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 ữ 4)/1. ở các máy lớn thì dùng hệ thống bộ biến
đổi - động cơ điện một chiều (BBĐ - ĐM), hệ KĐT - ĐM có D = 10/1 với phơng pháp
điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp phần ứng.
Truyền động ăn dao dọc của bàn máy tròn cỡ lớn thực hiện theo hệ BBĐ - ĐM với dải

điều chỉnh tốc độ D = (20 ữ 25)/1 còn truyền động ăn dao ngang sử dụng thuỷ lực.
1.4. Truyền động phụ
Sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc.
3. Đặc tính cơ của máy mài
Đặc tính của cơ cấu sản xuất đợc khái quát bằng phơng trình:
q
dm
odmoc
))(MM(MM


+=
trong đó:
M
co
- Mômen ứng với tốc độ =0
M
dm
- Mômen ứng với tốc độ định mức
dm
M
c
- Mômen ứng với tốc độ
q - số mũ phụ thuộc vào loại cơ cấu sản xuất. Với máy mài nói riêng và máy cắt
gọt kim loại nói chung, q thờng nhận hai giá trị q=1 (ứng với truyền động chính

=
1
M
c

và P = const) và q=0 (ứng với truyền động ăn dao M
c
= M
đm
= const).
Trong thực tế, đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất không giữ đợc cố định theo một quy
luật trong toàn bộ phạm vi điều chỉnh tốc độ mà thay đổi theo điều kiện công nghệ hoặc
điều kiện tự nhiên.
Đối với truyền động chính máy mài tròn, nói chung công suất không đổi (P = const)
khi tốc độ thay đổi còn mômen tỷ lệ ngợc với tốc độ

=
1
M
c
. Nh vậy, ở tốc độ thấp,
mômen có thể lớn nên kích thớc các bộ phận cơ khí phải chọn lớn lên, điều đó không có
5
Đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động
lợi. Mặt khác, thực tế sản xuất cho thấy rằng các tốc độ thấp chỉ dùng cho các chế độ làm
việc nhẹ (F
z
và P
z
nhỏ). Vì vậy, ở vùng tốc độ thấp, ngời ta giữ mômen không đổi còn
công suất thay đổi theo quan hệ bậc nhất với tốc độ.
Đối với truyền động ăn dao, nói chung mômen không đổi khi điều chỉnh tốc độ. Tuy
nhiên, ở vùng tốc độ thấp, lợng ăn dao s nhỏ, lực cắt F
z

bị hạn chế bởi chiều sâu cắt tới
hạn t. Trong vùng này, khi tốc độ ăn dao giảm, lực ăn dao và mômen ăn dao cũng giảm
theo. ở vùng tốc độ cao, tơng ứng với tốc độ v
z
của truyền động chính cũng phải lớn, nếu
giữ F
ad
lớn nh cũ thì công suất truyền động sẽ quá lớn. Do đó, cho phép giảm nhỏ lực ăn
dao trong vùng này, mômen truyền động ăn dao cũng giảm theo.
v
F
z
v
z
v
gh
0
F
ad
v
ad
v
1
0
v
2
b. Truyền động ăn dao
a. Truyền động chính
Hình 3-1. Đồ thị đặc tính phụ tải của máy mài
Một hệ thống truyền động điện có điều chỉnh gọi là tốt nếu đặc tính điều chỉnh của nó

giống đặc tính cơ của máy. Khi đó, động cơ đợc sử dụng hợp lý nhất tức là có thể làm
việc đầy tải ở mọi tốc độ. Nhờ đó, hệ thống truyền động đặt đợc các chỉ tiêu năng lợng
cao. Nói cách khác, có thể lựa chọn động cơ có kích thớc nhỏ nhất cho máy.
Đặc tính điều chỉnh của truyền động điện là
quan hệ giữa công suất hoặc mômen của động cơ
với tốc độ. Với động cơ một chiều kích từ độc lập,
khi điều chỉnh điện áp phần ứng và giữ từ thông
máy không đổi ta sẽ có:
M = kI
u
= const; P = M
Khi điều chỉnh từ thống, giữ điện áp phần ứng
không đổi thì
M = kI
u


1
; P = M = const
Kết hợp cả hai phơng pháp điều chỉnh, ta có đồ
thị nh hình 3-2. Đặc tính điều chỉnh ở vùng này có
dạng giống đặc tính cơ của truyền động chính.
Một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lợng một hệ thống truyền động điện là độ ổn
định tốc độ %. Đờng đặc tính cơ càng cứng thì độ ổn định tốc độ càng cao. Nói
chung, truyền động ăn dao yêu cầu % (5 ữ 10)% còn truyền động chính yêu cầu
% (5 ữ 15)%.
6
M,P
0

min

gh

max

P
M
Hình 3-2. Quan hệ M() và P() của
động cơ một chiều kích từ độc lập
thiết kế hệ truyền động
4. Các ph ơng án truyền động
Chọn phơng 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 loạt các hệ truyền động có thể thoả mãn yêu cầu đặt
ra. Bằng việc phân tích, đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật các hệ truyền động này,
kết hợp tính khả thi cụ thể mà ta có thể lựa chọn đợc một vài phơng án hoặc một phơng
án duy nhất để thiết kế.
Lựa chọn phơng án truyền động tức là phải xác định đợc loại động cơ truyền động một
chiều hay xoay chiều, phơng pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặc tính tải, sơ đồ nối
bộ biến đổi đảm bảo yêu cầu truyền động.
Từ những phân tích về đặc điểm công nghệ, yêu cầu truyền động của máy mài tròn và
nhiệm vụ thiết kế, để điều chỉnh tốc độ động cơ quay chi tiết máy mài tròn, ta phải điều
chỉnh điện áp phần ứng động cơ, giữ từ thông không đổi.
Với phơng án điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp phần ứng và giữ từ thông
động cơ không đổi thì ta có các phơng án truyền động sau:
Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (Hệ F-Đ).
Hệ thống truyền động chỉnh lu điều khiển thyristor- động cơ một chiều ( Hệ T-Đ).
Hệ thống điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều ( Hệ XA-Đ).
Hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ dùng phơng pháp điều chỉnh
tần số (Hệ Biến tần - Động cơ)

1.5. Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (F-Đ)
1.5.1. Cấu trúc hệ F-Đ
Hệ thống máy phát - động cơ (hệ F-Đ hay Ward-Léonard) là hệ truyền động điện mà
bộ biến đổi điện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập. Máy phát điện này thờng do
động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha ĐK quay và coi tốc độ quay của máy phát là
không đổi.
U
kF
U
đku
~
i
KF
F
ĐK
F

M
Đ
U
kĐ
U
đk
~
i
KĐ

M
I
Hình 4-1. Sơ đồ nguyên lý hệ F-Đ.

Sơ đồ nguyên lý một hệ F-Đ đợc thể hiện trên hình 4-1. Động cơ Đ truyền động quay
chi tiết của máy mài M đợc cấp điện từ máy phát F. Động cơ sơ cấp kéo máy phát F với
tốc độ không đổi là động cơ điện không đồng bộ ĐK. Khi điều chỉnh dòng điện kích từ
máy phát i
KF
thì điều chỉnh đợc tốc độ không tải của hệ thống còn độ cứng đặc tính cơ đ-
ợc giữ nguyên.
1.5.2. Đặc điểm của hệ F-Đ
Các chỉ tiêu chất lợng của hệ truyền động F-Đ về cơ bản tơng tự nh các chỉ tiêu hệ
điều chỉnh điện áp dùng bộ biến đổi nói chung. Ưu điểm nổi bật nhất của hệ F-Đ là sự
chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn. Do vậy thờng sử dụng
hệ F-Đ ở các máy khai thác trong công nghiệp mỏ.
Nhợc điểm quan trọng nhất của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quay, trong đó ít nhất
là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, hiệu suất thấp (không quá 75%), công suất lắp đặt
máy ít nhất gấp ba lần công suất động cơ chấp hành. Ngoài ra, do các máy phát một
chiều có từ d, đặc tính từ hoá có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ. Với những hệ truyền
động điện đòi hỏi dải điều chỉnh rộng hơn và cần điều chỉnh sâu hơn, ổn định tốc độ tốt
hơn thì phải thay máy phát F bằng các nguồn áp máy điện khác nh các máy điện khuếch
đại (MKĐ) và có các phản hồi nâng cao chất lợng.
Các đặc điểm khác:
Phạm vi điều chỉnh tốc độ đợc nâng lên (cỡ 30:1). Điều chỉnh tốc độ bằng phẳng
trong phạm vi điều chỉnh. Việc điều chỉnh tiến hành trên mạch kích từ máy phát nên tổn
hao nhỏ. Hệ điều chỉnh đơn giản, có thể thực hiện hãm điện dễ dàng.
Vốn đầu t ban đầu và diện tích lắp đặt lớn.
1.6. Hệ thống truyền động chỉnh lu điều khiển - động cơ một chiều
Tốc độ động cơ điện một chiều có thể đợc điều chỉnh trong phạm vi rộng và bằng
phẳng nhờ hệ chỉnh lu - động cơ (hay hệ truyền động van một chiều) trong đó các bộ
chỉnh lu là điều khiển đợc. Các van điều khiển có thể là đèn thyraton, đèn thuỷ ngân,
thyristor. Hiện nay, do công nghệ chế tạo bán dẫn công suất phát triển nên các thyristor
đợc sử dụng rộng rãi để tạo ra các bộ chỉnh lu có điều khiển bởi những tính chất u việt:

gọn nhẹ, tổn hao ít, quán tính nhỏ, tác động nhanh, công suất khống chế nhỏ... Trong hệ
thống truyền động chỉnh lu điều khiển - động cơ một chiều (CL-Đ), bộ biến đổi có sức
điện động E
đ
phụ thuộc giá trị của pha xung điều khiển (góc điều khiển ). Chỉnh lu có
thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng kích từ động cơ. Tùy theo
yêu cầu cụ thể của truyền động mà có thể dùng các sơ đồ chỉnh lu thích hợp (chỉnh lu
cầu, chỉnh lu tia ...). Các bộ chỉnh lu thyristor dùng trong truyền động điện một chiều tạo
thành hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ (hệ T-Đ).
1.6.1. Hệ truyền động thyristor-động cơ (T-Đ)
Hệ truyền động T-Đ là hệ truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc lập, điều
chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng hoặc thay đổi điện áp
đặt vào phần kích từ của động cơ thông qua các bộ biến đổi chỉnh lu dùng thyristor.
M
Đ
U
đk
~
i
KĐ

M
~
U
đk
Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động T-Đ.
1.6.2. Đặc tính cơ của hệ T-Đ
Trong hệ T-Đ, nguồn cấp cho phần ứng động cơ là bộ chỉnh lu thyristor. Dòng điện
chỉnh lu cũng chính là dòng điện phần ứng động cơ. Chế độ làm việc của chỉnh lu phụ
thuộc vào phơng thức điều khiển và các tính chất của tải. Trong truyền động điện, tải của

chỉnh lu thờng là cuộn kích từ (L-R) hoặc mạch phần ứng động cơ (L-R-E).
Phơng trình đặc tính cơ cho hệ T-Đ ở chế độ dòng điện chỉnh lu liên tục:
M
)k(
R
k
cosE
2
dm
dm
do




=
Độ cứng của đặc tính cơ là
2
dm
R
k







=
trong đó R là tổng trở toàn mạch phần ứng

động cơ (gồm điện trở phần ứng động cơ R và điện trở các phần tử trong mạch nối tiếp
với phần ứng động cơ).
Tốc độ không tải lý tởng phụ thuộc vào góc điều khiển :
dm
do
o
k
cosE


=
.
Tuy nhiên, tốc độ không tải lý tởng này chỉ là giao điểm cảu trục tung với đoạn thẳng
của đặc tính cơ kéo dài. Thực tế, do có vùng dòng điện gián đoạn, tốc độ không tải lý t -
ởng của đặc tính là lớn hơn.
Họ đặc tính cơ của hệ thống trong trờng hợp này nh trên hình 4-3 khi điều chỉnh ở
vùng dới tốc độ định mức. Các đặc tính cơ của hệ truyền động T-Đ mềm hơn hệ F-Đ vì
có sụt áp do hiện tợng chuyển mạch giữa các thyristor. Góc điều khiển càng lớn thì
điện áp đặt vào phần ứng động cơ càng nhỏ. Khi đó, đặc tính cơ hạ thấp và ứng với một
mômen cản M
c
, tốc độ động cơ sẽ giảm.
Lý thuyết và thực nghiệm chứng tỏ: khi phụ
tải nhỏ thì các đặc tính cơ có độ dốc lớn (phần
nằm trong vùng gạch chéo). Đó là vùng dòng
điện gián đoạn. Góc điều khiển càng lớn (khi
điều chỉnh sâu) thì vùng dòng điện gián đoạn
càng rộng và việc điều chỉnh tốc độ gặp nhiều
khó khăn hơn.
Trong thực tế tính toán hệ T-Đ, ta chỉ cần xác

định biên giới vùng dòng điện gián đoạn, là đ-
ờng phân cách giữa hai vùng dòng điện liên tục
và gián đoạn. Biên giới giữa vùng dòng điện
gián đoạn và liên tục có dạng đờng ellipse với
các trục là các trục toạ độ của đặc tính cơ:
1)
p
cos
p
sinU
IL
()
p
sin
p
U
E
(
2
m2
e
2
m2
=




+

Dễ dàng nhận thấy độ rộng của vùng dòng điện gián đoạn sẽ giảm nếu ta tăng giá trị
điện cảm L và tăng số pha chỉnh lu p. Song khi tăng số xung p thì mạch lực chỉnh lu cũng
tăng độ phức tạp và cả mạch điều khiển cũng phức tạp hơn. Còn khi tăng trị số L sẽ dẫn
tới làm xấu quá trình qúa độ (tăng thời gian quá độ) và làm tăng trọng lợng, kích thớc
của hệ thống. Biên giới này đợc mô tả bởi đờng cong nét đứt trên hình 4-3.
1.6.3. Đặc điểm hệ truyền động Thyristor - động cơ
Hình 4-3. Đặc tính cơ hệ T-Đ.

M
0
Ưu điểm nổi bật nhất của hệ T-Đ là độ tác động nhanh cao, không gây ồn và dễ tự
động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất cao. Điều đó rất thuận
tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất l ợng
các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống. Hệ thống T-Đ có khả năng điều
chỉnh trơn với phạm vi điều chỉnh rộng. Hệ có độ tin cậy cao, quán tính nhỏ, hiệu suất
lớn.
Nhợc điểm chủ yêu của hệ T-Đ là do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp
chỉnh lu ra có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy điện và ở các truyền
động có công suất lớn còn làm xấu dạng điện áp của nguồn và lới xoay chiều. Hệ số
công suất cos của hệ nói chung là thấp nhất là khi điều chỉnh sâu.
1.7. Hệ thống truyền động điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều (XA-Đ)
Hệ truyền động điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều (XA-Đ) sử dụng bộ điều
chỉnh xung áp một chiều, trong đó các bộ khoá điện tử đóng vai trò cơ bản. Bộ điều
chỉnh xung điện áp một chiều đợc sử dụng khi có sẵn nguồn một chiều cố định mà cần
phải điều chỉnh đợc điện áp ra tải.
Các bộ băm xung một chiều hoạt động theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn với tải một
cách chu kỳ theo một số luật khác nhau. Phần tử thực hiện nhiệm vụ đó là các van bán
dẫn. Song do chúng làm việc trong mạch một chiều nên khi dùng loại thyristor thông th-
ờng nó không đợc khoá lại một cách tự nhiên ở giai đoạn âm của điện áp nguồn nh khi

làm việc với nguồn xoay chiều. Do đó, buộc phải có một mạch chuyên dụng để khoá
thyristor gọi là "mạch khoá cỡng bức", gây nhiều khó khăn trong thực tế. Vì vậy, hiện
nay ta cố gắng sử dụng các loại van điều khiển cả đóng và ngắt nh transistor bipolar,
MOSFET và IGBT ở những dải công suất mà các van này chịu đợc. Riêng với mạch công
suất lớn vẫn phải dùng thyristor.
Trong hệ truyền động điện, các bộ điều chỉnh xung áp một chiều chủ yếu áp dụng cho
các động cơ điện một chiều có phụ tải dạng kéo (tàu điện, xe điện...).
Đ
Điều khiển
U
ng
U
đk
Hình 4-4. Sơ đồ nguyên lý một hệ truyền động XA-Đ.
Nguyên tắc của các hệ truyền động XA-Đ là thay đổi tốc độ động cơ qua điện áp đặt
vào phần ứng động cơ một chiều. Điện áp này là một điện áp ra của bộ XA tính theo giá
trị trung bình : U

= U
ng
, trong đó: U là điện áp phần ứng động cơ,U
ng
là điện áp một
chiều cần băm , là hệ số lấp đầy xung:
kt
tt
tt
t
T
t

+
==
với t
t
, t
k
là thời gian thông và khoá
của bộ khoá điện tử. Do đó, khi điều chỉnh tốc độ động cơ qua điều chỉnh điện áp đặt vào
phần ứng động cơ, cần thay đổi hệ số của bộ XA. Hệ số này có thể thay đổi bằng 3 ph-
ơng pháp: thay đổi t
t
, T hoặc cả hai.
1.8. Hệ truyền động điện động cơ không đồng bộ dùng phơng pháp điều chỉnh tần số
1.8.1. Hệ truyền động điện động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ ba pha (KĐB) đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp từ
công suất nhỏ đến công suất trung bình và chiếm tỷ lệ rất lớn so với các động khác.
Trong thời gian gần đây, do sự phát triển cao của công nghệ chế tạo bán dẫn công suất
và kỹ thuật điện tử - tin học, động cơ KĐB mới khai thác các u điểm của mình. Nó trở
thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động T-Đ.
Khác với động cơ một chiều, động cơ KĐB đơc cấu tạo phần cảm và phần ứng không
tách biệt, từ thông động cơ cũng nh mômen động cơ sinh ra phụ thuộc vào nhiều tham
số. Do vậy, hệ điều chỉnh tự động truyền động điện KĐB là hệ điều chỉnh nhiều tham số
có tính phi tuyến mạnh. Trong định hớng xây dựng hệ truyền động điện động cơ không
đồng bộ, ngời ta có xu hớng tiếp cận với các đặc tính điều chỉnh của truyền động điện
một chiều. ứng dụng chủ yếu của các thiết bị bán dẫn công suất để điều chỉnh tốc độ
xoay chiều là các bộ nghịch lu có tần số thay đổi. Để có đợc các đặc tính điều khiển có
thể so sánh đợc với đặc tính động cơ một chiều, cần sử dụng thiết bị điều khiển và thiết
bị công suất phức tạp hơn. Do đó, ta thờng sử dụng truyền động điện xoay chiều cho các
hệ truyền động có tốc độ không đổi.
1.8.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phơng pháp tần số:

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi tần số nguồn cho phép mở
rộng phạm vi sử dụng động cơ KĐB trong nhiều
ngành công nghiệp. Nó cho phép mở rộng dải điều
chỉnh tốc độ và nâng cao tính chất động học của hệ
thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói
chung và động cơ KĐB nói riêng, có thể ứng dụng
cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ
cùng một lúc nh các truyền động của nhóm máy dệt,
băng tải, bánh lăn ... hoặc cho cả các thiết bị đơn lẻ
nhất là những cơ cấu có yêu cầu tốc độ cao nh máy ly
tâm, máy mài... Đặc biệt là hệ thống điều chỉnh tốc
độ động cơ bằng cách biến đổi nguồn cung cấp sử
dụng cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc sẽ có
kết cấu đơn giản vững chắc, giá thành hạ và có thể
làm việc trong nhiều môi trờng. Nhợc điểm cơ bản của hệ thống này là sơ đồ mạch điều
khiển rất phức tạp. Đối với hệ thống này, động cơ không nhận điện từ lới chung mà từ
một bộ biến tần. Bộ biến tần này có khả năng biến đổi tần số và điện áp ra một cách độc
lập với nhau. Thờng sử dụng hai loại biến tần trong việc điều chỉnh tốc độ là biến tần trực
tiếp và biến tần gián tiếp (có sử dụng khâu trung gian một chiều). Hệ truyền động điện có
thể sử dụng bộ biến tần trực tiếp hoặc gián tiếp ba pha, cũng có thể dùng bộ biến đổi một
chiều-xoay chiều thay đổi tần số một pha hay ba pha.
a. Biến tần trực tiếp (cycloconverter): Có sơ đồ cấu trúc đơn giản (hình 4.6a). Điện áp
vào xoay chiều u
1
(tần số f
1
) chỉ cần qua một mạch van là chuyển ngay ra tải với tần số
khác. Vì vậy, loại biến tần này có hiệu suất biến đổi năng lợng cao do chỉ có một lần
biến đổi điện năng và cho phép thực hiện hãm tái sinh năng lợng mà không cần có mạch
điện phụ. Đồng thời, cũng có thể dễ dàng thực hiện điều chỉnh điện áp và tần số đầu ra

của biến tần trực tiếp với dạng sóng điện áp gần hình sin. Tuy nhiên, sơ đồ mạch van khá
phức tạp, số lợng van lớn đối với mạch ba pha. Việc thay đổi tần số ra f
2
khó khăn và phụ
thuộc vào tần số vào f
1
, số pha đầu vào của nguồn và số khoảng dẫn của các van ở mỗi
nhóm van.
Vì thế, hiện nay chủ yếu sử dụng loại biến tần này với phạm vi điều chỉnh tần số f
2
f
1
.
Mặc dù về nguyên tắc, có thể tạo biến tần với f
2
f
1
nhng mức độ phức tạp sẽ tăng lên rất
ĐK
Biến tần
~3
ĐK
~
Hình 4-5. Sơ đồ nguyên lý
hệ TĐĐ-ĐK điều chỉnh tần số.
nhiều. Biến tần trực tiếp hay đợc dùng cho truyền động điện công suất lớn, tốc độ làm
việc thấp, thí dụ để cung cấp cho các động cơ rotor lồng sóc, các động cơ rotor dây quấn
cấp bởi hai nguồn, các động cơ đồng bộ...
U
1

, f
1

~
Mạch van
~
U
2
, f
2
a)
b)
U
1
, f
1

~
Chỉnh
lưu
Lọc
Nghịch lưu
độc lập
~
U
2
, f
2
U
=

U
=
Hình 4-6. Cấu trúc biến tần trực tiếp (a) và nghịch lu độc lập (b)
b. Biến tần gián tiếp (có khâu trung gian một chiều) nghịch lu độc lập: Sơ đồ cấu
trúc đợc trình bày trên hình 4-6b. Trong loại biến tần này, điện áp xoay chiều đầu tiên đ -
ợc chuyển thành điện áp một chiều nhờ bộ chỉnh lu, sau đó đi qua bộ lọc rồi mới trả về
điện áp xoay chiều với tần số f
2
. Việc biến đổi năng lợng hai lần làm giảm hiệu suất biến
tần. Song, loại biến tần này cho phép thay đổi dễ dãng tần số ra f
2
không phụ thuộc vào
tần số vào f
1
trong một dải rộng cả trên và dới f
1
vì tần số ra chỉ phục thuộc vào mạch
điều khiển. Hơn nữa, với sự ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kỹ thuật vi xử lý và dùng van
lực là các loại transistor đã cho phép phát huy tối đa các u điểm của loại biến tần này. Vì
vậy, đa số các biến tần hiện nay là biến tần nghịch lu độc lập với nguồn cung cấp là
nguồn dòng hoặc nguồn áp. Tuy nhiên, nếu sử dụng van thyristor vẫn còn một số khó
khăn nhất định khi giải quyết vấn đề khoá van.
Biến tần nguồn áp: Nghịch lu điện áp có đặc điểm dạng điện áp ra tải đợc định hình
sẵn còn dạng dòng điện ra tải lại phụ thuộc vào tính chất tải. Nguồn áp đợc tạo ra bằng
một bộ chỉnh lu với đầu ra đợc nối song song với một tụ điện có giá trị đủ lớn để đảm
bảo điện áp nguồn ít bị thay đổi và để trao đổi công suất phản kháng với điện cảm tải của
động cơ. Điện áp ra của nghịch lu điện áp không có dạng hình sin mà đa số là dạng xung
chữ nhật. Việc điều chỉnh tần số điện áp ra trên tải đợc thực hiện dễ dàng bằng điều
khiển qui luật mở van của phần nghịch lu. Phơng pháp điều khiển này thay đổi dễ dàng
tần số mà không phụ thuộc vào lới điện.

Biến tần nguồn dòng: Trong các hệ truyền động điện điều chỉnh động cơ xoay
chiều, nguồn dòng thờng đợc sử dụng cho các hệ thống công suất lớn và có sơ đồ cầu ba
pha, trong đó các van bán dẫn là các van điều khiển hoàn toàn. Sơ đồ đơn giản, làm việc
tin cậy, đợc sử dụng rộng rãi để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha rotor lồng
sóc.Biến tần nguồn dòng có u điểm là tăng đợc công suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản
mà vẫn thực hiện hãm tái sinh động cơ. Khi làm việc với tải là động cơ xoay chiều thì
điện áp tải có xuất hiện các xung nhọn tại các thời điểm chuyển mạch dòng điện chuyển
mạch giữa các pha. Trong thực tế, thờng sử dụng các van điều khiển không hoàn toàn, vì
vậy cần có các mạch khoá cỡng bức các van đang dẫn, bảo đảm chuyển mạch dòng điện
giữa các pha một cách chắc chắn trong phạm vi điều chỉnh tần số và dòng điện đủ rộng.
Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lu phải là nguồn dòng điện, tức là dòng điện
không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển. Nguồn dòng thờng đ-
ợc tạo ra bằng một bộ chỉnh lu có đầu ra nối tiếp với điện cảm có giá trị lớn.
Mặc dù động cơ không đồng bộ ba pha có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an
toàn và sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lới điện xoay chiều ba pha, nhng về phơng diện
điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều u việt hơn so với các loại động cơ
khác: có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn
giản hơn và đạt chất lợng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Chính vì vậy,
ta sẽ chọn phơng án thiết kế hệ truyền động chỉnh lu Thyristor - động cơ một chiều
kích từ độc lập.
5. Xác định các thông số động cơ truyền động
Các thông số kỹ thuật hệ thống
- Mômen cực đại (M
max
): 25 (Nm)
- Tốc độ quay chi tiết (n): 20 ữ1000 (Vòng/phút)
- Tỷ số truyền (i): 3
- Hiệu suất (): 0,8
- Mômen quán tính cơ cấu (J): 0,008 (kgm
2

)
1.9. Chọn công suất động cơ cho truyền động quay chi tiết máy mài tròn
Để tính chọn công suất động cơ trong trờng hợp truyền động có điều chỉnh tốc độ, ta
cần xác định các yêu cầu cơ bản sau:
Đặc tính phụ tải truyền động P
c
(), M
c
(): Phụ tải truyền động yêu cầu điều
chỉnh tốc độ với M = const. Khi đó, công suất yêu cầu cực đại P
max
= M
đm
.
max
M
c
0

min

max

M
c
= const
Hình 5. Đặc tính phụ tải
Phạm vi điều chỉnh tốc độ
max
và

min
.

min
= i.
cmin
= i.
60
2.n
minc

=3.
60
2.20

= 6,283 (rad/s) hay n
min
= 60(vòng/phút)

max
= i.
cmax
= i.
60
2.n
maxc

=3.
60
2.1000

= 314,159 (rad/s) hay n
max
= 3000(vòng/phút)
Dải điều chỉnh tốc độ:
60
3000
n
n
D
min
max
min
max
==


=
=50:1
Phơng pháp điều chỉnh và bộ biến đổi trong hệ thống truyền động: Điều chỉnh
điện áp phần ứng sử dụng chỉnh lu cầu ba pha điều khiển (thyristor).
Loại động cơ truyền động: động cơ một chiều kích từ độc lập.
Đặc điểm của phụ tải truyền động động cơ quay chi tiết máy mài tròn là giữ M = const
trong phạm vi điều chỉnh tốc độ. Do đó, ta có yêu cầu công suất cực đại
P
max
=

1
.M

đm
.
max
=

1
.M
cmax
.
cmax
=
8,0
1
.25.


60
2.1000
3272,5 (W)

3,3 (kW)
Ta chọn loại động cơ 31 của Nga với các thông số sau:
P
đm
= 3,3 (kW)
U
đm
= 220 (V)
I
đm

= 17,5 (A)
n
đm
= 3000 (vòng/phút)
R = R + R
cp
= 0,642()

đm
= 5,7 (mWb)
I
kt
= 0,62 (A)
J
đ
= 0,09 (kg.m
2
)
2a = 2
1.10. Xác định các thông số động cơ
Điện cảm phần ứng L =
=
3000.1.5,17
220
.6,5=
n.p.I
U
.k
mđmđ
mđ

L
0,0235(H) = 23,5 (mH)
trong đó k
L
là hệ số lấy giá trị 5,5 ữ 5,7 đối với máy không bù và k
L
= 1,4 ữ 1,9 đối với
máy có bù; p là số đôi cực.
k
đm
=
=
100
642,0.5,17220
=

R.I.U
mđ
mđmđ

0,67
Mômen quán tính J = J
đ
+ J
c
= 0,09 + 0,008 = 0,098 (kg.m
2
)
Hằng số thời gian cơ học T
c

=
=
)67,0(
098,0.642,0.2
=
)k(
J.R
22
mđ


0,2803 (s)
Hằng số thời gian mạch phần ứng T =
=
642,0
0235,0
=
R
L
ư
0,0366 (s)
Phơng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
M
)67,0(
642,0
67,0
220
M
)k(
R

k
U
22
ư
=



=
= 328,36 1,43M
Phơng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
ưư
ư
I
67,0
642,0
67,0
220
I
k
R
k
U
=



=
= 328,36 0,96I
6. Thiết kế bộ biến đổi chỉnh l u Thyristor

Yêu cầu đối với bộ chỉnh lu:
- Nguồn điện xoay chiều: 3x380V, 50Hz
- Bộ chỉnh lu cầu ba pha có điều khiển
- Điện áp chỉnh lu: U
d
= 220 V
- Dòng chỉnh lu: I
d
= 17,5 A
- Độ nhấp nhô thấp
Vì công suất nhỏ (P
d
= 3,85 kVA), đờng kính dây quấn nhỏ nên sẽ có lợi nếu ta tăng
số vòng dây lên
3
lần và giảm tiết diện dây đi
3
lần. Để làm việc này, phía sơ cấp sẽ
đấu kiểu , phía thứ cấp đấu Y (/Y).
1.11. Tính chọn máy biến nguồn
Máy biến áp nguồn dùng để tạo điện áp U
2
phù hợp với điện áp động cơ và cách ly
phần mạch lực bộ biến đổi với lới điện. Máy biến áp công suất cỡ chục kVA thuộc loại
máy biến áp công suất nhỏ, sụt áp trên điện trở tơng đối lớn (khoảng 4%) còn sụt áp trên
điện kháng ít hơn (khoảng 1,5%). Điện áp sụt trên hai thyristor nối tiếp khoảng 2V.
Điện áp chỉnh lu không tải: U
do
= 220.1,055 + 2 = 234V
Giá trị hiệu dụng điện áp thứ cấp máy biến áp (nối /Y):

3
U
.
23
U
do
2

=
= 100 (V)
Tỷ số máy biến áp: k =
100
380
U
U
2
1
=
= 3,8
Dòng thứ cấp máy biến áp: I
2
=
d
I.
3
2
= 14,3(A)
Công suất máy biến áp: P = 3.U
2
.I

2
= 3.100.14,3 = 4290 (VA)

4,29 (kVA).
1.12. Chọn van thyristor trong bộ biến đổi
- Giá trị dòng trung bình chảy qua mỗi van:
3
5,17
3
I
I
d
vtb
==
= 5,83 (A)
- Giá trị dòng cực đại qua mỗi van: I
vmax
= I
d
= 17,5 (A)
- Giá trị điện áp ngợc đặt lên mỗi van: U
ngmax
= 2,45.U
2
= 2,45.100 = 245 (V)
Từ những tính toán trên, với chế độ làm mát bằng quạt gió thì các thông số cần của
mỗi van trong mạch chỉnh lu cầu ba pha là:
- U
ngt
1,6. U

ngmax
= 1,6 . 245 = 392 (V)
- I
t
1,5. I
max
= 1,5.17,5 = 26,25 (A)
Ta có thể chọn van T50 của Liên Xô(cũ) để chịu đợc các điều kiện dòng và áp trong
mạch. Các thông số của van đợc cho trong bảng sau:
I
tb
U
tm
U
t
off
I
g
U
g
dt
di
dt
du
A V V
às
A V
A/às V/às
50 400 1 100 0,3 7 50 250