LỜI NĨI ĐẦU
Trong cơng cuộc cơng nghiệp hố và hiện đại hố hiện nay, ngành tự động
hố đóng một vai trò hết sức quan trọng. Việc áp dụng các hệ thống truyền động
theo vịng kín nhằm tăng năng suất và tăng hiệu quả kinh tế. Một hệ thống làm
việc ổn định thì sẽ cho ra những sản phẩm đảm bảo chất lượng cao.
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, đặc biệt là ngành điện tử

T

công suất. Với việc phát minh ra các linh kiện bán dẫn đã và đang ngày càng đáp

U

ứng được các yêu cầu của các hệ thống truyền động. Ưu điểm của việc sử dụng
các linh kiện bán dẫn mà làm cho hệ thống trở nên gọn nhẹ hơn, giá thành thấp

TN

hơn và có độ chính xác tác động cao hơn. Với nhu cầu sản suất và tiêu dùng như
hiện nay, thì việc tự động hố cho xí nghiệp trong đó sử dụng các linh kiện gọn
nhẹ là một nhu cầu hết sức cấp thiết.

ệu

Sau gần 4 năm học tập và nghiên cứu ở trường, em đã được làm quen với
các môn học thuộc ngành. Để áp dụng lý thuyết với thực tế trong học kỳ này

Li

chúng em được giao đồ án môn học tổng hợp hệ điện cơ với yêu cầu “ Thiết kế
hệ thống tự động điều chỉnh truyền động điện động cơ một chiều hai mạch vòng.

eT
ài

Với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn
và các thầy giáo trong bộ môn, đến nay đồ án của em đã được hoàn thành.
Bản đồ án của em gồm hai phần chính :
Phần thuyết minh: gồm 6 phần :
1. Phân tích, lựa chọn phương án truyền động điện.

ar

2. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực.

Sh

3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển( trừ phần bộ điều chỉnh).
4. Tính chọn thiết bị
5. Thiết kế, tính chọn thiết bị các bộ điều chỉnh và mơ phỏng đặc tính

động.
6. Thuyết minh sơ đồ nguyên lý.
Phần bản vẽ: gồm 3 bản vẽ khổ A0
1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống.
2. Giản đồ điện áp mạch động lực và mạch điều khiển.
1


3. Đặc tính động hệ thống (đặc tính n =f1(t) và id=f2(t)).
Do kiến thức chun mơn cịn hạn chế, các tài liệu tham khảo có hạn, nên

đồ án của em khơng tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong được sự chỉ bảo,
góp ý của các thầy, cơ giáo cùng các bạn để bản đồ án của em được hoàn thiện
hơn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn, cảm ơn thầy giáo

T

Trần Xuân Minh đã giúp đỡ em để bản thiết kế hoàn thành đúng thời hạn.

U

Thái Nguyên, ngày 01 tháng 04 năm
2021

TN

Sinh viên thiết kế
Hằng

Sh

ar

eT
ài

Li

ệu


Phạm Minh Hằng

2


PHẦN 1
PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Theo lý thuyết cơ sở truyền động điện, phụ tải cơ học có nhiều dạng khác
nhau như là loại mô men cản bằng hằng số, mô men cản tỉ lệ thuận với tốc độ,

T

mô men cản tỉ lệ với bình phương của tốc độ, mơ men cản tỉ lệ nghịch với tốc

U

độ. Động cơ điện cũng có nhiều loại, mỗi loại cũng có một số phương pháp điều
chỉnh tốc độ khác nhau, mỗi phương pháp điều chỉnh tốc độ của mỗi loại động

TN

cơ lại có đặc tính mơ men cho phép theo tốc độ khác nhau. Lý thuyết và thực
tiễn đã chứng minh rằng khi chọn được phương pháp điều chỉnh tốc độ cuiả
động cơ truyền động có đặc tính mơ men cho phép phù hợp với đặc tính cơ phụ

ệu

tải thì cơng suất đặt động cơ u cầu là nhỏ nhất, do đó chi phí cho hệ thống
truyền động điện là thấp nhất, hiệu quả làm việc của hệ thống cũng sẽ là cao


Li

nhất. Vì vậy việc lựa chọn đúng loại động cơ và phương pháp điều chỉnh tốc độ
cho một hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện có ý nghĩa lớn về mặt
kinh tế và kỹ thuật. Thêm nữa, với một loại động cơ và một phương pháp điều

eT
ài

chỉnh tốc độ thì phần thiết bị để thực hiện lại cũng có nhiều loại khác nhau, mỗi
loại có ưu nhược điẻm riêng. Như vậy, một phương án truyền động điện sẽ bao
gồm động cơ, phương pháp điều chỉnh tốc độ và thiết bị thực hiện việc điều
chỉnh tốc độ, lựa chọn phương án truyền động điện là phải lựa chọn đầy đủ cả ba

ar

nội dung trên.

Sh

Như đã nêu, hiện nay có nhiều loại động cơ điện và mỗi loại lại có nhiều

phương pháp điều chỉnh tốc độ khác nhau nên có thể có nhiều phương án đáp
ứng được về mặt kỹ thuật đối với hệ thống điều chỉnh tự động truyền động điện.
Để lựa chọn được phương án truyền động điện phù hợp ta sẽ tiến hành lựa chọn
động cơ và phương pháp điều chỉnh tốc độ, tiếp sau là lựa chọn thiết bị để thực
hiện điều chỉnh tốc độ động cơ.

3



1.2. Lựa chọn loại động cơ điện và phương pháp điều chỉnh tốc độ
Việc lựa chọn đúng phương án truyền động điện (loại động cơ, phương
pháp điều chỉnh tốc độ, BBĐ,...) để phục vụ cho sản xuất có ý nghĩa rất lớn.
Phương án có thể đáp ứng và thực hiện được gồm 2 phương án:
PA1: Dùng động cơ 1 chiều kích từ độc lập điều chỉnh tốc độ bằng phương

T

pháp thay đổi điện áp phần ứng động cơ.
PA2: Dùng động cơ xoay chiều điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay

U

đổi tần số hóa.

TN

Nếu dùng động cơ xoay chiều thì ta phải chọn bộ biến tần phù hợp và chỉ
việc cài đặt thơi thì nội dung kiến thức sẽ khơng có gì cả, khơng phù hợp.
Nhưng nếu ta thiết kế được bộ biến tần đảm bảo xây dựng hệ thống biến tần
động cơ xoay chiều thì với kiến thức đã được cung cấp và với thời gian là không

ệu

đủ để thực hiện được. Nên ta không chọn phương án dùng động cơ xoay chiều
điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi tần số hóa.

Li


Với hệ thống truyền động dùng động cơ một chiều kích từ độc lập điều
chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng động cơ thì ta hồn

eT
ài

tồn có thể thực hiện được dựa trên kiến thức và thời gian ta có thể hoàn toàn
thiết kế được hệ thống truyền động này.
Vậy ta chọn phương án dùng động cơ một chiều kích từ độc lập điều

chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng động cơ.

ar

Do lưới điện công nghiệp cung cấp là lưới điện xoay chiều nên để có được
điện áp một chiều điều khiển được cấp cho mạch phần ứng động cơ thì ta phải

Sh

có một thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều-một chiều hay còn gọi là bộ biến đổi.
Với bộ biến đổi kèm với động cơ thì ta có một phương án truyền động cụ

thể. Ta cần phải lựa chọn được phương án truyền động cụ thể.
Từ trước đến nay người ta sử dụng rất nhiều bộ biến đổi như: bộ biến đổi
máy điện, bộ biến đổi chỉnh lưu bằng đèn điện tử, bộ biến đổi chỉnh lưu bằng
dụng cụ bán dẫn, bộ biến đổi tổ hợp gồm chỉnh lưu không điều khiển và bộ biến
đổi 1 chiều-1 chiều, bộ biến đổi khuếch đại từ,…

4



Sau đây ta phân tích 3 hệ truyền động chính đang được sử dụng rộng rãi dựa
trên 3 bộ biến đổi hiện nay:


Hệ thống máy phát- động cơ điện một chiều kích từ độc lập (

hệ F-Đ)


Hệ thống chỉnh lưu điều khiển thyristor- động cơ điện một

chiều kích từ độc lập (hệ T-Đ)
một chiều kích từ độc lập (hệ XA-Đ)

T

Hệ thống chỉnh lưu không điều khiển xung áp- động cơ điện

U



TN

Với hệ truyền động, có đặc điểm tải mang tính chất phản kháng, phạm vi
điều chỉnh khá rộng, khơng có sai lệch tĩnh thì có thể sử dụng động cơ 1 chiều
kích từ độc lập điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc động cơ xoay chiều 3 pha thay
đổi tần số. Nếu lựa chọn động cơ xoay chiều mà phải thiết kế bộ biến tần thì


ệu

khối lượng tính tốn q lớn so với đồ án tốt nghiệp, nếu không phải tính tốn
bộ biến tần mà chỉ lựa chọn bộ biến tần thì quá đơn giản. Vì vậy lựa chọn động

Li

cơ 1 chiều kích từ độc lập thay đổi mạch phần ứng động cơ.
Khi lựa chọn ĐC1CKTĐL thay đổi mạch phần ứng động cơ thì ta có thể

eT
ài

lựa chọn nhiều phương án khác nhau phụ thuộc vào BBĐ (2 mạch vòng). với
u cầu khơng có sai lệch tĩnh ,có khả năng hạn chế phụ tải, ta có thể sử dụng hệ
thống có phản hồi âm tốc độ, phản hồi âm dịng có ngắt, và cũng có thể sữ dụng
hệ thống 2 mạch vòng (tốc độ, dòng điện)với bộ điều chỉnh là khâu PI. Qua

ar

nghiên cứu tài liệu ta thấy hệ thống 2 mạch vịng có đặc tính khởi động tốt hơn.
Vì vậy ta chọn 2 mạch vòng.

Sh

Như vậy ta chọn thiết kế hệ thống động cơ 1 chiều kích từ độc lập 2 mạch

vòng.


5


1.3. Phân tích một số phương án truyền động điện dùng động cơ một
chiều
Trong mục 1.2 đã lựa chọn sử dụng động cơ một chiều kích từ độc lập và
điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện áp mạch phần ứng động cơ.
Như vậy, để điều chỉnh tốc độ động cơ thì cần phải cung cấp cho động cơ điện

T

áp một chiều điều chỉnh được, như vậy cần phải có một thiết bị biến đổi (cũng
được gọi là bộ biến đổi (BBĐ) để thực hiện. Mặt khác, để thực hiện các chức

U

năng khác như ổn định tốc độ, v.v.. thì trong hệ thống cũng cần sử dụng một

TN

hoặc một số phản hồi nhất định. Với một BBĐ cụ thể để thực hiện việc điều
chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng động cơ ta có một phương án truyền động
điện cụ thể. Để lựa chọn được phương án truyền động điện, ta sẽ tiến hành phân
tích một số phương án điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng

ệu

phương pháp thay đổi điện áp đặt vào mạch phần ứng động cơ.

Li


1.3.1. Phương án 1 - Hệ máy phát - động cơ điện một chiều kích từ độc lập

eT
ài

(hệ F-Đ)

ĐK
+

CKF

CBI

FT

uKF
Bộ khuếch
đại CS

RI

R
(-)
n

CKĐ

n


ar
Sh

ucđ

Đ

F

(-)

Id

Hình 1.1: Hệ thống máy phát - động cơ điện một chiều kích từ độc lập (F-Đ)
hai mạch vòng

6


1.3.1.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống (dạng tổng quát)
Sơ đồ nguyên lý dạng khối của hệ thống như hình 1.1. Các thiết bị và tín
hiệu cơ bản trong sơ đồ gồm:
- Đ là động cơ một chiều kích từ độc lập (cuộn kích từ là CKĐ) dùng để
truyền động cho máy sản xuất;
- F là máy phát một chiều kích từ độc lập (cuộn kích từ là CKF) dùng để

T

cung cấp điện áp một chiều điều chỉnh được cho phần ứng động cơ Đ để điều


U

chỉnh tốc độ động cơ;

TN

- FT là máy phát tốc;
- CBI là cảm biến dòng;
- BKĐ là bộ khuếch đại;
- R là bộ điều chỉnh tốc độ;
- RI là bộ điều chỉnh dòng điện;

ệu

- ĐK là động cơ không đồng bộ ba pha dùng để kéo máy phát F;

Li

- ucđ là điện áp chủ đạo (điện áp đặt tốc độ);
- n là tín hiệu phản hồi âm tốc độ;

eT
ài

- Id phản hồi âm dòng điện;

- uKF là điện áp đặt vào cuộn kích từ (CKF) của máy phát, đây là tín

hiệu đầu ra của bộ khuếch đại;


- n là tốc độ quay của rotor động cơ.

ar

Giả thiết với các khâu trong hệ là lý tưởng, 2 bộ điều chỉnh là khâu PI thì
đặc tính tĩnh có dạng như sau: (theo giáo trình Tổng hợp hệ điện cơ do TS. Trần

Sh

Xuân Minh và PGS.TS. Nguyễn Như Hiển biên soạn)

7


T
U
TN
Li

1.3.1.2. Nhận xét

ệu

Hình 1.1.2: Dạng đặc tính tĩnh

- Hệ thống hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật đặt ra;
- Hệ thống có các ưu điểm: Điện áp ra của máy phát là điện áp một chiều

eT

ài

khá bằng phẳng nên ít ảnh hưởng đến sự làm việc của động cơ; máy phát có tính
thuận nghịch và cho phép dịng điện đi qua phần ứng theo hai chiều nên động cơ
có thể làm việc ở cả 4 góc góc phần tư và sự chuyển đổi từ chế độ động cơ sang
các chế độ hãm rất linh hoạt.

ar

- Bên cạnh những ưu điểm đã nêu, hệ thống này có một số nhược điểm:

Công suất lắp đặt lớn (công suất các thiết bị của BBĐ ít nhất gấp hai lần cơng

Sh

suất động cơ), giá thành cao; BBĐ là các thiết bị quay nên yêu cầu nên móng
chắc chắn, gá lắp phức tạp, làm việc thường gây ồn lớn, thêm nữa máy phát một
chiều có chi phí bảo trì, bảo dưỡng lớn; qn tính điện từ lớn (quán tính điện từ
mạch kích từ máy phát lớn) làm giảm độ tác động nhanh của hệ thống.

8


1.3.2. Phương án 2: Hệ thống chỉnh lưu điều khiển thyristor - động cơ
điện một chiều kích từ độc lập (hệ T-Đ)
1.3.2.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống (dạng tổng quát)
Nguồn xoay chiều

CK
n


FX

RI

R

ukđT

n

Đ

Ud

CKĐ

U

(-)
Id

+

CL

TN

(-)


=

T

ucđ

CBI

FT

Li

ệu

Hình 1.2: Hệ thống điều tốc một chiều dùng hệ chỉnh lưu thyristor - động cơ
(hệ T-Đ) hai mạch vòng

Sơ đồ nguyên lý dạng khối của hệ thống như hình 1.2. Các thiết bị và tín

eT
ài

hiệu cơ bản trong sơ đồ gồm:

- Đ là động cơ một chiều kích từ độc lập (cuộn kích từ là CKĐ) dùng để
truyền động cho máy sản xuất;

- CL là bộ chỉnh lưu có điều khiển bằng thyristor dùng để biến đổi điện áp

ar


xoay chiều của mạng điện công nghiệp thành điện áp một chiều điều chỉnh được
cấp cho phần ứng động cơ Đ thực hiện chức năng điều chỉnh tốc độ động cơ;

Sh

- FX là mạch phát xung điều khiển các thyristor của bộ chỉnh lưu;
- R là bộ điều chỉnh tốc độ;
- RI là bộ điều chỉnh dòng điện;
- n là tín hiệu phản hồi âm tốc độ;
- Id phản hồi âm dòng điện;
- FT là máy phát tốc;
- CK là cuộn kháng điện;
- CBI là cảm biến dòng;
9


- ucđ là điện áp chủ đạo (điện áp đặt tốc độ);
- uđk là điện áp điều khiển mạch phát xung khống chế các thyristor của bộ
chỉnh lưu, đây là tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại;
- uđkT là các xung điều khiển các thyristor của bộ chỉnh lưu;
- n là tốc độ quay của rotor động cơ.
Đặc tính tĩnh:

T

Do hệ thống đều là 2 mạch vòng nên dạng đặc tính tương đương như phương

U


án 1 nên ta khơng vẽ lại.

TN

1.3.2.2. Nhận xét

- Hệ thống hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật đặt ra;

- Hệ thống có các ưu điểm: BBĐ là thiết bị tĩnh nên không cần nền móng
chắc chắc, làm việc khơng gây ồn; cơng suất lắp đặt hợp lý; các thiết bị gọn nhẹ,

ệu

có độ bền cao, giá thành thấp; quán tính nhỏ nên độ tác động nhanh cao.
- Tuy nhiên, hệ thống này cũng có một số nhược điểm: Điện áp đầu ra của

Li

BBĐ là dạng điện áp đập mạch với thành phần xoay chiều lớn (tỉ lệ thành phần
xoay chiều trên một chiều sẽ càng tăng khi tăng góc điều khiển) ảnh hưởng đến

eT
ài

sự làm việc của động cơ nên cần có thiết bị hạn chế thành phần xoay chiều dòng,
áp đầu ra BBĐ; có thể xuất hiện chế độ dịng điện gián đoạn khi tải nhỏ làm tăng
độ dốc của đặc tính; dịng điện của BBĐ chỉ đi theo một chiều nên muốn đổi
chiều dịng động cơ cần có thêm thiết bị (thêm sơ đồ chỉnh lưu để thành BBĐ có

Sh


ar

đảo dịng, hoặc thêm các thiết bị đóng cắt, v.v…).

10


1.3.3. Phương án 3: Hệ thống chỉnh lưu không điều khiển - xung áp động cơ điện một chiều kích từ độc lập (hệ XA-Đ)
1.3.3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống (dạng tổng quát)
Sơ đồ nguyên lý dạng khối của hệ thống như hình 1.4. Các thiết bị và tín
hiệu cơ bản trong sơ đồ gồm:

T

- Đ là động cơ một chiều kích từ độc lập (cuộn kích từ là CKĐ) dùng để
truyền động cho máy sản xuất;

U

- CLKĐK là bộ chỉnh lưu không điều khiển bằng các diode dùng để biến đổi

TN

điện áp xoay chiều của mạng điện công nghiệp thành điện áp một chiều không

Sh

ar


eT
ài

Li

ệu

đổi dùng để cung cấp cho BBĐ một chiều - một chiều (xung điện áp);

- XA là khâu xung áp dùng để biến đổi điện áp một chiều đầu ra của CLKĐK
(Ud) thành điện áp một chiều điều chỉnh được cấp cho phần ứng động cơ Đ thực
hiện chức năng điều chỉnh tốc độ động cơ;
- FX là mạch phát xung điều khiển các van của khâu xung điện áp;
- ucđ là điện áp chủ đạo (điện áp đặt tốc độ);
- R là bộ điều chỉnh tốc độ;
11


- RI là bộ điều chỉnh dòng điện;
- n là tín hiệu phản hồi âm tốc độ;
- Id phản hồi âm dòng điện;
- FT là máy phát tốc;
- CBI là cảm biến dòng;
- CK là cuộn kháng điện;

T

- CKĐ là cuộn kích từ động cơ 1 chiều;

U


- Đ là động cơ truyền động;

TN

- CL là bộ chỉnh lưu có điều khiển bằng thyristor dùng để biến đổi điện áp
xoay chiều của mạng điện công nghiệp thành điện áp một chiều điều chỉnh được
cấp cho phần ứng động cơ Đ thực hiện chức năng điều chỉnh tốc độ động cơ;
- uđkT là xung điều khiển các thyristor hoặc transistor của khâu xung áp;

ệu

- n là tốc độ quay của rotor động cơ.
Đặc tính tĩnh:
án 1 nên ta khơng vẽ lại.

Li

Do hệ thống đều là 2 mạch vịng nên dạng đặc tính tương đương như phương

eT
ài

1.3.3.2. Nhận xét

- Hệ thống hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật đặt ra;
- Hệ thống có các ưu điểm: BBĐ cũng là thiết bị tĩnh nên khơng cần nền
móng chắc chắc, làm việc khơng gây ồn; công suất lắp đặt hợp lý; các thiết bị

ar


gọn nhẹ, có độ bền cao, giá thành thấp; quán tính nhỏ nên độ tác động nhanh
cao.

Sh

- Tuy nhiên, hệ thống này cũng có một số nhược điểm: Điện áp đầu ra của

BBĐ cũng có thành phần xoay chiều ảnh hưởng đến sự làm việc của động cơ
nên cần có thiết bị lọc, nhưng mức độ ảnh hưởng nhỏ hơn nhiều so với khi BBĐ

là chỉnh lưu thyristor vì thành phần xoay chiều trong điện áp ra của BBĐ thường
có tần số rất lớn (phụ thuộc vào tần số làm việc của BBĐ, có thể trên hàng chục
KHz); khi mạng điện là xoay chiều thì cần thêm một bộ chỉnh lưu khơng điều
khiển và khâu lọc làm tăng kích thước và giá thành; có thể xuất hiện chế độ

12


dòng điện gián đoạn khi tải nhỏ làm tăng độ dốc của đặc tính; để đổi chiều dịng
động cơ cần có thêm thiết bị.
1.4. Chọn phương án truyền động điện
Với việc đã lựa chọn động cơ một chiều và điều chỉnh tốc độ bằng
phương pháp thay đổi điện áp mạch phần ứng động cơ, trong giai đoạn hiện nay

T

có thể sử dụng một trong ba phương án đã phân phân tích trên. Cả ba phương án
đều đáp ứng được chất lượng tĩnh theo yêu cầu đặt ra, tuy nhiên phương án dùng


U

động cơ xoay chiều kéo máy phát một chiều làm BBĐ hiện nay hầu như khơng

TN

được lựa chọn vì giá thành cao, kết cấu cồng kềnh, quán tính lớn và chi phí vận
hành cao hơn nhiều so với hai phương án cịn lại. Với các hệ thống cơng nhỏ,
trung bình thì BBĐ một chiều - một chiều dùng các transistor co ưu thế rất lớn

ệu

so với bộ chỉnh lưu về chất lượng điện áp ra, nhưng do năng lượng điện phải qua
hai lần biến đổi nên hiệu suất bị giảm, mặt khác việc cần có một bộ chỉnh lưu

Li

khơng điều khiển làm cho số lượng phần tử của BBĐ và kéo theo giá thành tăng.
Hệ thống dùng chỉnh lưu không điều khiển - xung áp - động cơ điện một chiều
kích từ độc lập sẽ có ý nghĩa trong trường hợp trên một máy có nhiều hệ thống

eT
ài

truyền động dùng động cơ một chiều, còn trong trường hợp đơn lẻ thì hệ thống
chỉnh lưu thyristor có ưu thế hơn vì số lượng phần tử của BBĐ ít, giá thành thấp
trong khi vẫn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật đặt ra. Vì vậy, em quyết định chọn
phương án truyền động điện là chỉnh lưu điều khiển thyristor - động cơ một

ar


chiều kích từ độc lập, điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi điện áp

Sh

mạch phần ứng động cơ sửa dụng cấu trúc hai mạch vòng.

13


PHẦN 2
THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH LỰC HỆ THỐNG
TRUYỀN ĐỘNG

2.1. MỞ ĐẦU

T

Phần 1 đã chọn phương án truyền động điện là chỉnh lưu điều khiển thyristor

U

- động cơ một chiều kích từ độc lập, điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay
đổi điện áp mạch phần ứng động cơ. Như vậy các thiết bị chủ yếu của mạch lực

TN

gồm: Bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng thyristor; động cơ điện; các thiết bị khác
như thiết bị đóng cắt, bảo vệ, các thiết bị dùng để hãm dừng động cơ, …
Từ phương án truyền động đã biết động cơ là động cơ một chiều kích từ


ệu

độc lập, cịn số liệu cụ thể sẽ tính tốn trong phần tính chọn thiết bị điện. Như
vậy nội dung chính của phần này là lựa chọn loại sơ đồ chỉnh lưu và các thiết bị

Li

còn lại mà trọng tâm là sơ đồ chỉnh lưu.

Chúng ta sẽ tiến hành lựa chọn lần lượt sơ đồ chỉnh lưu và các thiết bị cơ

eT
ài

bản khác của phần mạch lực.

2.2. CHỌN SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU
2.2.1. Chọn loại sơ đồ chỉnh lưu
Với yêu cầu về công suất tải từ 2,0 đến 2,5 KW, phạm vi điều chỉnh tốc độ

ar

D = 30:1 thì có thể sử dụng một trong những sơ đồ chỉnh lưu thơng dụng như
hình tia hai pha, hình tia ba pha, hình cầu một pha hoặc hình cầu ba pha. Để

Sh

chọn được sơ đồ phù hợp nhất ta sẽ tiến hành so sánh đặc điểm của bốn kiểu sơ
đồ chỉnh lưu nói trên và kết hợp thêm điều kiện thực tế.

2.2.1.1. Các đặc tính và chỉ tiêu cơ bản của các sơ đồ chỉnh lưu hình tia hai

pha, hình tia ba pha, hình cầu một pha và hình cầu ba pha
- Chất lượng điện áp đầu ra:
Trong bốn sơ đồ trên thì sơ đồ chỉnh lưu hình tia hai pha và hình cầu một
và có chất lượng điện áp ra tương nhau và kém nhất, chất lượng điện áp của sơ
14


đồ chỉnh lưu hình cầu ba pha là tốt nhất, còn chất lượng điện áp ra của sơ đồ
chỉnh lưu hình tia ba pha tốt hơn của cầu một pha nhưng kém hơn so với hình
cầu ba pha.
- Số lượng van và độ phức tạp của sơ đồ kể cả phần điều khiển: Số lượng
van của sơ đồ hình tia hai pha là ít nhất (2 van), tiếp đến là của sơ đồ hình tia ba
pha (3 van), sau đến sơ đồ cầu một pha (4 van) và cuối cùng là sơ đồ cầu ba pha

T

(6 van); mạch điều khiển của các sơ đồ hình tia hai pha, hình tia ba pha và hình

U

cầu một pha có độ phức tạp chênh nhau khơng nhiều, cịn mạch điều khiển của
sơ đồ chỉnh lưu hình cầu ba pha phức tạp hơn rất nhiều so với ba sơ đồ kia.

TN

- Điện áp lớn nhất trên van theo chiều ngược và thuận tính theo điện áp
chỉnh lưu trung bình khi  = 0:
+ Sơ đồ tia hai pha:


U Tng max  U Tng max  U d 0  3,14U d 0 ;

+ Sơ đồ tia ba pha:

UTng max  UTng max 

ệu

Li

+ Sơ đồ cầu một pha: U Tng max  U Tng max 


U d  1,57U d0 ;
2 0


UTng max  UTng max  Ud0  1,05Ud0 ;
3

eT
ài

+ Sơ đồ cầu ba pha:

2
Ud0  2,1Ud0 ;
3


- Dịng điện trung bình qua các van: Với các sơ đồ chỉnh lưu hình tia hai pha
và cầu một pha thì dịng trung bình qua mỗi van bằng một nửa dịng tải trung
bình, cịn với sơ đồ hình tia ba pha và cầu ba pha thì dịng trung bình qua mỗi

ar

van bằng một phần ba dịng tải trung bình.

Sh

- Các đặc điểm và u cầu khác: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia hai pha bắt buộc

phải có máy biến áp cung cấp, các sơ đồ khác cũng thường có máy biến áp cung
cấp nhưng khơng phải là yêu cầu bắt buộc; sơ đồ cầu ba pha cần phải quan tâm

cẩn thận đến độ dài xung điều khiển hoặc sử dụng giải pháp thay thế để đảm bảo

sơ đồ có thể khởi động được cũng như duy trì sự làm việc bình thường trong chế
độ dịng điện gián đoạn.

15


2.2.1.2. Chọn loại sơ đồ chỉnh lưu
Từ yêu cầu phụ tải đã cho, căn cứ vào đặc điểm làm việc của bốn loại sơ
đồ chỉnh lưu thông dụng đã nêu, ta thấy rằng với hệ thống truyền động này tuy
công suất khơng lớn nhưng có u cầu cao về phạm vi điều chỉnh và sai lệch
tĩnh nên cần chọn một sơ đồ chỉnh lưu có chất lượng điện áp ra khá tốt nhưng
cũng khơng nên q phức tạp, có thể thấy sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha là phù


T

hợp, do vậy ta sẽ chọn loại sơ đồ này.

U

2.2.2. Chọn sơ đồ chỉnh lưu cụ thể

TN

Bộ chỉnh lưu tia ba pha có 2 dạng sơ đồ là chỉnh lưu hình tia ba pha điều
khiển hồn tồn (sơ đồ có 3 thyristor) và chỉnh lưu hình tia ba pha có diode
khơng (sơ đồ có 3 thyristor và một diode ký hiệu là D0). Sơ đồ chỉnh lưu hình tia

ệu

ba pha điều khiển hồn tồn có số van ít hơn và khi cần thiết có thể khống chế
để sơ đồ làm việc ở chế độ nghịch lưu. Sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha có diode

Li

khơng có số van nhiều hơn (thêm diode không), không làm việc được ở chế độ
nghịch, nhưng nó sẽ giảm được mức độ đập mạch dòng tải và thu hẹp vùng dòng
điện gián đoạn khi điện cảm trong mạch tải khơng lớn.

eT
ài

Từ các phân tích trên, kết hợp với đặc tính tải mà đề tài đã cho, ta chọn sơ đồ
chỉnh lưu hình tia ba pha có diode khơng.

2.3. Chọn phương pháp hãm dừng động cơ
Với yêu cầu của đề tài là cần dừng chính xác động cơ nên cần phải lựa chọn

ar

biện pháp nâng cao độ chính xác dừng. Đối với các máy sản xuất có mơ men tải

Sh

mang tính chất phản kháng và không đảo chiều quay thường áp dụng biện pháp
nâng cao độ chính xác dừng là chuyển động cơ sang trạng thái hãm (hãm điện)

khi phát lệnh dừng.
Các động cơ một chiều kích từ độc lập có thể có ba trạng thái hãm: hãm tái
sinh, hãm ngược và hãm động năng. Hãm tái sinh là phương pháp hãm có chỉ
tiêu năng lượng tốt nhất, nhưng khi đó yêu cầu bộ chỉnh lưu cấp điện cho phần
ứng động cơ phải làm việc ở chế độ nghịch lưu; đối với hệ thống này, do đã
chọn sơ đồ chỉnh lưu là sơ đồ hình tia ba pha có D0 khơng có khả năng làm việc
16


ở chế độ nghịch lưu nên phương pháp hãm này khơng dùng được. Hãm ngược là
phương pháp hãm có thể cho mô men hãm lớn, tương đối dễ thực hiện, nhưng
có chỉ tiêu năng lượng kém nhất. Hãm động năng là phương pháp hãm động cơ
có chỉ tiêu năng lượng nằm giữa hai phương pháp trên và dễ triển khai nhất. So
sánh giữa hai phương pháp hãm ngược và hãm động năng có thể thấy, trong
trường hợp này, hãm động năng là phù hợp hơn.

T


Mặt khác, đối với động cơ một chiều kích từ độc lập có thể thực hiện hãm

U

động năng kích từ độc lập và hãm động năng tự kích từ. Hãm động năng tự kích
từ có ưu điểm là động cơ vẫn thực hiện được chế độ hãm khi mất điện lưới,

TN

nhưng có nhược điểm là mơ men hãm giảm rất nhanh khi tốc độ giảm. Trong
thực tế hiện nay, nguồn điện khá ổn định, vì vậy nên chọn hãm động năng kích
từ độc lập.

ệu

Với các phân tích trên, tơi quyết định chọn phương pháp hãm động năng
động này.

Li

kích từ độc lập để tăng độ chính xác dừng cho động cơ trong hệ thống truyền

2.4. Lựa chọn các thiết bị khác

eT
ài

2.4.1. Lựa chọn thiết bị bảo vệ quá áp cho các van chỉnh lưu
Với các bộ chỉnh lưu bán dẫn, các van chỉnh lưu rất nhạy cảm với các quá
điện áp cả về trị số và tốc độ tăng. Để bảo vệ các van khỏi các quá diện áp do

các nguyên nhân khác nhau, với các hệ thống cơng suất trung bình và lớn, đặc

ar

biệt là khi chênh lệch điện áp giữa sơ cấp và thứ cấp máy biến áp lớn thường áp
dụng sử dụng các mạch R-C mắc song song với nguồn xoay chiều và mạch R-C

Sh

mắc song song với từng van. Trong trường hợp này, công suất BBĐ rất nhỏ và
thường được cấp điện từ mạng hạ áp của phân xưởng nên chỉ cân mạch R-C mắc

song song với mỗi van.

17


2.4.2. Lựa chọn thiết bị bảo vệ quá dòng
Các bộ chỉnh lưu bán dẫn cũng yêu cầu trang bị bảo vệ về dòng điện cho
các van và các thiết bị khác. Bảo vệ q dịng có bảo vệ q tải, bảo vệ ngắn
mạch và bảo vệ quá tốc độ tăng dòng qua van khi mở van. Để bảo vệ quá tải và
ngắn mạch có thể dùng rơ le nhiệt và cầu chì kết hợp với cơng tắc tơ hoặc dùng
áp tơ mát có hai chức năng bảo vệ. Ở đây ta sẽ chọn áp tô mát để vừa bảo vệ quá

T

dòng đồng thời thực hiện nhiệm vụ của thiết bị đòng cắt nguồn cho cả hệ thống

U


truyền động. Việc bảo vệ quá tốc độ tăng dòng qua van khi mở được thực hiện

2.4.3. Lựa chọn thiết bị đóng cắt

TN

nhờ các điện cảm, ở đây là điện cảm tản các cuộn dây máy biến áp cung cấp.

- Đóng cắt nguồn cho cả hệ thống dùng áp tô mát (kiêm luôn chức năng bảo

ệu

vệ quá dòng điện như đã nêu trong 2.4.2).

- Đóng cắt mạch phần ứng động cơ vào bộ chỉnh lưu dùng công tắc tơ, công

Li

tắc tơ này ký hiệu là K.

- Đóng cắt điện trở hãm động năng dùng công tắc tơ, công tắc tơ này gọi là
công tắc tơ hãm và ký hiệu là H.

eT
ài

2.4.4. Lựa chọn thiết bị lọc thành phần xoay chiều điện áp chỉnh lưu
Để giảm bớt ảnh hưởng của thành phần xoay chiều điện áp chỉnh lưu đến
sự làm việc của động cơ, đồng thời hạn chế vùng dòng điện gián đoạn ta sử


Sh

ar

dụng điện cảm san bằng CK.

18


2.5. Sơ đồ nguyên lý mạch lực của hệ thống truyền động

eT
ài

Li

ệu

TN

U

T

2.5.1. Sơ đồ nguyên lý mạch lực hệ thống truyền động

ar

Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực của hệ thống truyền động được biểu diễn
trên hình 2.1. Trong sơ đồ: BA là máy biến áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu; sơ


Sh

đồ chỉnh lưu hình tia ba pha có diode khơng gồm các van T1, T2, T3 và D0; Đ là
động cơ một chiều kích từ độc lập dùng để truyền động cho máy sản xuất, Đ có
cuộn kích từ là CKĐ; CK là cuộn kháng san bằng; Rh là điện trở hãm động
năng; AT là áp tô mát dùng để đóng cắt nguồn và bảo vệ quá dòng; các tiếp
điểm K và H là các tiếp điểm chính của các cơng tắc tơ cấp điện cho động cơ và
khống chế quá trình hãm động năng động cơ; iA, iB, iC và ia, ib, ic là dòng điện sơ
và thứ cấp của BA; iT1, iT2, iT3, iD0 là dòng các van trong sơ đồ; id là dòng tức
thời đầu ra bộ chỉnh lưu mà cũng là dòng tức thời phần ứng động cơ Đ.
19


2.5.2. Nguyên lý làm việc mạch lực hệ thống truyền động
2.5.2.1. Nguyên lý làm việc của BBĐ
Nguyên lý làm việc của sơ đồ chỉnh lưu được minh họa thông qua các đồ

Sh

ar

eT
ài

Li

ệu

TN


U

T

thị dịng áp như hình 2.2.

Hình 2.2: Đồ thị minh họa nguyên lý làm việc của bộ chỉnh lưu trên hình 2.1
Các đồ thị trên được xây dựng với các giả thiết: điện cảm cuộn kháng san

bằng có giá trị rất lớn nên dòng tải bằng phẳng (id = Id), bỏ qua điện trở và điện
cảm phần nguồn, cho sơ đồ làm việc với một góc điều khiển  > 0. Đường nét

20


đậm trên hình 2.2a là điện áp chỉnh lưu tức thời đầu ra của bộ chỉnh lưu, cũng là
điện áp đặt lên phần ứng động cơ và cuộn kháng san bằng.
2.5.2.2. Nguyên lý hãm động năng khi dừng
Giả thiết động cơ đang làm việc ở một tốc độ nào đó ta phát lệnh dừng, khi
đó cơng tắc tơ K bị cắt điện làm mở các tiếp điểm chính (tiếp điểm thường hở),

T

thực hiện cắt điện mạch phần ứng động cơ, đồng thời tiếp điểm phụ thường kín
của K trong mạch cuộn dấy công tắc tơ H (không biểu diễn trên sơ đồ) đóng lại

U

cấp điện cho cuộn dây cơng tắc tơ H, H tác động đóng tiếp điểm nối tiếp R h vào


TN

mạch phần ứng động cơ, do quán tính cơ mà tốc độ động cơ vẫn còn, đồng thời
từ thơng vẫn được duy trì nên sức điện động động cơ vẫn còn và sinh ra dòng
điện qua Rh, động cơ làm việc ở trạng thái máy phát (hãm động năng) và tạo nên
mô men hãm làm cho tốc độ động cơ nhanh chóng giảm về bằng khơng (dừng

ệu

chính xác), khi tốc độ động cơ bằng khơng thì sức điện động động cơ cũng bằng

Sh

ar

eT
ài

Li

không nên mô men hãm cũng bằng khơng và q trình hãm động năng kết thúc.

21


22

eT
ài


ar

Sh
ệu

Li

U

TN

T


PHẦN 3
THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.1. Đặt vấn đề
Để bộ chỉnh lưu làm việc và điều khiển được điện áp đầu ra của nó nhằm
điều chỉnh tốc độ động cơ cần phải có mạch phát các xung điều khiển khống chế

T

các thyristor. Vậy, nội dung đầu tiên của phần này là thiết kế mạch phát xung
điều khiển các thyristor của bộ chỉnh lưu.

U

Hệ thống có yêu cầu cao về sai lệch tĩnh với phạm vi điều chỉnh rộng và tự


TN

động hạn chế quá tải cho động cơ. Với hai yêu cầu trên, cần phải thực hiện tự
động ổn định tốc độ và tự động hạn chế phụ tải, để triển khai ta cần thiết kế hệ
thống có phản hồi. Với nhiệm vụ tự động ổn định tốc độ, đối với hệ truyền động

ệu

động cơ một chiều có thể sử dụng phản hồ âm tốc độ, hoặc phản hồi âm điện áp,
hoặc phản hồi dương dòng điện, hoặc kết hợp phản hồi âm điện áp với phản hồi

Li

dương dòng điện. Các nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn đã chứng minh, để ổn
định tốc độ thì phản hồi âm tốc độ là tốt nhất mặc dù việc lấy tín hiệu phản hồi
này khó khăn hơn các phản hồi khác. Mặt khác với phạm vi điều chỉnh rộng và

eT
ài

sai lệch tĩnh cho phép khá nhỏ nên phản hồi âm điện áp không thỏa mãn yêu
cầu, do vậy ta chọn phản hồi âm tốc độ. Còn để hạn chế phụ tải trong cả chế độ
động và chế độ tĩnh thì có các dạng phản hồi được sử dụng đó là phản hồi âm
dịng có ngắt hoặc phản hồi dương tốc độ có ngắt. Trong hệ thống này ta chọn

ar

dùng phản hồi âm dịng điện có ngắt vì nó đơn giản hơn. Như vậy, một trong
những nội dung của phần này là lựa chọn các khâu lấy tín hiệu phản hồi tốc độ


Sh

và dòng điện.

Để hệ thống đạt được yêu cầu về khơng có sai lệch tĩnh với phạm vi điều

chỉnh rộng, cũng như đảm bảo hạn chế được quá tải theo yêu cầu thì hệ số
khuếch đại hệ thống hở cũng phải đạt một mức tối thiểu nào đó trở lên, thông
thường với phạm vi điều chỉnh như yêu cầu thì hệ số khuếch đại của BBĐ và
của động cơ là chưa đủ nên ta cần phải tăng cường hệ số khuếch đại cho hệ
thống bằng cách đưa vào hệ thống thêm 2 khâu phản hồi là phản hồi âm tốc độ
23


và phản hồi âm dòng điện. Hai khâu phản hồi này giúp hệ thống khơng có sai
lệch tĩnh đối với dòng điện, hệ thống tự dộng hạn chế dòng điện khơng q mức
cho phép.
Ngồi ra, trong phần này cịn có nội dung là thiết kế nguồn một chiều cung
cấp cho các phần của mạch điều khiển, tạo điện áp chủ đạo.

T

Sau đây ta sẽ tiến hành thiết kế từng phần mạch một.
3.2. Thiết kế mạch phát xung điều khiển các van chỉnh lưu

U

3.2.1. Lựa chọn phương pháp phát xung điều khiển các van chỉnh lưu

TN


Các mạch phát xung điều khiển các van chỉnh lưu được xây dựng dựa trên
một số nguyên tắc khác nhau và được triển khai bởi nhiều loại linh kiện khác
nhau. Trong ba nguyên tắc cơ bản để thiết kế mạch phát xung điều khiển các

ệu

thyristor trong sơ đồ chỉnh lưu đã được giới thiệu đầy đủ trong học phần Điện tử
cơng suất thì ngun tắc phát xung theo pha đứng được sử dụng rộng rãi nhất và

Li

nó là cơ sở để thiết kế các mạch phát xung bằng vi mạch tổ hợp, bằng linh kiện
số hoặc bằng hệ vi xử lý. Vì vậy, chúng ta sẽ lựa chọn mạch phát xung theo
nguyên tắc khống chế pha đứng để thiết kế mạch phát xung điều khiển các

eT
ài

thyristor trong bộ chỉnh lưu.

Sơ đồ khối của hệ thống phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu theo nguyên
tắc khống chế pha đứng được biểu diễn trên hình 3.1. Trong đó: Khối thứ nhất là
khối đồng bộ hóa và tạo điện áp răng cưa (ĐBH&FSRC); khối thứ hai là khối so

ar

sánh (SS); khối thứ ba, khối cuối cùng, là khối gia cơng xung (GCX). Các tín
hiệu gồm: us là điện áp nguồn xoay chiều cấp cho sơ đồ chỉnh lưu; urc là điện áp


Sh

ra của khối thứ nhất và thường có dạng hình răng cưa, nó được gọi là điện áp tựa
(điện áp mẫu) và cũng thường được gọi là điện áp răng cưa (theo dạng của điện
áp); uđk là điện áp điều khiển, đây là điện áp một chiều có khả năng điều khiển

để điều khiển thời điểm xuất hiện xung điều khiển trên cực điều khiển các

us

ĐBH&
FSRC

urc
SS

GCX

uđkT

uđk
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu theo nguyên tắc 24
khống chế pha đứng


thyristor so với điện áp cấp cho van, tức là điều khiển góc ; uđkT là các xung
điều khiển các thyristor của bộ chỉnh lưu.
Bộ chỉnh lưu có ba thyristor nên cần có ba đường xung điều khiển, xung ở
các đường lệch nhau một phần ba chu kỳ (1200 điện) trong một chu kỳ nguồn.
Để đảm bảo điều này mạch phát xung có thể thiết kế dạng một kênh (chỉ có một

khối ĐBH&FSRC, một khối SS), cũng có thể thiết kế dạng nhiều kênh, mỗi

T

thyristor có một mạch phát xung riêng (một kênh riêng). Để đơn giản ta chọn

U

loại mạch phát xung điều khiển nhiều kênh. Các kênh phát xung của hệ thống

TN

điều khiển nhiều kênh có các thiết bị, các phần tử tương tự nhau, chỉ khác nhau
góc pha của tín hiệu đồng bộ, vì vậy ta chỉ cần thiết kế hoàn thiện một kênh phát
xung, các kênh khác lấy tương tự, chỉ cần quan tâm góc pha của tín hiệu đồng
bộ cho phù hợp.

ệu

3.2.2. Thiết kế sơ đồ nguyên lý các khâu của mạch phát xung

Li

3.2.2.1. Lựa chọn sơ đồ mạch đồng bộ và tạo điện áp răng cưa
 Lựa chọn mạch đồng bộ hóa:

Có một số mạch để tạo ra tín hiệu đồng bộ, nhưng phổ biến nhất là dùng

eT
ài


máy biến áp. Vì vậy, ta sẽ chọn mạch đồng bộ là máy biến áp đồng bộ. Sơ đồ
máy biến áp đồng bộ của mạch phát xung được biểu diễn trên hình 3.2. Do đặc
điểm của bộ chỉnh lưu hình tia ba pha các van mắc ka tốt chung là thời điểm mở
tự nhiên (mốc tính góc điều khiển) đối với van chậm sau thời điểm đầu nửa chu

ar

kỳ dương điện áp nguồn một góc 300 nên để có thể phát xung điều khiển với góc
điều khiển thay đổi từ 00 đến 1800 ta cần dịch pha tín hiệu đồng bộ đi một góc

Sh

300. Mạch dịch pha tín hiệu đồng bộ có sử dụng tổ đấu dây máy biến áp đồng bộ

hoặc sử dụng các mạch R và C, ở đây ta sử dụng tổ đấu dây máy biến áp như

trên hình 3.2 (/Y).

25