Đề tài tính toán, thiết kế và mô phỏng máy mài

Phụ lục
LỜI NÓI ĐẦU………………..…………………………………………………2

1


LỜI NÓI ĐẦU
Sự bùng nổ cua tiến bộ khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực điên-điện tử-tin học
trong những năm gần đây đã dẫn đến những thay đổi sâu sắc về cả mặt lý thuyết
lẫn thực tiễn trong lĩnh vực truyền điện tự động.Đó là sự ra đời và ngày càng
hoàn thiệncủa các bộ biến đổi ông suất,với kích thước gọn nhẹ,độ tác dộng
nhanh,dễ dàng ghép nối với các mạch điều khiển dùng vi mạch điện tử,vi xử lý,
…Các hệ truyền động điện tử động ngày nay thường sử dụng nguyên tắc điều
khiển vecto cho các động cơ xoay chiều.Phần lớn các mạch điều khiển đó dùng
kỹ thuật số với phần mềm linh hoạt,dễ dàng thay đổi cấu trúc,tham số cũng như
luật điều khiển.Điều này làm cho các hệ truyền động điện tăng độ chính xác,làm
cho việc chuẩn hóa chế tạo các hệ truyền động điện hiện đại có nhiều đặc tính
làm việc khác nhau,dễ dàng ứng dụng theo yêu cầu công nghệ sản xuất.
Do vậy,đồ án môn học tổng hợp hệ điện cơ giúp chúng ta nắm chắc hơn
những kiến thức cơ sở những hệ thống truyền động điện kinh điện đồng thời nó
cũng nhằm mục đích cho chúng ta từng bước tiếp cân với thực tế,tiếp cận với
những hệ truyền động điện đại.
Nội dung đồ án được chia làm 2 chương:
Chương 1: Cơ sơ tý thuyết.
Chương 2: Tính toán ,thiết kế và mô phỏng hệ truyền động máy mài tròn.
Để có thể hoàn thành được đồ án này,bên cạnh sự cố gắng của cá nhân em
cũng như các bạn trong nhóm,còn nhờ sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của thầy
giáo hướng dẫn, tuy nhiên do thời gian nghiên cứu ngắn và trình độ bản thân còn
hạn chế nên đồ án của em không tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong các thầy
hướng dẫn và bổ sung thêm để đồ án này được hoàn chỉnh hơn.
Nghệ An, ngày 16 tháng 02 năm 2017

2


CHNG 1. C S Lí THUYT
1.1. Gii thiu chung
Mỏy mi cú hai loi chớnh: Mỏy mi trũn v mỏy mi phng. Ngoi ra,
cũn cú cỏc loi mỏy khỏc nhau: mỏy mi vụ tõm, mỏy mi rónh, mỏy mi ct,
mỏy mi rng... Thng trờn mỏy mi cú chi tit hoc bn kp chi tit v
ỏ mi, trờn ú cú trc chớnh vi ỏ mi. C hai u t trờn b mỏy.

Máy mài công nghiệp

Máy
mài
tròn
trong

Máy mài răng

Máy
mài
tròn
ngoài

Máy mài cắt

Máy
mài
mặt

đầu

Các loại khác
Máy mài rãnh

Máy
mài
bằng
biên
đá

Máy mài tròn
Máy mài vô tâm

Máy mài phẳng

Hỡnh 1.1. S phõn loi mỏy mi cụng nghip
Mỏy mi trũn cú hai loi: mỏy mi trũn ngoi v mỏy mi trũn trong. S
biu din cụng ngh mi trũn c biu din trờn hỡnh 1-2.
Đá mài

Chi tiết
a. Máy mài tròn ngoài

b. Máy mài tròn trong

Hỡnh 1.2. S gia cụng chi tit trờn mỏy mi trũn
Cỏc dng chuyn ng trong mỏy mi trũn gm cú:
3

- 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 hường
dọc trục (ăn dao dọc trục) hoặc theo hướng 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...
1.2. Yêu cầu truyền động điện máy mài tròn
1.2.1. Truyền động chính
Thông thường 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 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 của đá khoảng 1000 vòng/phút. ở những máy có đường kính
nhỏ, tốc độ đá rất cao. Động cơ truyền động là các động cơ đặc biệt có tốc độ
24000 ÷ 48000 vòng/phút hoặc có thể lên tới 150000 ÷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 thường là 15 ÷20% mômen định mức.
Mômen quá tính của đá và cơ cấu truyền lực lại lớn 500 ÷600% mômen quán
tính của động cơ, do đó cần hãm cưỡng bức động cơ quay đá và không yêu cầu
đảo chiều quay động cơ quay đá.
1.2.2. 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 ÷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 phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp phần
ứng.

4


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 ÷ 25)/1 còn truyền động ăn dao ngang sử
dụng thuỷ lực.
1.2.3. Truyền động phụ
Sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc.
1.3. Đặc tính cơ của máy mài
Đặc tính của cơ cấu sản xuất được khái quát bằng phương trình:
trong đó:

M c = M co + ( M dm − M co )(

ω α
)
ωdm

Mco - Mômen ứng với tốc độ ω=0
Mdm - Mômen ứng với tốc độ định mức ωdm
Mc - Mômen ứng với tốc độ
α - số mũ phụ thuộc vào loại cơ cấu sản xuất. Với máy mài nói riêng và
máy cắt gọt kim loại nói chung, q thường nhận hai giá trị α=1 (ứng với truyền
động chính

và α = const) và α=0 (ứng với truyền động ăn dao M co = Mđm =

const).
Từ đó, ta thấy nói chung momen tải là không đổi. Tuy nhiên, trong vùng
tốc độ thấp, lượng ăn dao nhỏ, lực cắt bị hạn chế bởi chiều sâu cắt tới hạn.
Trong vùng này, tốc độ ăn dao giảm làm cho lực ăn dao và momen cũng giảm

theo. Vùng tốc độ cao thì bị giới hạn bởi công suất của động cơ truyền động nên
tại đó, momen cũng phải giảm để không làm công suất của truyền động quá lớn.
Tóm lại, ta có đặc tính cơ phụ tải truyền động quay chi tiết nhưsau:

5


F

F

z

ad

v
0

vz

v gh
a. TruyÒn ®éng chÝnh

0

v1

v2

v ad

b. TruyÒn ®éng ¨n dao

Hình 1.3. Đồ thị đặc tính phụ tải của máy mài
Như vậy, nhiệm vụ của truyền động động cơ là phải làm đặc tính điều
chỉnh của nó giốngđặc tính cơ của máy cắt.
- Chế độ làm việc: Khi gia công mài, chi tiết quay liên tục còn đá mài di
chuyển trên bề mặt vùng cần gia công. Do đó, chế độ làm việc của truyền động
ăn dao là chế độ làm việc dài hạn và không yêu cầu đảo chiều.
- Chế độ tải: Khi hệ thống làm việc, chi tiết được lắp trên trục của tang
trống và quay với vận tốc tỉ lệ với tốc độ của trục động cơ. Do đó, động cơ mang
tải ngay từ đầu. Do chế độ gia công khác nhau, các chi tiết khác nhau, nên
không qui đổi momen quán tính của chi tiết về trục động cơ mà coi chi tiết như
một tải có sẵn trên trục động cơ.
- Độ ổn định tốc độ: Rõ ràng, tốc độ quay càng ổn định thì chất lượng gia
công càng cao, bề mặt mài càng nhẵn, bóng. Yêu cầu đối với truyền động ăn dao
máy mài: Δω% ≤ (5÷10)%
- Tính kinh tế: Thiết bị cho hệ truyền động phải rẻ, nhưng vẫn đủ cung cấp
hiệu quả cao nhất cho hệ. Đồng thời, thiết bị phải dễ kiếm và hoạt động tin cậy
trong chế độ dài hạn.
Căn cứ vào yêu cầu đề ra, ta phải thiết kế hệ thống đạt được những yêu
cầu sau:
- Dải điều chỉnh tốc độ: D = ωmax : ωmin = 480 : 48 = 10 : 1.
6


- Điều chỉnh vô cấp tốc độ, không yêu cầu đảo chiều.
- Điều chỉnh giữ mômen không đổi và bám theo momen tải.
- Điều chỉnh giữ ổn định tốc độ.
- Làm việc dài hạn, tin cậy.

- Giá thành hạ

7


CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN,THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN
ĐỘNG MÁY MÀI TRÒN
2.1. Chọn phương án truyền động
Như trên đã nói, chuyển động quay của chi tiết mài chính là chuyển động
ăn dao. Đối với máy mài tròn, ở các máy cỡ nhỏ, truyền động quay chi tiết
(truyền động ăn dao) thường dùng động cơ không đồng bộ nhiều cấp tốc độ,
điều tốc bằng cách điều chỉnh số đôi cực. Ở các máy lớn thì dùng hệ thống bộ
biến đổi - động cơ một chiều/động cơ đồng bộ. Công suất mà đề bài yêu cầu là
nhỏ, do đó ở đây sẽ dùng động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sócđể truyền
động quay chi tiết. Trước đây, động cơ điện một chiều thường được ưa chuộng
hơn, kể cả trong dải công suất nhỏ vì tính điều chính đơn giản và tuyến tính của
nó. Tuy nhiên, ngày nay, công nghệ điện tử và vi điều khiển phát triển mạnh mẽ,
việc điều khiển động cơ không đồng bộ không còn là khó khăn nữa, hơn nữa
động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc rẻ hơn động cơ một chiều cùng công
suất nhiều và rất phổ biến trên thị trường với dải công suất rộng, do đó, hoàn
toàn phù hợp cho ứng dụng của chúngta.
Do yêu cầu điều chỉnh trơn tốc độ nên ta dùng bộ biến tầnđể cấp nguồn
cho động cơ. Hơn nữa, việc dùng biến tần cho ta dễ dàng mở rộng dải điều
chỉnh, dễ dàng áp đặt các kỹ thuật điều khiển hiện đại, áp đặt nhanh và chính
xác momen, điều chỉnh trơn và ổn định tốc độ. Ngoài ra, biến tần hoạt động tin
cậy và chắc chắn, dễ dàng cài đặt tham số điều khiển, có thể dùng 1 biến tần cho
nhiều loại truyền động. Do đó, việc sử dụng biến tần đã trở thành một chuẩn
công nghiệp. Có nhiều hãng lớn sản xuất biến tần rất nổi tiếng như ABB,
Siemens, … với các sản phẩm rất nổi tiếng trên thị trường, tuy nhiên ở đây, ta sẽ
thiết kế lại bộ biến tần để phục vụ cho bài toán yêu cầu mà không sử dụng biến

tần sẵn có.
Biến tần có 2 loại: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp. Sau đây sẽ phân
tích ưu nhược điểm của từng loại để chọn ra loại biến tần thích hợp nhất với ứng
dụng của ta.
8


2.1.1. Biến tần trực tiếp(Cycloconverter)

Hình 2.1: Biến tần trực tiếp sơ đồ tia 3 pha.
+ Ưu điểm:
- Mạch chỉ cần dùng van Tiristor thông thường, quá trình chuyển mạch

theo điện áp lưới.
- Bộ biến tần không sử dụng khâu trung gian một chiều nên hiệu suất rất
cao.
- Có khả năng làm việc ở tần số thấp thậm chí ngay cả khi có sự cố.
- Thường sử dụng cho dải công suất rất lớn đến vài chục MW.
+ Nhược điểm:
- Sử dụng nhiều van bán dẫn làm cho mạch điều khiển rất phức tạp.
- Hệ số công suất thấp.

Tóm lại, với ứng dụng là hệ truyền động cho máy mài, ta không dùng loại
biến tần này.
2.1.2. Biến tần gián tiếp:
Biến tần gián tiếp khác biến tần trực tiếp ở chỗ nó có khâu trung gian một
chiều. Nhờ có khâu trung gian một chiều này mà khâu chỉnh lưu và khâu nghịch
lưu là cách ly nhau và điều chỉnh độc lập với nhau. Tần số đầu ra nhờ đó có thể
được điều chỉnh mà không phụ thuộc tần số đầu vào. Tùy thuộc vào khâu trung
gian một chiều mà phân ra thành biến tần nguồn dòng và biến tần nguồn áp.

a.Biến tần nguồn dòng
9


Hình 2.2. Biến tần nguồndòng
Khâu trung gian một chiều là cuộn kháng Lf, thực hiện chức năng nguồn
dòng cho bộ nghịch lưu.
+
+
-

Ưu điểm:
Có khả năng trả năng lượng về lưới.
Không sợ chế độ ngắn mạch vì dòng điện một chiều được giữ không đổi.
Phù hợp cho dải công suất lớn trên 100 kW
Nhược điểm:
Hiệu suất kém ở dải công suất nhỏ.
Cồng kềnh vì có cuộn kháng.
Hệ số công suất thấp và phụ thuộc vào phụ tải nhất là khi tải nhỏ.

Do đó, với ứng dụng máy mài với tải chỉ vào khoảng 2,2kW của ta, biến
tần nguồn dòng rõ ràng là không phù hợp.
b. Biến tần nguồn áp
Khâu trung gian một chiều là tụ Cf, thực hiện chức năng nguồn áp cho bộ
nghịch lưu.
+ Ưu điểm:
- Phù hợp với tải nhỏ, dưới 30kW
- Hệ số công suất của mạch lớn (gần bằng 1)
- Hình dạng và biên độ điện áp ra không phụ thuộc tải, dòng điện cho tải

qui định.
- Có thể áp dụng kỹ thuật PWM để giảm tổn hao do sóng hài bậc cao, khử
đập mạch momen.
+ Nhược điểm: Không trả được năng lượng về lưới, nếu muốn trả năng
lượng về lưới phải mắc thêm một khâu chỉnh lưu mắc song song ngược với khâu
chỉnh lưu ban đầu hoặc dùng chỉnh lưu PWM hay biến tần 4 góc phần tư.
Như vậy, đến đây, ta thống nhất chọn bộ biến đổi là biến tần nguồn áp.
10


Phần tiếp theo sẽ chọn phương pháp điều khiển cho loại biến tần này.
2.1.3 Phương pháp điều khiển biến tần
Có rất nhiều phương pháp điều khiển cho biến tần nguồn áp. Phổ biến

trong công nghiệp là điều khiển theo luật

const , điều khiển theo hệ số

trượt, điều khiển tựa từ thông rotor (FOC) và gần đây điều khiển trực tiếp
momen (DTC) cũng xuất hiện trong các bộ biến tần công nghiệp thay thế cho
FOC. Đồ án này chủ định nghiên cứu ứng dụng phương pháp DTC cho điều
khiển bộ biến tần nguồn áp vì một số lí do sau
- Phương pháp DTC cho phép áp đặt rất nhanh momen do đó, hoàn toàn

phù hợp với ứng dụng máy mài.
- Phương pháp DTC cho phép có thể điều chỉnh với độ chính xác là tùy ý.
- Mô hình đơn giản, không phụ thuộc nhiều tham số, do đó, không bị ảnh

hưởng bởi sai lệch do tham số của động cơ như các phương pháp khác.
- Không phải thực hiện phép quay tọa độ do đó, thời gian tính toánnhanh.

- Tuy vậy, DTC cũng có nhược điểm: đáp ứng ở tốc độ thấp rất kém; đáp

ứng momen không trơn, độ nhấp nhô momen phụ thuộc dải trễ và khó có thể
khắc phục sự nhấp nhô momen này.
- Và một lý do nữa, là DTC dù ra đời đã lâu nhưng chưa phổ biến ở Việt
Nam (ở Việt Nam phổ biến dùng DTC và U/f) mà phổ biến ở các nước châu Âu.
Trong quá trình hội nhập, các bộ điều khiển của nước ngoài chắc chắn sẽ tràn
vào Việt Nam, cho nên, em muốn đi sâu tìm hiểu, học hỏi và thử nghiệm
phương pháp DTC nhằm ứng dụng sau này.
11


2.2. Tính chọn động cơ và thiết kế mạch lực
2.2.1. Tính chọn động cơ
Yêu cầu của hệ thống:
Momen cực đại (Mmax)

: 25Nm

Tốc độ quay chi tiết (n)

: 48 ÷ 480 vòng/phút

Tỉ số truyền (i)

:3

Hiệu suất (η)

: 0,8

Momen quán tính cơ cấu (J) : 0,009 kg/s2
Phạm vi điều chỉnh tốc độ, quy đổi về trục động cơ
Tốc độ bé nhất của chi tiết

nmin ct = 48v / p


ωmin ct =

48
= 5, 03rad / s
60
2π

Tốc độ quay lớn nhất chi tiết:

nmax ct = 480v / p


ωmax ct =

480
= 50,3rad / s
60
2π

 Dải điều chỉnh:

D=

ωmax 10
=
ωmin 1

Quy đổi về trục động cơ qua hộp số có tỉ số truyền i=3.

ω min = i.ωmin ct = 3.5, 03 = 15,09(rad / s)
ω max = i.ω max ct = 3.50,3 = 150,9( rad / s)
Tính momen quy đổi về trục động cơ:
12


Momen cực đại ở tang trống Mmax=25Nm.
 momen quy đổi là :
M qd =

M max
25
=
= 10, 42 Nm
η .i
0,8.3

Công suất cơ cực đại yêu cầu của động cơ:

Pmax = M qd .ωmax = 10, 42.150,9 = 1, 57 KW
Ngoài ra còn cần phải chọn hệ số an toàn về công suất trong trường hợp quá tải,
lấy hệ số an toàn k=1,2 (k = 1,2 1,5).


Pcần =1,2 . 1,57=1.884 kw
Vì vậy ta chọn động cơ: cần có công suất lớn hơn Pmax = 1,884 kW, có Momen
định mức ≥ 10,42Nm, có dải điều chỉnh ít nhất là D = (10:1), và tốc độ định mức
cỡ 150,9 rad/s tức là cỡ 1440 vòng/phút.
Trên cơ sở đó, ta chọn động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc ABB có thông
số như sau
-

Tên

: M3AA 100LC 3GAA 102 313 - CG2.

-

Công suất định mức

: Pđm = 2,2 kW

-

Điện áp dây định mức

: U1đm = 400V

-

Tần số định mức

: f = 50Hz

-

Số đôi cực

:p=2

-

Tốc độ định mức

: nđm = 1450 vòng/phút

-

Hiệu suất

: η = 86,8%

-

Hệ số công suất

:

cosφ = 0,77 , sinφ = 0,638

-

Dòng Stator định mức

:

I1dm = 4,8A

-

Dòng Stator khởi động

:

Is = 4,8 . 8,5 = 40,8 A.
13


-

Momen định mức

:

-

Momen khởi động định mức(s=1): Ms = 14,5 . 4 = 58 Nm

-

Momen tới hạn

-

Momen quán tính

:

J = 0,009 kgm2

-

Trọng lượng

:

m = 25kg

:

Mdm = 14,5Nm

Mth = 14,5 . 4,6 = 66,7

Tính toán tham số động cơ

Hình 2.3: Mạch điện thay thế một pha động cơ không đồng bộ
Do yêu cầu xây dựng bộ điều khiển cho động cơ, ta phải xây dựng được mô
hình động cơ. Để xây dựng được mô hình động cơ, ta phải xác định các đại
lượng R1, R2, X1, X2, Xµ.
Ta có:

P = 3.U .I .cos ϕ =

= 3.400.4.8.0, 77 =

Pdm

η

220
= 2,53kW
0,868

(1)

Tốc độ đồng bộ:

ndm =

60 f 60.50
=
= 1500 vòng/phút
p
2

(2)

Hệ số trượt định mức:
14


S dm =

ns − ndm 1500 − 1450
=
= 0, 033
ns
1500

(3)

Tổng trợ một pha:

Z in =

U1dm
400
=
= 48,11Ω
3I1dm
3.4,8

(4)

Momen trên trục động cơ:



1 +a.sth
M = 2.M th .
s
s


+ th +2.a.sth

sth
s



÷
÷
÷
÷


(5)

Trong đó:

M th =

p.U12dm
4π f1 ( R1 + R + X
2
1

2
nm

= 66, 67 Nm (6)

X nm = X 1 + X 2'

a=

(7)

R1
R2'

nđm =

(8)

R2
2
R12 +X nm

(9)

Khi đó S = Sdm = 0,033 ta có momen định mức:

nđm =

2.M th . ( 1 + a.sth )
2.M th . ( 1 + a.Sth )
=
= 14,5 Nm
S đm Sth
1
+ 30Sth + 2aSth

+
+ 2aSth
30.Sth
Sthđm S

(10)

Khi S = 1, ta có monen khởi động:
15


Ms =

2.M th . ( 1 + a.sth )
= 58 Nm
Sth
1
+
+ 2aSth
Sth
1

(11)

Giải hệ phương trình (10) và (11) với ẩn là a, S th ta có:

a=
Sth =

R1

=1, 57
R2
R2
R +X
2
1

2
nm

(12)

= 0, 49

(13)

Tiếp tục giải 3 phương trình (6,12,13).
Giả thiết X 1 ≈ X 2 ta có:

(14)

Suy ra

L1 = L'2 = 4,39 mH
Tính điện kháng từ hóa

. Xuất phát từ mạch điện thay thế một pha động

cơ không đồng bộ ta có



R2' 
Z in = jX µ /  R1 + ÷+ jX nm 
S 



Suy ra:

Re { Z in } = Z in .cosϕ =

(15)

R2'
R1 +
s
2

X nm
1 
R2'  
.
R
+
÷ + 1 +
2  1
Xµ 
S  
Xµ

2


÷
÷


(16)

Ở chế độ định mức: s = sđm = 0,033 và Zin = 48,11 Ω; cos ϕ =0,77.
Thay vào (16) ta tính được:

Z in .cosϕ =

R2'
R1 +
sdm
2

X nm
1 
R  
.
R
+
÷ + 1 +
2  1
Xµ 
S dm  

Xµ
'
2

2


÷
÷


= 48,11.0, 77

16


Ta có: X µ = 74,55Ω và

Lµ = 237,3mH

(17)

Cuối cùng, ta còn phải quy đổi momen quán tính của hệ thống về đầu trục
động cơ. Để cho đơn giản, ta giả thiết các bánh răng của hộp số là lý tưởng
(nghĩa là không có mômen quán tính) và chi tiết chưa được gắn lên tang
trống. Do đó, momen quán tính qui đổi được tính bởi công thức:

J qdđc= J +

J ht

0, 009
=
0,
009
+
= 0, 01kg .m 2
2
i
9

(18)

2.2.2. Thiết kế mạch lực
Sơ đồ mạch lực củ hệ truyền động

Hình 2.4. Sơ đồ mạch lực của hệ truyền động

Mạch lực bao gồm
+ Khối chỉnh lưu: 6 diode
+ Khối nghich lưu: 6 Transistor, 6 diode ngîc
+ Khối lọc
17


a. Tính toán thông số mạch lực
Máy mài sử dụng điện áp lưới 3 pha có U dây = 380V trong khi động cơ ta
chọn sử dụng điện áp 400V nên không cần điều chỉnh điện áp DC bus của đầu ra
chỉnh lưu. Do đó mạch chỉnh lưu sẽ dùng diode và không cần mạch xung áp để
thay đổi DC bus. Khi đó ta có dòng định mức mỗi pha của động cơ:

I dm 380 =

400
I dm = 1, 05.4,8 = 5, 04( A)
380

Bằng thuật toán điều khiển, ta có thể giới hạn dòng khởi động-là dòng cực
đại qua mỗi pha động cơ không vượt quá 2,5 lần dòng điện định mức. Do đó,
dòng điện cực đại qua mỗi pha:
Ipmax = 2,5 . 5,04 = 12,6 A
Do ta xét tải ở đây đấu sao nên ta có:

Id = I p =
-

I p max
2

= 8, 9( A)

Mạch chỉnh lưu gồm 6 diode mắc với nhau theo sơ đồ:

Hình 2.5. Sơ đồ mạch chỉnh lưu 3 pha hình cầu
 Nguyên lý hoạt động.
Bộ chỉnh lưu có chức năng biến nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều, ở
đây ta dùng mạch chỉnh lưu hình cầu không điều khiển, bộ chỉnh lưu bao gồm
các nhóm van diode chỉnh lưu bằng máy biến áp.
-

Van có tác dụng đóng mở tạo thành dòng một chiều.

18


-

Máy biến áp có tác dụng biến đổi điện áp nguồn phù hợp với yêu cầu cần
thiết của phụ tải, cách ly phụ tải lưới điện để vận hành an toàn, cải thiện được

-

dạng sóng nguồn điện lưới.
Giá trị trung bình của điện áp ra:

Ud =

6 π /6
3 6
6.U 2 f cosθ dθ =
U ≈ 2,34U 2 f
∫
2π −π /6
π 2f

-

Số đập mạch: n = 6.

-

Dòng trung bình qua van: I v =

-

Điện áp ngược max trên van: U v max

Id
3

= 6U 2 f

Hình 2.6. Hình dạng điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu
Mạch chỉnh lưu sử dụng ở đây là chỉnh lưu cầu 3 pha dùng diode. Mạch chỉnh
lưu như trên đã phân tích dùng chỉnh lưu cầu 3 pha diode để điện áp ra đạt nhấp
nhô nhỏ nhất (đập mạch 6 lần trong 1 chu kỳ).
Dòng qua diode:

ID =

I p max
3

= 4, 2( A)
19


Điện áp sau chỉnh lưu (điện áp 1 chiều DC bus) là:

U
380

U d = 2,34 1 = 2,34
= 513, 4V
3
3
Từ công thức: U d =

6 π /6
3 6
6.U 2 f cosθ dθ =
U ≈ 2,34U 2 f
∫
2π −π /6
π 2f

Ta có giá trị điện áp hiệu dụng là : U 2 = U pha =

Ud
= 220(V )
2,34

Điện áp ngược đặt lên Diode:

U ng = 6.U 2 = 2,45.220 = 539(V )
Chọn hệ số an toàn Ku =1,2 nên điện áp ngược lớn nhất đặt lên Diode là:

U ng max = Ku .U ng = 1, 2.539 = 646,8(V )
Chọn hệ số dự trữ dòng Ki=1,3 ta có dòng làm việc của Diode là:
Iv = 1,3 . ID =1,3 . 4,2 = 5,46 A
Vậy ta chọn Diode do Nga chế tạo có tham số sau:
Dòng điện

Diode

hiệu dụng

Sụt áp
Dòng điện trung bình

Điện áp cực đại
đặt lên diode

B10; BЛ10

16A

10 (A)

100÷1200 (V)

trên
diode
0.6 (V)

Bảng 1. Thông số diode


Khối lọc 1 chiều.
Là bộ phận không thể thiếu được trong mạch động lực cho phép thành

phần một chiều của bộ chỉnh lưu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay chiều. Nó
có tác dụng san bằng điện áp tải sau khi chỉnh lưu, thực hiện chức năng nguồn

áp cho bộ nghịch lưu. Hệ số san bằng của khâu lọc:

ksb =

kdmvào
kdmra

20


Trong đó:
 kdmvào là hệ số đập mạch đầu vào

kdmra là hệ số đập mạch đầu ra


-

Các sóng hài bậc cao sẽ rẽ qua tụ C f , còn lại thành phần một chiều và một
số sóng hài bậc thấp đi đến đầu vào của bộ nghịch lưu.
Ta có tổng trở của mạch là:

Z =

Up
Ip

 Rt = Z.cos

=

220
= 24, 71(Ω)
8, 9

= 24,71 . 0,77 = 19,02 Ω

Mục đích của của việc tính toán bộ lọc là xác định các trị số cần thiết của điện
cảm và tụ điện lọc sao cho thoả mãn hệ số đập mạch cho trước đồng thời hiệu
chỉnh để có kích thước vừa phải. Trị số điện dung C có thể tính gần đúng dựa
theo biểu thức:

C=

1
(F )
mdmωRt kdmr

Trong đó:
mdm là hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kỳ điện
áp nguồn xoay chiều.
Ở đây với sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có hệ số đập mạch là mdm = 6.

ω1 là tần số góc của điện áp xoay chiều ω1 = 2π f = 2.3,14.50 = 314
kdmr là hệ số đập mạch đầu ra, đặc trưng cho khả năng giảm độ đập
mạch của bộ lọc.
*
kdmr = kdm

1

2
1
2
= 2
cos 2 α + mdm
sin 2 α
cos α mdm − 1
cos α
=

2
cos 2 0 + 36sin 2 0 = 0.057
36 − 1
21


Vậy thay số vào ta có:

C=

1
1
=
= 4,8.10 −4 ( F )
mdm .ω1.Rt .k dmr 6.314.19, 02.0, 057

b. Khối nghịch lưu
Là bộ phận rất quan trọng trong bộ biến tần, nó biến đổi dòng điện một
chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng điện xoay chiều với tần số f2

Hình 2.7. Khối nghịch lưu
 Nguyên lý hoạt động :
Cho góc mở của mỗi transistor là 180 0 và cứ 600 tiếp theo (kể từ khi
tranzistor trước đó mở thì cho 1 tranzistor khác mở). Như vậy trong cùng 1 thời
gian có 3 tranzistor mở.
Tụ C có nhiệm vụ đảm bảo điện áp nguồn ít bị thay đổi, mặt khác nó trao
đổi năng lượng phản kháng với cuộn cảm
Vai trò của các diode: Hoàn trả dòng phản kháng.
Ở mỗi thời điểm sơ đồ đều có một pha mắc nối tiếp với 2 pha đấu song
song do vậy điện áp pha trên tải chỉ có hai giá trị hoặc Ed/3 (khi pha đó đấu
song song với một pha khác) hoặc 2Ed/3 (khi nó đấu nối tiếp với hai pha khác
đấu song song). Giả thiết 3 pha của động cơ là đối xứng, ta có giá trị hiệu dụng
của điện áp pha:

22


2π
 π

2
2


2
π
3 2 
2 En
1
1  3  En 

2

U pha =
U
d
θ
=
2
d
θ
+
E
d
θ
=
∫  n÷
2π 0∫ pha
2π  0∫  3 ÷
3

π 3 


3
T

0÷60o

60o÷120o 120o ÷180o 180o÷240

T1
T2

1
0

1
1

1
1

T3

0

0

T4
T5

0
1

0
0

T6

o

240o÷300o 300o÷360o

0
1

0
0

0
0

1

1

1

0

0
0

1
0

1
1

1

1

1
1
0
0
0
1
Bảng 2. Bảng trạng thái quá trình đóng mở của các van điều khiển

00

600

1200

1800

2400

3600

D1

1

0

0

0

0

0

D2

0

1

0

0

0

0

D3

0

0

1

0

0

0

D4

0

0

0

1

0

0

D5

0

0

0

0

1

0

D6

0

0

0

0

0

1

Bảng 3. Bảng trạng thái quá trình đóng mở của các diode
Ta tính điện áp trên từng pha:
- Trong khoảng 00 ÷ 600 (hình a)

1
U fA = U Z
3

- Trong khoảng 600 ÷1200 (hình b )

2
U fA = U Z
3

- Trong khoảng 1200 ÷1800 (hình c)

1
U fA = U Z
3

- Trong khoảng 1800 ÷ 2400 (hình d)

1
U fA = − U Z
3
23


- Trong khoảng 2400 ÷ 3000 (hình e)

2
U fA = − U Z
3

- Trong khoảng 3000 ÷ 3600 (hình f)

1
U fA = − U Z
3

Hình 2.8. Nguyên lý chuyển mạch của bộ nghịch lưu

24

Hình 2.9. Giản đồ dạng sóng nghịch lưu khi động cơ chạy thuận
Bộ nghịch lưu được sử dụng là 3 pha nên tại mỗi thời điểm chỉ có 2 van
dẫn, vì vậy điện áp ngược đặt lên các van còn lại chính là điện áp sau chỉnh lưu.
Chọn hệ số quá áp Ku = 1,6 . Dùng tản nhiệt nhôm cho van nên chọn hệ số dự
trữ là K I = 2,5 .
Mạch nghịch lưu có đầu vào là khâu trung gian một chiều, đầu ra là điện
áp 3 pha nối vào động cơ. Dòng cực đại qua mỗi pha động cơ chính là dòng đỉnh
qua mỗi van. Bằng thuật toán điều khiển, ta có thể giới hạn dòng khởi động là
dòng cực đại qua mỗi pha động cơ không vượt quá 2,5 lần dòng điện định mức.
Do đó, dòng hiệu dụng lớn nhất qua mỗi van là:
Imax = 2,5 . Iđm = 2,5 . 5,04 =12,6 A
Chọn hệ số dự trữ K I = 2,5 . Dòng điện lớn nhất mà van phải chịu:
IIGBT = Ic = 2,5 . 12,6 = 31,5 A
25