Thiết kế hệ thống truyền động cho cân băng định lượng

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Phạm Văn Viết

Lời nói đầu
Ngày nay với xu thế hiện đại hóa trong các ngành công nghiệp thì tự động hóa đang ngày
càng được chú trọng phát triển.Cùng sự hội nhập kinh tế và công nghệ thông tin phát triển nhiều
ngành công nghệ cao không còn xa lạ với đất nước ta.
Hiện nay tự động hóa đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong các khâu của sản xuất công
nghiệp.Một trong các khâu được ứng dụng là khâu truyền tải khi sản xuất.Trong học kì này
nhóm em được giao đề tài:

Thiết kế hệ thống truyền động cho cân băng định lượng
Nội dung của đồ án chia làm 5 chương, cụ thể như sau:
Chương I: Tìm hiểu về công nghệ .
Chương II: Tính Toán Động Cơ , Phương Án Truyền Động Và Mạch Lực
Chương III: Tổng Hợp Các Bộ Điều Khiển
Chương IV: Thiết Kế Mạch Điều Khiển
Chương V: Mô Phỏng hệ thống.
Em xin cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của các thầy trong bộ môn đặc biệt là thầy Nguyễn
Duy Đỉnh để em hoàn thành đồ án này.Trong quá trình lần đầu thiết kế không tránh khỏi nhiều
sai sót mong được các thầy trong bộ môn chỉ dạy thêm.

Hà Nội 04/06/2012
Sinh viên
Phạm Văn Viết

Page 1


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Phạm Văn Viết

Mục Lục
Chương 1 : Tìm hiểu công nghệ .......................................................................................4
1. Mô tả chung về cân băng .....................................................................................................4
2.Các thông số kỹ thuật, đặc điểm công nghệ ...........................................................................5

Chương 2 : Tính Toán Động Cơ , Phương Án Truyền Động Và Mạch Lực ....7
I. Tính toán động cơ.................................................................................................................7
II. Chọn phương án truyền động ..............................................................................................8
A.Hệ truyền động máy phát động cơ 1 chièu ........................................................................8
B.Hệ truyền động chỉnh lưu động cơ....................................................................................9
C.Hệ truyền động xung áp động cơ .................................................................................... 10
III.Thiết kế mạch lực ............................................................................................................. 13
1.Tính toán thông số........................................................................................................... 13
2.tính chọn biến áp ............................................................................................................. 14
3.Tính chọn Thyristor......................................................................................................... 14
4.Tính toán cuộn kháng ...................................................................................................... 15
5.Tính toán bảo vệ .............................................................................................................. 16

Chương 3 : Tổng hợp hệ thống .......................................................................................20
I.Mô tả toán học các khâu ...................................................................................................... 20
II Tổng hợp mạch vòng dòng điện ......................................................................................... 21
III Mạch vòng điều chỉnh tốc độ ............................................................................................ 23
IV.Mạch vòng điều chỉnh năng suất ....................................................................................... 25
V.Các mạch điều khiển phụ trợ .............................................................................................. 28

Chương 4: Thiết kế mạch điều khiên ..........................................................................36
I.Yêu cầu với mạch điều khiển............................................................................................... 36

II.Nguyên lý chung của mạch điều khiển ............................................................................... 37
III.Thiết kế các khâu .............................................................................................................. 38

Chương 5 :Mô phỏng ........................................................................................................47

Page 2


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Phạm Văn Viết

ĐỒ ÁN MÔN HỌC TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ
Tên đề tài: thiết kế hệ thống truyền động cho cân băng định lượng :

Phễu

Vật
F

Cơ cấu cân định lượng

Puli chủ động

Hộp số

Động cơ

Số liệu:
-Lực kéo F:

600
[N]
1,5
[m/s]
-Tốc độ cực đại vmax:
-Tốc độ cực tiểu vmin: 0,075
[m/s]
-Đường kính trục D: 300
[mm]
-Tỉ số truyền i: 10
-Hiệu suất : 0,8
Yêu cầu nội dung:
-Nêu các yêu cầu về công nghệ và truyền động.
-Chọn phương án truyền động. Tính chọn công suất cho động cơ và mạch lực.
-Xây dựng cấu trúc tổng hợp của hệ.
-Thiết kế mạch điều khiển.
-Mô phỏng hệ thống sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK.

Page 3


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Phạm Văn Viết

Chương 1: Giới thiệu chung về yêu cầu công nghệ
I.

-

Mô tả chung về công nghệ cân băng định lượng
Cân băng định lượng là cơ cấu tác động liên tục thuộc nhóm máy nâng vận chuyển dụng để
chuyên chở hàng dạng hạt,cục như cát ,than,thóc ,gạo… hoặc các vật liệu thể rắn như gỗ hòm
thép thỏi thường theo phương nằm ngang hoặc nghiêng.
Cân băng định lượng đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống sản xuất,là cầu nối giữa các máy
sản xuất trong 1 nhà máy,giữa các nhà máy với nhau,ứng dụng trộn vật liệu.
Hệ truyền động cân băng định lượng gồm có:
Phễu
Động cơ
Hộp số
Băng tải
Puli chủ động
Puli bị động
Cơ cấu cân băng định lượng

Hoạt động cân băng định lượng:
Động cơ quay làm quay trục thông qua hộp số biến đổi tốc độ quay đến puli chủ động động, nhờ
masat băng tải chuyển động,puli bị động quay tự do.Khi băng tải có tốc độ ổn định,phễu rót vật
liệu xuống.Vật liệu được băng tải chuyển đến nơi khác.Để khắc phục độ võng của băng tải người
Page 4


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

II.
1.
2.
a.

b.

Phạm Văn Viết

ta lắp các con lăn ,các con lăn tự chuyển động nhờ ma sat với băng tải.Khối lượng của vật liệu
được cơ cấu cân định lượng xác định theo lượng đặt trước.
Công thức xác định năng suất băng tải:
Q = ¶ . v (kg/s)
Trong đó ¶ là khối lượng tải theo chiều dài (kg/m)
v là vận tốc băng tải (m/s)
Các thông số kĩ thuật ,đặc điểm công nghệ.
Các thông số kĩ thuật:
Hệ truyền động sử dụng động cơ điện 1 chiều
Lực kéo F = 600N
Tốc độ cực đại vmax = 1.5 m/s
Tốc độ cực tiểu vmin = 0.075 m/s
Đường kính trục D = 300mm
Tỉ số truyền i= 10
Hiệu suất 0.8
Đặc điểm công nghệ
Chế độ làm việc:
Chế độ làm việc dài hạn,không đảo chiều quay động cơ do vật liệu được vận chuyển theo 1 chiều
nhất định,nếu đảo chiều quay làm rơi vãi vật liệu.
Loại phụ tải và các chế độ làm việc:
Tải của hệ truyền động phân phối vật liệu gần như không thay đổi trong quá trình làm việc
Mc = hằng số

Mc

Pc

,
Ta có giản đồ phụ tải
MC
1

2

3

t

0
Page 5


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

c.

d.

e.

f.

Phạm Văn Viết

Đoạn 01 là khi băng tải được khởi động.Băng tải làm việc ở chế độ dài hạn,số lần đóng cắt ít.Các
yêu cầu khởi động không quá nặng nề.Ta có thể cho băng tải khởi động đến tốc độ làm việc và
ổn định ở tốc độ đó rồi mới cho vật liệu xuống.

Đoạn 12 là đoạn băng tải làm việc với tải Mc không đổi.
Đoạn 23 là đoạn giảm tốc và dừng băng.Ta cho băng dừng tự do không cần phanh hãm.
Các yêu cầu về khởi động và hãm
Hệ truyền động tuy không yêu cầu cao về khởi động và hãm (có thể cho dừng tự do)nhưng nếu
cho tăng tốc với gia tốc lớn sẽ dễ làm hỏng băng tải(quán tính lớn).Bởi vậy ta có thể dùng khâu
giảm tốc khi khởi động.Để động cơ có thể tiệp tục làm việc sau khi mất điện ta cần chọn động cơ
có momen khởi động đủ lớn.
Hệ truyền động nhiều động cơ
Khi có nhiều băng tải làm việc nối tiếp nhau trong 1 dây chuyền đòi hỏi phải đồng bộ hóa tốc độ
của các động cơ để tốc độ làm việc bằng nhau tránh lực đàn hồi trên băng
Độ chính xác
Độ chính xác về tốc độ là yêu cầu quan trọng,được đánh giá bởi sai lệch tĩnh:
σ = Δ / đm .100%
Dải điều chỉnh
D= max : min = 1.5 :0.075 = 20 :1

Page 6


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Phạm Văn Viết

Chương 2 : Tính chọn động cơ,phương án truyền động và mạch lực

I.
-

-

Tính toán động cơ
Ta xác định các thông số cơ bản:
Tính toán tốc độ động cơ
Vận tốc lớn nhất,nhỏ nhất vmin= 0.075(m/s);
vmax = 1.5(m/s)
Vận tốc trục quay ’max = vmax/R = 1.5/0.15 = 10 (rad/s)
’min = vmin/R = 0.075/0.15 = 0.5(rad/s)
Vận tốc quy đổi về động cơ,tỉ số truyền i= 10
’max .i = 100(rad/s)
max =
’min .i = 5(rad/s)
min =
Momen cản quy đổi về trục động cơ
Mcqd = (F.R)/(i. ) = (600.0,15)/(10.0,8) = 11,25 (Nm)
Dải điều chỉnh tốc độ D = max/ min = 20 : 1
Đặc tính phụ tải truyền động Pc( ),Mc( ) :Phụ tải truyền động ổn định Mc = const


Mc= const
max

min
0

-

Mc

Công suất yêu cầu cực đại P max = Mcqd . max = 11,25 . 100 = 1125 (W) = 1,125 (kW)
Chọn Pdm = 1,3 . Pmax = 1,125 .1,3 = 1,4625 (kW).

Loại động cơ chọn : động cơ 1 chiều kích từ độc lập.
Phương án truyền động : hệ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn thyristor
Từ các thông số trên,dựa vào tài liệu cơ sở truyền động điện ,chọn loại động cơ của hãng
Siemmen 1HC5 100 có các thông số
Pdm = 1,35 kW;
Udm = 280V;
Idm = 5.65 A;
ndm = 955 v/ph;
Ra = 3,19 Ω;
J = 0,025 kg.m2;
2p =4;
Page 7


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Phạm Văn Viết

Xác định các thông số động cơ
Điện cảm phần ứng Lư = kl.

. .

= 5,5 .

,

. .

= 0,026(H) = 26(mH)

Trong đó kl là hệ số lấy giá trị 5,5 5,7 với máy không bù, và 1,4 1,9 đối với máy có bù
k
II.

dm =



.

=

,

.

,

= 2,62

Chọn phương án truyền động
Với các thông số động cơ được tính toán.Công suất động cơ 1,45kW;điện áp chỉnh lưu
220V;điện áp nguồn 3x380V,50Hz;
Chọn phương án truyền động là dựa trên các yêu cầu công nghệ và kết quả tính chọn
công suất động cơ, từ đó tìm ra một 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 được một vài phương án hoặc một phương án duy nhất để thiết kế.
Lựa chọn phương án truyền động tức là phải xác định được loại động cơ truyền động một chiều
hay xoay chiều, phương pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặc tính tải, sơ đồ nối bộ biến đổi

đảm bảo yêu cầu truyền động.
Từ những phân tích về đặc điểm công nghệ, yêu cầu truyền động của băng tải và nhiệm
vụ thiết kế (dùng động cơ điện một chiều), để điều chỉnh tốc độ động cơ quay puli chủ động, ta
phải điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ, giữ từ thông không đổi.
Với phương án điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp phần ứng và giữ từ thông động cơ
không đổi thì ta có các phương án truyền động sau:
 Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (Hệ F-Đ).
 Hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển thyristor- động cơ một chiều ( Hệ T-Đ).
 Hệ thống điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều (Hệ XA-Đ).
A. HỆ TRUYỀN ĐỘNG MÁY PHÁT – ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
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 thường do động cơ sơ cấp
không đồng bộ ba pha ĐK quay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi.
~
§K
F

I
Uk§

iKF
F
U®ku

UkF

U®k

§

iK§

M


~

M

Page 8


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

-

-

Phạm Văn Viết

Sơ đồ nguyên lý hệ F-Đ
Sơ đồ nguyên lý một hệ F-Đ được thể hiện trên hình vẽ. Động cơ Đ truyền động quay chi tiết của
máy mài M được 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 iKF thì điều chỉnh
được tốc độ không tải của hệ thống còn độ cứng đặc tính cơ được giữ nguyên.
2. Đặc điểm của hệ F-Đ
Các chỉ tiêu chất lượng của hệ truyền động F-Đ về cơ bản tương tự như 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 thường sử dụng hệ F-Đ ở các máy
khai thác trong công nghiệp mỏ.

Nhược 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 dư, 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 như các máy điện khuếch đại (MKĐ) và có các phản hồi nâng cao
chất lượng.
Các đặc điểm khác
Phạm vi điều chỉnh tốc độ được 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 tư ban đầu và diện tích lắp đặt lớn.
B. HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU – ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
Tốc độ động cơ điện một chiều có thể được điều chỉnh trong phạm vi rộng và bằng phẳng nhờ hệ
chỉnh lưu - động cơ (hay hệ truyền động van một chiều) trong đó các bộ chỉnh lưu là điều khiển
được. 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 được sử dụng rộng rãi để tạo ra các
bộ chỉnh lưu có điều khiển bởi những tính chất ưu việt: gọn nhẹ, tổn hao ít, quán tính nhỏ, tác
động nhanh, công suất khống chế nhỏ... Trong hệ thống truyền động chỉnh lưu điều khiển - động
cơ một chiều (CL-Đ), bộ biến đổi có sức điện động Eđ phụ thuộc giá trị của pha xung điều khiển
(góc điều khiển ). Chỉnh lưu 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 lưu
thích hợp (chỉnh lưu cầu, chỉnh lưu tia ...). Các bộ chỉnh lưu thyristor dùng trong truyền động
điện một chiều tạo thành hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ (hệ T-Đ).
1. Hệ truyền động Thyristor – Động cơ
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 lưu dùng thyristor.

Page 9

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Phạm Văn Viết
~

U®k
~

U®k

§
iK§

M

M

Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động T-Đ
2. Đặc tính cơ của hệ
Trong hệ T-Đ, nguồn cấp cho phần ứng động cơ là bộ chỉnh lưu thyristor. Dòng điện chỉnh lưu
cũng chính là dòng điện phần ứng động cơ. Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào
phương thức điều khiển và các tính chất của tải. Trong truyền động điện, tải của chỉnh lưu
thường là cuộn kích từ (L-R) hoặc mạch phần ứng động cơ (L-R-E).
Phương trình đặc tính cơ cho hệ T-Đ ở chế độ dòng điện chỉnh lưu liên tục:



E do cos 

R

M
kF dm
( kF dm ) 2

2

 kF dm 
Độ cứng của đặc tính cơ là   
 trong đó R
 R 

là tổng trở toàn mạch phần ứng động cơ (gồm điện trở
phần ứng động cơ Rư và điện trở các phần tử trong
mạch nối tiếp với phần ứng động cơ).
Tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào góc điều
khiển :

o 

E do cos 
.
kF dm

0

M

Đặc tính cơ của hệ T-Đ

Tuy nhiên, tốc độ không tải lý tưởng này chỉ là giao
điểm của 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 tưởng của đặc
tính là lớn hơn.
Họ đặc tính cơ của hệ thống trong trường hợp này như trên hình bên khi điều chỉnh ở vùng dưới
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
tượng chuyển mạch giữa các thyristor. Góc điều khiển  càng lớn thì điện áp đặt vào phần ứng

Page 10


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Phạm Văn Viết

động cơ càng nhỏ. Khi đó, đặc tính cơ hạ thấp và ứng với một mômen cản Mc, 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 đường
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 đường ellipse với các trục là các trục toạ độ của đặc tính cơ:

(
U2m

ILe
E
)2  (

)2  1
p



sin
U 2 m sin  cos
p
p
p


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 lưu p. Song khi tăng số xung p thì mạch lực chỉnh lưu 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 lượng, kích thước của hệ thống. Biên giới này
được mô tả bởi đường cong nét đứt trên hình trên.
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 lượng 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.
Nhược điểm chủ yếu của hệ T-Đ là do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lưu
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 lưới xoay chiều. Hệ số công suất cos của hệ nói
chung là thấp nhất là khi điều chỉnh sâu.
C. HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN XUNG ÁP – ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
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 được sử dụng khi có sẵn nguồn một chiều cố định mà cần phải điều chỉnh được 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 thường nó không được khoá lại
một cách tự nhiên ở giai đoạn âm của điện áp nguồn như khi làm việc với nguồn xoay chiều. Do
đó, buộc phải có một mạch chuyên dụng để khoá thyristor gọi là "mạch khoá cưỡng 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 như transistor bipolar, MOSFET và IGBT ở những dải công suất mà các van này
chịu được. 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...).

Page 11


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Phạm Văn Viết

§iÒu khiÓn

U®k

Ung
§

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: Uư
= Ung, trong đó: Uư là điện áp phần ứng động cơ,Ung là điện áp một chiều cần băm,  là hệ số

t
lấp đầy xung:   t 
T

tt
với tt, tk là thời gian thông và khoá của bộ khoá điện tử. Do đó,
tt  tk

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 phương pháp: thay đổi tt, T hoặc cả hai.
So sánh 3 phương án ta quyết định chọn phương án truyền động chỉnh lưu Thyristor - động cơ
một chiều kích từ độc lập.
III.

-

Thiết kế mạch lực
Tính chọn bộ biến đổi chỉnh lưu thyristor
Yêu cầu với bộ chỉnh lưu
Nguồn điện xoay chiều 3x380V,50Hz
Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn
Điện áp chỉnh lưu Ud = 280V
Dòng chỉnh lưu Id = 5,65 A
Độ nhấp nhô thấp

Page 12


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Phạm Văn Viết

BAN

1. Xác định điện áp không tải chỉnh lưu và điện áp ra của máy biến áp
Bộ biến đổi chỉnh lưu cần có giá trị điện áp không tải đảm bảo cấp cho phần ứng đọng cơ điện 1
chiều có các tham số:sức điện động định mức động cơ Eưđm ,sụt áp tổng ở mạch khi dòng phản
ứng cực đại I ưmax
1Udocosmin = 2Eưđm + UV + IưmaxRư + Umax
Trong đó Ud0 – điện áp không tải của chỉnh lưu
1= 0,95 – hệ số tính đến sự suy giảm của điện áp lưới
2 =1,04 – 1,06 là hệ số dự trữ máy biến áp
min góc điều khiển cực tiểu .Với sơ đồ không đảo chiều min = 0
UV là tổng sụt áp trên van ,bao gồm sụt áp trên điện trở tương đương lớn (khoảng 4%) còn sụt
áp trên điện kháng ít hơn (khoảng 1,5 %) và điện áp sụt trên 2 thyristor nối tiếp khoảng 2V
Rư là điện trở đẳng trị tổng quy đổi về mạch một chiều gồm điện trở toàn phần mạch phần ứng
,điện trở máy biến áp và điện trở cuộn lọc một chiều
Iưmax là dòng phần ứng cực đại nằm trong khoảng 2-2,5 Iưmax
Umax sụt áp cực đại do trùng dẫn
Page 13


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Phạm Văn Viết

Umax = Uđm

I u max I udm

I udm I ddm

I đm dòng định mức bộ biến đổi
Uđm sụt áp trùng dẫn định mức,được xác định :
Uđm = Udo.UK. Y
Uk là điện áp ngắn mạch
Y đối với sơ đồ sáu xung và 12 xung = 0,5
Nếu Iưđm = Iddm ta có
 2 Eudm   U V  Ru  I u max
Udo =
 1 cos min  Y U K 

I u max
bội số dòng điện
I ddm
Từ đó ta có
=

 2 Eudm   U V  Ru  I u max
 1 cos min  Y U K 
1,04.280  (280.0,055  2)  3,19.5,65
 368(V )
=
0,95  0,5.2,5.5%
U
U vo  do  273V
1,35
Udo=

Điện áp pha hiệu dụng thứ cấp máy biến áp:

U2 =

√

=

= 158 V

√

2. Tính chọn máy biến áp nguồn BAN
BAN đấu theo kiểu /Y .Điện áp lưới UL = 380V
Tỷ số máy biến áp : KBAN =

=

= 2,4

Dòng hiệu dụng thứ cấp BAN:
I2 =

Id =

.5,65 = 4,6 (A)

Dòng hiệu dụng sơ cấp BAN:
I1 =

,

=

,

= 1,92(A)

Công suất định mức BAN:
SBAN = 1,05Ud0 Idđm = 1,05.368.5,65 = 2183(VA)
er= 2%; ex = 8%
Rba = er .

.

Xba = ex . .

= 0,02.
.

.

= 1,37 (Ω)

= 5,5 (Ω)

Suy ra Lba = 17,5 (mH)
3. Tính chọn thyristor trong mạch chỉnh lưu
Page 14


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Phạm Văn Viết

Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha
Dòng trung bình qua mỗi thyristor:
Itbv = Idđm =

,

= 1,88(A)

Dòng cực đại qua mỗi van:
Ungmax = Udmax = 1,05.368=386,4 (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 lưu 3 pha là :
Ungt≥ 1,6.Ungmax= 1,6.386,4 = 618,24(V)
It ≥ 1,5.Imax = 1,5.5,65=8,475(A)
Từ đây chọn được loại thyristor cần dùng là T160N do Tây Âu chế tạo có các thông số:
Dòng điện điều khiển Thyristor Iđk=0,25(A)
Điện áp điều khiển Thyristor Uđk=1,4(V)
Thời gian phục hồi tính chất khóa tph=200( )
Độ rộng xung điều khiển : tx= 2.tph = 400 (

)

Tần số xung điều khiển: fx=1,25(kHz)
Mức sụt biên độ xung: sx=0,15
Độ mất đối xứng cho phép: ∆ = 4°
Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: E=±12( )
Phạm vi góc điều chỉnh : 170°

4. Tính toán cuộn kháng mạch lọc một chiều
Điện cảm phần ứng Lư = kl.

. .

= 5,5 .

,

. .

= 0,026(H) = 26(mH)

Trong đó kl là hệ số lấy giá trị 5,5 5,7 với máy không bù, và 1,4 1,9 đối với máy có bù
5. Bảo vệ quá dòng điện cho van thyristor
Các thyristor trong quá trình làm việc có thể gặp sự cố quá dòng điện do ngắn mạch.Để đảm bảo
cho các thyristor làm việc an toàn ta phải lắp đặt các thiết bị bảo vệ chống quá dòng điện :
aptomat,cầu dao và các dây chảy tác động nhanh.
Chọn aptomat có : Iđm = 1,1Ilv = 1,1. Id /√3 = 3,59 (A)
Uđm = 280V
Có thể cắt dòng bằng tay hoặc tự động
Chỉnh dòng điện ngắn mạch: Inm = 2,5 . Ilv = 8,16 (A)
Chỉnh định dòng quá tải : Iqt = 1,5.Ilv = 4,89(A)
Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các thyristor ngắn mạch đầu ra chỉnh lưu:
Nhóm 1CC :
Dòng điện từ nguồn : I2 =

.Id =

. 5,65 = 4,61 (A)

Dòng định mức : I1CC = 1,1.I2 = 1,1.4,61 = 5,07 (A)
Page 15


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Phạm Văn Viết

Nhóm 2CC:
Dòng định mức : I2CC = 1,1.Ilv = 3,59 (A)
Nhóm 3CC:
Dòng định mức : I3CC = 1,1.Id = 1,1.5,65 = 6,215 (A)
6. Bảo vệ quá điện áp cho van
Bảo vệ quá điện áp trong quá trình đóng cắt thyristor được thực hiện bằng cách mắc R-C song
song với thyristor. Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra
ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng
điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm gây nên quá điện áp giữa
Anod và Catod của thyristor. Khi có mạch R-C mắc song song với thyristor tạo ra mạch vòng
phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên thyristor không bị quá điện áp.

Mạch R-C bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch
√

Ta có điện cảm tản trên một pha biến áp: La=
Suy ra: R=

√

=

, .
√ .

=

√ .
.

. 10 = 1,8.10-6(H)=1,8(

)

. 1000.106=3,34(Ω)

Tụ điện C phải thỏa mãn : C>8La/R suy ra C>8.1,8/3,34=4,3(
Như vậy ta chọn các giá trị như sau: R=3,6(Ω) , C=4,7(

)

) , La=2,2(

)

+Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện ta mắc mạch R-C như sau :

Page 16


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Phạm Văn Viết

Mạch bảo vệ xung điện áp từ lưới điện
Nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây.bảo vệ.
.

Tụ Cf được tính bằng: Cf=

)

(

Với m=3(số pha)
I02 là giá trị hiệu dụng dòng từ hóa MBA I02=5%I2=4,366(A)
=2
a=√6 =2,4495 ;
K=Uvmax/Ungmax=600/230,38=2,6
. ,

Suy ra Cf=

.

,

. ,

.

,

( ,

Điện trở Rf được xác định bằng :

)

= 11,68.10-6(F)=11,68 (
.

< Rf<

)

.

Với Rmin=2,1, Rmax=4,3 suy ra 70Chọn Rf=100(Ω)
7. Tính toán cuộn kháng một chiều
Giá trị cuộn kháng :
Ll =

.

.

−1

LL :trị số cuộn kháng lọc cần thiết(H)

U
Rd: điện trở tải tương đương tính bằng: Rd= d = =65,13(Ω)
.
Id
Trong đó :

ω:tần số góc.ω=2πf=100π(rad/s)
mđm =6 với chỉnh lưu cầu 3 pha.
Page 17


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

ksb:hệ số san bằng. ksb=

Phạm Văn Viết

kdmv
kdmr

Đối với mạch chỉnh lưu cầu 3 pha,hệ số đập mạch là 0,057 nên kđmv=0,057. Chọn
kdmr=0,01 thì ksb=5,7
11, 4
Do đó :
LL=
5, 72  1 =4,17. 10 2 (H) = 41,7 (mH) .
6.100.
Các thông số ban đầu :
Giá trị yêu cầu của cuộn kháng :LL=41,7(mH).
Dòng định mức đi qua cuộn kháng : Idm=5,65A

a

H

h

a/2

c

b

L/2
L

Kích thước cơ sở : a=2,6 4 L.I d 2 =6,1 (cm).Chọn a=7cm
Chọn b=1,2a=8,4 cm
c=0,8a=5,6cm.
h=3a=21cm.
Tiết diện lõi thép: Sth=ab=59cm2
Diện tích cửa sổ: Scs=hc=118cm2
Độ dài trung bình đường sức: lth=2(a+h+c)=67cm.
Độ dài trung bình dây quấn : ldq=2(a+b)+πc=48,4cm.
Thể tích lõi thép: Vth=2ab(a+h+c)=3951cm3.
Điện trở dây quấn ở nhiệt độ 20oC đảm bảo độ sụt áp cho phép:

r20 =

∆
[

,

.

(

∆

°)]

Trong đó:ΔU:độ sụt áp 1 chiều cho phép lấy khoảng (5-10)% Ud.Chọn ΔU=10V.
Tmt:nhiệt độ môi trường nơi đặt cuộn kháng.Lấy T mt=400C.Chọn ΔT=500C.
Thay số ta tính được r20=1,36Ω.
Số vòng dây của cuộn kháng: w=414

r20 .Scs
=154,27 (vòng).Chọn w=155 vòng.
ldq

Page 18


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Mật độ từ trường : H=

Phạm Văn Viết

100.wI d

=31161,5 (A/m).
lth

Chọn sụt áp xoay chiều là ΔUxc=6V

6.10 4
U xc .104
Cường độ từ cảm là B=
=
=0,0024 T.
4, 44.w. f dm .Sth 4, 44.155.300.120
 H 
Do B<0,005T nên hệ sốµ=717 

 1000 

Trị số điện cảm nhận được Ltt=

0,75

.w 2 .Sth
100.lth

.10-6=54,36.10-6(H/m).
=

46,8.106.1892.120
=16 mH.
100.96

Giá trị này lớn hơn 5% nên có thể đạt yêu cầu.Tuy nhiên sự chênh lệch so với giá trị yêu cầu là
khá lớn nên có thể làm tăng nhiệt độ cuộn kháng hơn mức yêu cầu.Do đó cần kết hợp làm mát
cưỡng bức để giảm nhiệt độ cuộn dây.

Page 19


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Phạm Văn Viết

CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG
Trong các hệ điều chỉnh tự động truyền động điện, việc ổn định các thông số như tốc độ hay
momen tương ứng với tốc độ đặt, có ý nghĩa rất quan trọng. Đặc biệt trong các hệ thống tự động.
Do hệ thống hở không có khả năng thực hiện điều này, vì vậy người ta dùng các hệ thống gồm
các mạch vòng điều chỉnh, hay còn gọi là hệ kín. Thông thường trong hệ kín này gồm có hai
mạch vòng, một mạch vòng dùng để điều chỉnh dòng điện, một mạch vòng dùng để ổn định tốc
độ. Sơ đồ hệ thống với hai mạch vòng như sau:

U đk
(-)
Uw

Rw

Ri

(-)
Ui

BBĐ

Đc

ĐC

Sw

I. MÔ TẢ TOÁN HỌC CÁC KHÂU CÓ TRONG HỆ
1. Máy phát tốc:
Tốc độ truyền động là một đại lượng điều chỉnh, vì vậy thiết bị đo tốc độ có vai trò quan
trọng quyết định tới tốc độ động và tĩnh của hệ truyền động. Hiện nay để đo tốc độ trong truyền
động, người ta sử dụng máy phát tốc một chiều, máy phát tốc xoay chiều và các bộ đo tốc độ
xung và số. Trong đồ án này, với yêu cầu không cao về điều chỉnh tốc độ, và để dơn giản trong
tính toán, ta sử dụng máy phát tốc một chiều.
Mạch nguyên lý đo tốc độ bằng máy phát tốc một chiều như sau:

R
C

RT

W

Page 20


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Phạm Văn Viết

Khi từ thông máy phát tốc không đổi, điện áp đầu ra của máy phát tốc:

U   K  .  Ru ' p .I  U ct
Nếu chọn điện trở đủ lớn, gần đúng ta có:
U   K  .
Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền máy phát tốc:
U p
K
F fF  p   

 ( p ) 1   f p
K - hệ số tỷ lệ K = U/.
Chọn U = 10V (chọn theo chuẩn đo lường).
đ



=

=

.

= 100 (rad/s)

= 0,1

f là hằng số thời gian của bộ lọc vàf = 5 – 10 ms
Ta chọn: f = 6 ms

 Hàm truyền máy phát tốc:
( ) =

0,1
1 + 0,006

2. Máy biến dòng:
Sơ đồ đo dòng xoay chiều ba pha đơn giản là dùng biến dòng: gồm ba biến dòng lắp ở ba pha
với điện trở tải Ro ( mục đích là để tránh ngắn mạch cho máy biến dòng). Điện áp sơ cấp biến
dòng qua mạch chỉnh lưu cầu điôt 3 pha, mạch lọc RC lọc thành phần xoay chiều sau chỉnh lưu.
R

Ia

Ib

Ic
I2

U2I
R1

R0

R0

R0

D0

U2Io

Trong mạch bố trí R1 nối tiếp với điôt D0 phục vụ cho việc đo tín hiệu dòng điện không U20.
Khi diôt dẫn thì UD0 = 0,5 V
Vị trí đặt máy biến dòng là ở trước bộ biến đổi, Do đó hệ số khuyếch đại của máy máy dòng
được tính bằng tỉ số giữa điện áp đầu ra với dòng điện trước đầu vào của bộ biến đổi.
Page 21


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

FI ( p ) 

Phạm Văn Viết

U 2I ( p)
I2 ( p)

Tuy nhiên trong sơ đồ hệ thống, dòng điện phản hồi được lấy từ stator của động cơ, do đó ta
phải quy đổi lại
U ( p)
FI ( p )  2 I
Id ( p)
Điện áp đầu ra mạch chỉnh lưu của máy biến dòng: U2i = R1.Idi
Ta kí hiệu FI là tỉ số dòng ta có hàm truyền cơ cấu đo dòng điện:
U ( p)
KI
FI ( p )  2 I

Id ( p)

1  p  fI
KI 

U2I
2,5.I d

Chọn khi dòng đạt giá trị định mức thì điện áp đầu ra của máy biến dòng là U2I = 10V, và ta có I2
= 5,65 A
10
=
=
= 0,708
2,5.
2,5.5,65
τfI = 1 ms (Chọn nhỏ hơn hằng số thời gian nhỏ nhất chỗ chỉnh lưu)
0,708
( ) =
1 + 0,001
3.Hàm truyền bộ biến đổi.

WBD 

U d KCL .e . p

U dk Tdk . p  1

Phân tích chuỗi Furier, gần đúng ta có:
WBD 

K CL

(1  Tvo p )(1  Tdk p)

trong đó:
Tđk hằng số thời gian mạch điều khiển van bán dẫn. Lấy Tđk= 0,001s
Tvo 

20 20

 3,3( ms )  0, 0033( s )
m
6

K CL 

Ud 0
U dk .max

Khi thiết kế mạch điều khiển chọn: Uđk max = 10 (V)
Page 22


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Phạm Văn Viết

=

=(

Vậy:

368
= 36,8
10

,
,

)(

,

)

4. Động cơ một chiều
Phương trình cơ bản.
- Phần ứng.

di ­ (t )

u
(
t
)

R
.
i
(
t

)

L
.
 e ­ (t )
­
­
­
­

dt

e ­ (t )  k.(t ).w(t )

dw(t )
m D ( t )  m C ( t )  J
dt

- Kích từ.

di kt ( t )

u kt ( t )  R kt .i kt ( t )  L kt .
dt

( t )  i kt ( t ).k  (i kt )

Mạch vòng điện từ.
Coi ф = const ta thu được phương trình tuyến tính hóa
Uư(p) = Rư.(1 + pTư).I(p)+k.ф(p).w(p)

k.ф(p).I(p) – Mc(p) = Jp.w(p).
Từ đó ta có mô hình động cơ :

Mc
U®

1
R­.(1+pT­)

1
J.p

K



K
Tham số của động cơ : P = 1,35 kW, Uđm = 280V, Iđ = 5,65 A.
n = 955 vòng/phút, Rư = 3,19()
Page 23


Đồ án tổng hợp hệ điện cơ
= 0,025(kg.m2)
U dm
Điện cảm phần ứng : Lư=kL.
= 5,6. ,
I dm . p.ndm
=


.

Phạm Văn Viết

= 100 (Rad/s),

. .

=0,026 (H) = 26 (mH).

Trong đó kL : hệ số lấy giá trị 5,5÷5,7 đối với máy không bù, kL=1,4÷1,9 đối với máy có bù. Ở
đây chọn kL=5,6 (không bù).



Lba=17,5 (mH); Lloc=41,7(mH) ;LΣ=67,2 (mH)
Rư+rcp=3,19 (),Rba=1,37(), Rloc=1,36 () => RΣ=5,92 ().
Tư = 0,008 (s); .
U  Ru .I dm
, . ,
kΦđm= dm
=
= 2,62

dm
Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập :
=

đ

−
= 106,87 − 0,46
Φ
( Φ)
Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều như sau:

K  dm
-E
U

I

1 / Ru
1  Tu p

1
Jp

K  dm

w

-Mc

Trong đó hệ số J là mômen quán tính của hệ thống, được quy đổi về trục của động cơ.
J

Với:

d 2

 Jd

d 2

 Jb

b 2

2
2
2
J d là mômen quán tính của bản thân động cơ

J b là mômen quán tính của bánh xe
đ là tốc độ quay của động cơ
b là tốc độ quay của bánh xe

Ta có:

G .D
Jd = 0,025(kg.m ) ; J b  b b
4

2

2

Page 24

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Phạm Văn Viết

Gb là trọng lượng phần quay của bánh xe, Gb = 60kg (chọn)
Db là đường kính phần quay của bánh xe, Db = 0,2m.
Jb =

.

=

.( , )

= 0,6
=

J=

+ . (

=

100
= 10
10

) = 0,025 + 0,6.0,01 = 0,031(kg.m2)

Ta có sơ đồ cấu trúc của hệ thống gồm có hai mạch vòng như sau:

II. TỔNG HỢP MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN
Trong các hệ thống truyền động tự động cũng như các hệ chấp hành thì mạch vòng điều chỉnh
dòng điện là mạch vòng cơ bản. Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ thống
truyền động một chiều cũng như xoay chiều là xác định momen kéo của động cơ, ngoài ra còn có
chức năng khác như bảo vệ, điều chỉnh gia tốc....
Sơ đồ cấu trúc của mạch vòng dòng điện như sau:

Page 25