Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, các ngành công nghiệp chế tạo cơ khí và gia công cắt gọt kim loại đặt ra yêu cầu ngày càng cao đối với các hệ thống máy sản xuất: mức độ tự động hóa cao, vận hành linh hoạt, kết cấu gọn nhẹ, đảm bảo tính kinh tế và nâng cao năng suất gia công. Máy bào giường là một trong những máy cắt gọt kim loại cỡ lớn, chuyên dùng để gia công các chi tiết có kích thước và khối lượng lớn với chiều dài bàn máy phổ biến từ 1,5 m đến 12 m (thậm chí lên tới 15 m ở các máy cỡ nặng). Chuyển động chính của máy bào giường là chuyển động tịnh tiến qua lại của bàn máy mang chi tiết gia công.

Đặc điểm làm việc nổi bật của cơ cấu truyền động chính là tần số đảo chiều rất lớn, chu kỳ làm việc lặp đi lặp lại gồm hai hành trình: hành trình thuận (cắt gọt kim loại) và hành trình ngược (chạy không tải đưa bàn máy về vị trí ban đầu). Quá trình quá độ (khởi động, hãm, đảo chiều) chiếm tỷ lệ thời gian đáng kể trong chu kỳ làm việc. Do đó, việc xây dựng một hệ thống truyền động điện có khả năng điều chỉnh tốc độ trơn, phạm vi điều chỉnh rộng, quá trình quá độ tối ưu nhằm giảm tổn thất thời gian và đảm bảo độ chính xác khi vào dao là bài toán kỹ thuật cấp thiết.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu đặc điểm công nghệ, chế độ làm việc và đồ thị phụ tải của hệ thống truyền động chính máy bào giường.
  2. Xác định phụ tải, tính toán công suất và lựa chọn chủng loại động cơ truyền động phù hợp, tiến hành kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện phát nóng và khả năng quá tải về mômen.
  3. Phân tích, so sánh các phương án truyền động điện (hệ Máy phát - Động cơ và hệ Thyristor - Động cơ) để lựa chọn cấu hình tối ưu.
  4. Thiết kế mạch lực hệ truyền động: lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu, giải pháp đảo chiều, tính chọn các phần tử mạch lực (van bán dẫn Thyristor, máy biến áp động lực, cuộn kháng cân bằng, mạch dập bảo vệ R-C, thiết bị cấp nguồn kích từ, máy phát tốc).
  5. Nghiên cứu và lựa chọn nguyên lý xây dựng hệ thống phát xung điều khiển cho bộ biến đổi.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống truyền động điện chính cho bàn máy bào giường cỡ nặng, sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập cấp nguồn từ bộ biến đổi bán dẫn công suất.
  • Phạm vi không gian và thông số kỹ thuật: Nghiên cứu được thực hiện tại Khoa Điện, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh. Thông số ban đầu của đối tượng gia công gồm: chiều dài hành trình bàn máy $L_b = 15\text{ m}$; trọng lượng bàn máy $G_b = 200\text{ kN}$; trọng lượng chi tiết lớn nhất $G_{ct} = 150\text{ kN}$; lực cắt cực đại $F_{th} = 25\text{ kN}$; tốc độ cắt thuận tới hạn $V_{th} = 20\text{ m/ph}$; tốc độ vào dao $V_0 = 6\text{ m/ph}$; phạm vi điều chỉnh tốc độ yêu cầu $D = (12,5 - 30)/1$.
  • Phạm vi thời gian: Đồ án hoàn thành vào ngày 20 tháng 8 năm 2011.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết truyền động điện tự động và cơ sở trang bị điện máy cắt gọt kim loại:

  • Mô hình động học chu kỳ làm việc của bàn máy bào giường: Chu kỳ chuyển động kép được mô tả qua đồ thị tốc độ 14 giai đoạn đoạn ($t_1$ đến $t_{14}$), bao gồm: tăng tốc đến tốc độ vào dao $V_0$, cắt gọt ổn định ở tốc độ thấp khi vào dao, tăng tốc lên tốc độ cắt $V_{th}$, cắt gọt ổn định ở hành trình thuận, giảm tốc về $V_0$ trước khi ra dao, giảm tốc về 0 để đảo chiều; hành trình ngược tăng tốc đến tốc độ chạy không tải $V_{ng} = k \cdot V_{th}$ ($k = 2 - 3$), chạy ổn định không tải, giảm tốc và đảo chiều lặp lại chu kỳ.
  • Mô hình phụ tải và cân bằng lực kéo: Lực kéo tổng của truyền động chính được xác định theo biểu thức: $$F_k = F_Z + F_{ms}$$ Trong đó: $F_Z$ là lực cắt kim loại; $F_{ms}$ là lực ma sát tại các sống trượt của bàn máy ($F_{ms} = \mu [F_v + g(m_{ct} + m_b)]$, với $\mu = 0,05 - 0,08$ là hệ số ma sát gờ trượt, $F_v = 0,4 F_Z$ là lực cắt thành phần thẳng đứng).
  • Lý thuyết tối ưu hóa quá trình quá độ: Phương pháp xác định tỉ số truyền tối ưu $i_{tư}$ nhằm cực đại hóa gia tốc khởi động và giảm thời gian quá độ của hệ thống bàn máy có quán tính cơ học lớn: $$i_{tư} = \sqrt{\frac{J_m}{J_đ}}$$ (với $J_m, J_đ$ lần lượt là mômen quán tính của máy và động cơ).
  • Lý thuyết biến đổi điện tử công suất: Các phương trình tính toán thông số dòng điện, điện áp và hệ số công suất của các sơ đồ chỉnh lưu điều khiển ba pha (chỉnh lưu hình tia ba pha, chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tính toán - thiết kế kỹ thuật truyền động điện: Tính toán giải tích phụ tải, công suất tĩnh và công suất đẳng trị; lựa chọn thiết bị điện từ sổ tay tra cứu kỹ thuật tiêu chuẩn; kiểm nghiệm nhiệt theo phương pháp dòng điện đẳng trị ($I_{đt}$) và kiểm nghiệm quá tải mômen cực đại ($\lambda$).
  • Phương pháp phân tích - so sánh kỹ thuật: So sánh định tính và định lượng giữa các phương án truyền động (hệ máy phát - động cơ F-Đ so với hệ thyristor - động cơ T-Đ); so sánh giữa các sơ đồ chỉnh lưu một pha và ba pha; so sánh giải pháp đảo chiều bằng công tắc tơ mạch phần ứng với giải pháp dùng hai bộ biến đổi mắc song song ngược; đánh giá phương pháp điều khiển chung và điều khiển riêng.
  • Phương pháp tính toán thiết kế máy điện và khí cụ điện: Thiết kế mạch từ, tính toán kết cấu dây quấn sơ cấp/thứ cấp, xác định sụt áp điện trở, điện kháng và tổng trở ngắn mạch của máy biến áp chỉnh lưu; tính toán cuộn kháng san bằng dựa trên hệ số đập mạch $k_v, k_r$.

Nguồn dữ liệu

  • Các thông số công nghệ ban đầu của máy bào giường cỡ nặng do Bộ môn Trang bị điện giao.
  • Bảng tra cứu thông số kỹ thuật động cơ điện một chiều dòng Л (tiêu chuẩn Liên Xô).
  • Bảng thông số linh kiện bán dẫn công suất: Thyristor loại C431E1, Điốt tiếp mặt CR20-100, máy phát tốc một chiều loại T-4.
  • Các tiêu chuẩn thiết kế máy biến áp khô và vật liệu kỹ thuật điện (tôn cán lạnh mã hiệu 3405 của Nga, dây dẫn đồng tròn tráng men).

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Đặc điểm công nghệ lựa chọn công suất và chủng loại động cơ

Chương này tập trung làm rõ các yêu cầu công nghệ đặc thù của máy bào giường, phân loại quy mô máy cắt kim loại và tiến hành tính toán lựa chọn động cơ truyền động chính. Máy bào giường được phân làm 3 nhóm theo chiều dài bàn $L_b$ và lực kéo $F_k$: cỡ nhỏ ($L_b < 3\text{ m}, F_k = 30 - 50\text{ kN}$), cỡ trung ($L_b = 4 - 5\text{ m}, F_k = 50 - 70\text{ kN}$), và cỡ nặng ($L_b > 5\text{ m}, F_k > 70\text{ kN}$). Truyền động chính thực hiện chuyển động tịnh tiến của bàn máy với chu kỳ 14 pha tốc độ, yêu cầu phạm vi điều chỉnh $D = (12,5 - 30)/1$. Bàn dao thực hiện chuyển động ăn dao chu kỳ sau mỗi hành trình kép với tần số tác động có thể lên tới 1000 lần/giờ.

Dựa trên các thông số ban đầu ($F_{th} = 25\text{ kN}$, $V_{th} = 20\text{ m/ph}$, $V_0 = 6\text{ m/ph}$, $V_{ng} = 40\text{ m/ph}$, $G_b = 200\text{ kN}$, $G_{ct} = 150\text{ kN}$, $\mu = 0,06$, $\eta = 0,76$), tác giả xác định được lực kéo tổng ở chế độ cắt thuận là $F_{k2} = 46,6\text{ kN}$, công suất cắt thuận $P_{th2} = 20,44\text{ kW}$, và công suất tính toán yêu cầu là $P_{tt2} = 40,88\text{ kW}$.

CĐ cắt $V_{th}$ (m/ph) $V_{ng}$ (m/ph) $F_Z$ (kN) $G_b + G_{ct}$ (kN) $F_k$ (kN) $P_{th}$ (kW) $P_{tt}$ (kW)
1 20 40 25 350 46,6 20,44 40,88

Từ kết quả tính toán, tác giả lựa chọn động cơ điện một chiều kích từ độc lập kiểu Л102 có các thông số định mức: công suất $P_{đm} = 42\text{ kW}$, điện áp $U_{đm} = 220\text{ V}$, dòng điện $I_{đm} = 223\text{ A}$, tốc độ định mức $n_{đm} = 600\text{ v/ph}$, tốc độ cực đại $n_{max} = 1200\text{ v/ph}$, dòng kích từ $I_{kt} = 4,84\text{ A}$, điện trở mạch phần ứng $r_ư + r_p = 0,0225\ \Omega$, mômen quán tính roto $J = 12\text{ kg}\cdot\text{m}^2$, khối lượng $985\text{ kg}$.

Kết quả kiểm nghiệm điều kiện phát nóng trong toàn chu kỳ $T_{ck} = 71,436\text{ s}$ cho thấy dòng điện đẳng trị $I_{đt} = 215,89\text{ A} < I_{đm} = 223\text{ A}$. Kiểm nghiệm điều kiện quá tải cho thấy mômen làm việc cực đại $M_{lvmax} = 762,66\text{ Nm}$ thỏa mãn điều kiện với hệ số quá tải $\lambda = 2 - 4$. Động cơ đã chọn hoàn toàn đạt yêu cầu kỹ thuật.

Chương II: Lựa chọn phương án truyền động

Chương II phân tích và đánh giá hai hệ thống truyền động kinh điển cho máy bào giường:

  1. Hệ thống Máy phát - Động cơ (F - Đ): Phân tích sơ đồ F-Đ đơn giản và sơ đồ F-Đ có phản hồi âm tốc độ (dùng máy phát tốc FT) và phản hồi âm dòng có ngắt thông qua máy điện khuếch đại từ trường ngang (MKĐ). Hệ có ưu điểm là điều chỉnh trơn hai vùng tốc độ, dải điều chỉnh điền đầy 4 góc phần tư, khả năng quá tải cao và quá trình quá độ êm do không chứa phần tử phi tuyến. Tuy nhiên, nhược điểm lớn là sử dụng nhiều máy điện quay, gây ồn lớn, cồng kềnh, hiệu suất thấp và từ dư của máy phát gây khó khăn khi điều khiển ở vùng tốc độ rất thấp.
  2. Hệ thống Thyristor - Động cơ (T - Đ): Sử dụng bộ chỉnh lưu điều khiển Tiristor cấp điện trực tiếp cho phần ứng động cơ một chiều, kết hợp máy phát tốc FT phản hồi âm tốc độ. Ưu điểm nổi bật là độ tác động nhanh, dải điều chỉnh tốc độ rộng ($D = 100 - 1000$), hiệu suất cao, không gây ồn, kích thước nhỏ gọn và bảo dưỡng thuận tiện. Nhược điểm là hệ số công suất $\cos\varphi$ không cao ($0,6 - 0,65$), sinh sóng hài dòng điện vào lưới và mạch điều khiển đòi hỏi độ chính xác cao.

Tác giả quyết định lựa chọn hệ thống Thyristor - Động cơ (T - Đ) làm phương án truyền động chính cho bàn máy bào giường.

Chương III: Thiết kế mạch lực hệ truyền động

Chương này thực hiện thiết kế toàn diện mạch lực của hệ thống:

  • Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu: Qua so sánh giữa sơ đồ chỉnh lưu 1 pha, 3 pha hình tia và 3 pha hình cầu, tác giả lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng nhờ chất lượng điện áp ra tốt (số lần đập mạch $m = 6$), điện áp ngược phân bố đều và hiệu suất sử dụng máy biến áp cao ($S_{ba} = 1,05 P_d$).
  • Lựa chọn phương án đảo chiều: Tác giả phân tích hai giải pháp đảo chiều: đảo chiều dòng kích từ và đảo chiều dòng phần ứng. Do quán tính điện cảm cuộn kích từ lớn làm kéo dài thời gian quá độ, giải pháp đảo chiều dòng phần ứng được chọn. Trong các cấu hình đảo chiều phần ứng, tác giả loại bỏ phương án dùng tiếp điểm công tắc tơ (do phát sinh hồ quang lớn và tần số đóng cắt thấp), chọn phương án hai bộ chỉnh lưu cầu 3 pha mắc song song ngược (cầu kép) vận hành theo nguyên tắc điều khiển chung, sử dụng 4 cuộn kháng cân bằng (CB1 đến CB4) để triệt tiêu dòng cân bằng giữa hai bộ biến đổi.
  • Tính chọn thiết bị mạch lực chính:
    • Tiristor: Chọn 12 van loại C431E1 (Mỹ chế tạo) với các thông số: $U_{nvmax} = 500\text{ V}$, $I_{đmv} = 600\text{ A}$, $I_{pikmax} = 8000\text{ A}$, dòng điều khiển $I_{gmax} = 150\text{ mA}$, sụt áp thuận cực đại $\Delta U_{max} = 2,6\text{ V}$, tốc độ tăng áp $du/dt = 200\text{ V/}\mu\text{s}$, tốc độ tăng dòng $di/dt = 100\text{ A/}\mu\text{s}$, nhiệt độ làm việc cực đại $125^\circ\text{C}$.
    • Máy biến áp động lực: Kiểu máy biến áp khô 3 pha 3 trụ, làm mát tự nhiên, tổ đấu dây $\Delta/Y$, công suất $S_{ba} = 58,027\text{ kVA}$. Lõi từ dùng tôn cán lạnh 3405 của Nga dày $0,35\text{ mm}$ ($B_T = 1,3\text{ T}$). Dây quấn sơ cấp $W_1 = 112\text{ vòng}$ ($S_1 = 46,79\text{ mm}^2$); dây quấn thứ cấp $W_2 = 71\text{ vòng}$ ($S_2 = 74,58\text{ mm}^2$). Độ sụt áp máy biến áp $\Delta U_{ba}% = 5,2%$.
    • Cuộn kháng cân bằng/lọc: Tính toán với hệ số đập mạch đầu vào $k_v = 5,7%$, đầu ra $k_r = 2,5$, xác định hệ số cân bằng $k_{cb} = 2,28$.
    • Mạch kích từ và làm mát: Mạch kích từ dùng bộ chỉnh lưu cầu Điốt với 6 van loại CR20-100 ($I_{max} = 20\text{ A}$, $U_{ngmax} = 1000\text{ V}$). Cánh tản nhiệt cho mỗi Tiristor gồm 12 cánh kích thước $8 \times 8\text{ cm}$, tổng diện tích tỏa nhiệt $1,178\text{ m}^2$. Khâu phản hồi tốc độ dùng máy phát tốc T-4 ($70\text{ W}$, $1000\text{ v/ph}$, $15\text{ V}$, $5\text{ A}$, hệ số phản hồi $\gamma = 0,0682$).

Chương IV: Thiết kế hệ thống điều khiển

Nội dung chương trình bày nhiệm vụ và các nguyên tắc phát xung mở Tiristor:

  • Yêu cầu kỹ thuật của xung điều khiển: biên độ và công suất đủ lớn, độ rộng xung đạt từ $200\ \mu\text{s}$ đến $600\ \mu\text{s}$, đảm bảo tính đối xứng pha và khả năng dịch chuyển góc mở $\alpha$ linh hoạt.
  • Phân tích ba phương pháp điều khiển đồng bộ:
    1. Phát xung theo nguyên tắc khống chế pha đứng (so sánh điện áp răng cưa đồng bộ với điện áp điều khiển một chiều).
    2. Phát xung theo nguyên tắc khống chế pha ngang.
    3. Phát xung dùng linh kiện Điốt hai cực gốc (UJT).
  • Kết luận lựa chọn: Phương pháp khống chế pha đứng được chọn nhờ các ưu điểm vượt trội: dải điều chỉnh góc mở rộng, độ dốc sườn trước xung lớn, độ nhạy cao, dễ phối hợp và tổng hợp nhiều tín hiệu điều khiển, ít phụ thuộc vào dao động điện áp lưới.

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc hệ thống truyền động chính

Hệ thống truyền động chính bàn máy bào giường được cấu tạo từ các khối thiết bị liên kết chặt chẽ:

  1. Nguồn cấp và biến đổi sơ cấp: Nguồn điện xoay chiều 3 pha $380\text{ V}, 50\text{ Hz}$ qua áptômát tổng ATM, công tắc tơ K và biến dòng BI cấp vào sơ cấp máy biến áp khô 3 pha đấu tam giác ($\Delta$). Thứ cấp máy biến áp đấu hình sao có trung tính ($Y$), cung cấp điện áp pha $U_{2f} = 238,4\text{ V}$.
  2. Bộ biến đổi van mạch lực (cầu kép song song ngược): Gồm 2 bộ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng mắc song song ngược (BBĐ1 gồm $T_1 - T_6$ cấp dòng hành trình thuận; BBĐ2 gồm $T_7 - T_{12}$ cấp dòng hành trình ngược). Giữa hai bộ biến đổi bố trí 4 cuộn kháng cân bằng (CB1, CB2, CB3, CB4) nhằm hạn chế dòng điện cân bằng chạy quẩn khi áp dụng nguyên tắc điều khiển chung.
  3. Mạch bảo vệ van: Mỗi van Thyristor được mắc song song với một mạch $R-C$ chuyên dụng nhằm triệt tiêu quá điện áp chuyển mạch ($du/dt$) và rẽ nhánh dòng điện ngược. Quá gia tốc dòng điện ($di/dt$) được hạn chế nhờ điện kháng tản của máy biến áp và điện cảm của các cuộn kháng.
  4. Hệ thống kích từ và phản hồi: Cuộn kích từ của động cơ điện một chiều được cấp nguồn độc lập từ cầu chỉnh lưu Điốt CR20-100. Máy phát tốc một chiều T-4 được gắn đồng trục với động cơ truyền động Đ, phát tín hiệu điện áp tỷ lệ với tốc độ quay đưa về mạch điều khiển để thực hiện khâu phản hồi âm tốc độ kín.
Hạng mục thiết bị Ký hiệu / Mã hiệu Quy cách và thông số kỹ thuật chính Số lượng
Động cơ điện một chiều Л102 $P = 42\text{ kW}$, $U = 220\text{ V}$, $I = 223\text{ A}$, $n = 600/1200\text{ v/ph}$ 01
Van chỉnh lưu mạch lực Tiristor C431E1 $U_{nvmax} = 500\text{ V}$, $I_{đmv} = 600\text{ A}$, $\Delta U_{max} = 2,6\text{ V}$ 12
Máy biến áp chỉnh lưu MBA khô $\Delta/Y$ $S = 58,027\text{ kVA}$, $U_1 = 380\text{ V}$, $U_2 = 238,4\text{ V}$, lõi tôn 3405 01
Van chỉnh lưu kích từ Điốt CR20-100 $I_{max} = 20\text{ A}$, $U_{ngmax} = 1000\text{ V}$, $\Delta U = 1,1\text{ V}$ 06
Máy phát tốc T-4 $P = 70\text{ W}$, $n = 1000\text{ v/ph}$, $U = 15\text{ V}$, $I = 5\text{ A}$, $\gamma = 0,0682$ 01
Cánh tản nhiệt Tiristor Nhôm định hình 12 cánh tản nhiệt ($8 \times 8\text{ cm}$), $S_{TN} = 1,178\text{ m}^2$ 12
Cuộn kháng cân bằng CB1 - CB4 Hệ số cân bằng $k_{cb} = 2,28$, mắc tại đầu ra hai cầu van 04

Kiểm nghiệm kỹ thuật hệ thống

  1. Kiểm nghiệm phát nóng động cơ: Động cơ được kiểm tra theo phương pháp dòng điện đẳng trị: $$I_{đt} = \sqrt{\frac{\sum I_i^2 t_i}{\sum t_i}} = 215,89\text{ A}$$ Giá trị này thấp hơn dòng điện định mức $I_{đm} = 223\text{ A}$, đảm bảo động cơ không bị quá nhiệt trong chu kỳ làm việc liên tục.
  2. Kiểm nghiệm khả năng quá tải về mômen: Mômen làm việc lớn nhất trong giai đoạn gia tốc đạt $M_{lvmax} = 762,66\text{ Nm}$. Với hệ số quá tải cho phép của động cơ $\lambda = 2 - 4$, mômen định mức $M_{đm} = 762,66\text{ Nm}$ hoàn toàn đáp ứng khả năng chịu tải đột biến khi đảo chiều.
  3. Kiểm nghiệm tốc độ biến thiên dòng chuyển mạch của MBA: Biến áp thiết kế có điện trở $R_{BA} = 0,04\ \Omega$, điện cảm $L_{BA} = 0,105\text{ mH}$, tổng trở ngắn mạch quy đổi thứ cấp $Z_{nmBA} = 0,052\ \Omega$. Giá trị điện kháng của biến áp đủ lớn để giữ cho tốc độ tăng dòng chuyển mạch $di/dt$ nằm trong giới hạn cho phép của van C431E1 ($100\text{ A/}\mu\text{s}$).

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán thiết kế chính

Đồ án đã hoàn thành toàn bộ khối lượng tính toán và thiết kế hệ thống trang bị điện cho bàn máy bào giường cỡ nặng, đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật:

  • Tính toán chính xác phụ tải cơ cấu chuyển động chính với lực kéo tổng $F_k = 46,6\text{ kN}$, xác định thời gian chu kỳ làm việc toàn phần $T_{ck} = 71,436\text{ s}$ gồm 14 giai đoạn vận hành.
  • Lựa chọn thành công động cơ điện một chiều kiểu Л102 ($42\text{ kW}$) đáp ứng tối ưu cả về điều kiện phát nóng ($I_{đt} = 215,89\text{ A} < 223\text{ A}$) lẫn khả năng chịu mômen quá tải lúc khởi động và đảo chiều.
  • Xây dựng hoàn chỉnh sơ đồ mạch lực chỉnh lưu cầu kép 3 pha sử dụng 12 van Thyristor C431E1 ($600\text{ A}, 500\text{ V}$) kết hợp hệ thống 4 cuộn kháng cân bằng CB1 - CB4 và mạch dập R-C bảo vệ van.
  • Thiết kế chi tiết kết cấu máy biến áp khô 3 pha $58,027\text{ kVA}$, xác định cụ thể thông số mạch từ (trụ đường kính $13\text{ cm}$, tôn cán lạnh 3405 dày $0,35\text{ mm}$), số vòng dây và tiết diện dây sơ cấp ($W_1 = 112\text{ vòng}, 46,79\text{ mm}^2$), thứ cấp ($W_2 = 71\text{ vòng}, 74,58\text{ mm}^2$).
  • Thiết kế hệ thống kích từ độc lập dùng cầu điốt CR20-100 và bộ tản nhiệt tự nhiên cho van bán dẫn với diện tích bề mặt $1,178\text{ m}^2$.

Giải pháp kỹ thuật đề xuất

  • Đề xuất thay thế hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ) truyền thống cồng kềnh bằng hệ Thyristor - Động cơ (T-Đ) gọn nhẹ, giảm tiêu hao năng lượng riêng và loại bỏ tiếng ồn cơ khí trong phân xưởng gia công.
  • Ứng dụng cấu hình cầu kép 3 pha mắc song song ngược điều khiển chung, kết hợp cuộn kháng cân bằng, cho phép hệ thống đảo chiều dòng phần ứng nhanh chóng, chuyển trạng thái làm việc giữa cắt gọt và hãm tái sinh êm thuận mà không phụ thuộc vào các tiếp điểm cơ khí có quán tính lớn.
  • Sử dụng máy phát tốc T-4 thiết lập khâu phản hồi âm tốc độ, duy trì độ cứng đặc tính cơ và độ ổn định tốc độ cắt gọt khi lực cản gia công biến thiên.

Đóng góp về mặt kỹ thuật

Bản đồ án cung cấp một tài liệu thiết kế hoàn chỉnh, có tính hệ thống cao từ khâu phân tích công nghệ cắt gọt, thành lập đồ thị phụ tải, lựa chọn công suất động cơ đến thiết kế chi tiết từng phần tử mạch lực và nguyên lý điều khiển. Các công thức và quy trình tính toán máy biến áp khô chuyên dụng cho chỉnh lưu công suất lớn được trình bày rõ ràng, có độ tin cậy thực nghiệm, đóng vai trò là tài liệu tham khảo kỹ thuật trong thiết kế trang bị điện máy công cụ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  1. Hệ số công suất của bộ biến đổi: Hệ truyền động Thyristor - Động cơ có hệ số công suất tương đối thấp ($\cos\varphi = 0,6 - 0,65$), tiêu thụ nhiều công suất phản kháng từ lưới điện khi làm việc ở góc mở $\alpha$ lớn (vùng tốc độ thấp).
  2. Ảnh hưởng sóng hài dòng điện: Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha tạo ra các sóng hài bậc cao tác động ngược trở lại lưới điện công nghiệp và làm tăng tổn hao phụ dưới dạng nhiệt trong động cơ điện một chiều.
  3. Dòng điện cân bằng: Việc áp dụng phương pháp điều khiển chung cho hai bộ biến đổi song song ngược làm xuất hiện dòng điện cân bằng thường trực chạy quẩn giữa hai cầu van, đòi hỏi phải bố trí 4 cuộn kháng cân bằng làm tăng kích thước và khối lượng của tủ điện động lực.
  4. Giới hạn nội dung mạch điều khiển: Đồ án trong phần văn bản hiện tại mới dừng lại ở bước phân tích, so sánh và lựa chọn nguyên tắc điều khiển pha đứng, chưa đi sâu vào tính toán thông số chi tiết của từng tầng linh kiện cụ thể trong mạch tạo xung (khâu đồng pha, khâu tích phân tạo răng cưa, khâu so sánh và tầng khuếch đại xung ra biến áp xung).

Hướng phát triển và mở rộng

  • Nghiên cứu tích hợp các bộ lọc tích cực hoặc tụ bù công suất phản kháng để cải thiện hệ số $\cos\varphi$ của hệ thống lên trên $0,85$ và triệt tiêu sóng hài bậc cao.
  • Nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển riêng có khóa liên động logic không trễ, nhằm loại bỏ hoàn toàn dòng cân bằng và loại bỏ các cuộn kháng cân bằng CB1 - CB4.
  • Ứng dụng công nghệ điều khiển số bằng vi điều khiển hoặc DSP/PLC để lập trình phát xung điều khiển chính xác, tích hợp các thuật toán điều khiển hiện đại (như điều khiển thích nghi, điều khiển mờ) nhằm nâng cao chất lượng quá trình quá độ khi đảo chiều bàn máy.

Giá trị tham khảo

Bản đồ án là tài liệu tham khảo phục vụ các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Tự động hóa và Cơ điện tử: Cung cấp phương pháp luận và trình tự tính toán thiết kế đồ án môn học Trang bị điện, Đồ án Điện tử công suất và Đồ án tốt nghiệp hệ kỹ sư.
  • Kỹ sư vận hành và bảo trì thiết bị tại các nhà máy cơ khí: Cung cấp thông số vận hành, sơ đồ cấu trúc mạch lực cầu kép ba pha, dữ liệu linh kiện van bán dẫn C431E1 và nguyên lý hoạt động của máy bào giường phục vụ công tác chẩn đoán sự cố, sửa chữa và nâng cấp tủ điện điều khiển máy cắt gọt kim loại cỡ lớn.
  • Phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất:
    • Quy trình phân tích 14 giai đoạn động học của chu kỳ chuyển động bàn máy bào giường và phương pháp tính toán kiểm nghiệm phát nóng động cơ qua dòng điện đẳng trị ($I_{đt}$).
    • Phương pháp thiết kế kết cấu chi tiết máy biến áp khô ba pha 3 trụ hạ áp chuyên dụng cho chỉnh lưu công suất lớn (Chương III).
    • Phương pháp tính chọn cánh tản nhiệt nhôm định hình bảo vệ quá nhiệt cho Tiristor công suất cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lại chọn động cơ điện một chiều thay vì động cơ không đồng bộ xoay chiều cho truyền động chính máy bào giường?
Do đặc thù công nghệ của máy bào giường cỡ nặng đòi hỏi dải điều chỉnh tốc độ rộng ($D = 12,5 - 30/1$), khả năng quá tải lớn và đặc biệt là tần số đảo chiều rất cao với mômen khởi động lớn. Tại thời điểm thiết kế (năm 2011), động cơ điện một chiều kích từ độc lập kết hợp với bộ biến đổi Tiristor là giải pháp kỹ thuật tối ưu nhất về độ trơn điều chỉnh, tính ổn định và khả năng đảo chiều linh hoạt so với các hệ thống động cơ xoay chiều.

2. Vì sao phương án đảo chiều dòng phần ứng bằng hai bộ chỉnh lưu cầu mắc song song ngược được lựa chọn thay cho đảo chiều dòng kích từ?
Đảo chiều dòng kích từ bị hạn chế nghiêm trọng do cuộn dây kích từ của động cơ công suất lớn ($42\text{ kW}$) có hệ số tự cảm rất cao (quán tính điện từ lớn), khiến thời gian đảo chiều dòng điện kéo dài, làm giảm đáng kể năng suất máy bào giường. Ngược lại, phương pháp đảo chiều dòng phần ứng bằng hai bộ chỉnh lưu Thyristor mắc song song ngược sử dụng hoàn toàn các van bán dẫn không tiếp điểm, cho phép quá trình đảo chiều diễn ra gần như tức thời, êm thuận và đáp ứng tần số làm việc cao.

3. Kết quả kiểm nghiệm động cơ Л102 theo điều kiện phát nóng và quá tải về mômen đạt giá trị cụ thể như thế nào?

  • Về phát nóng: Dòng điện đẳng trị tính toán qua 14 giai đoạn làm việc trong chu kỳ $71,436\text{ s}$ đạt $I_{đt} = 215,89\text{ A}$, nhỏ hơn dòng định mức của động cơ ($I_{đm} = 223\text{ A}$), do đó động cơ không bị quá nhiệt.
  • Về mômen quá tải: Mômen làm việc lớn nhất $M_{lvmax} = 762,66\text{ Nm}$ hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép với hệ số quá tải $\lambda = 2 - 4$ ($\lambda M_{đm} = 1525,32 - 3050,64\text{ Nm}$), chứng minh động cơ hoàn toàn đáp ứng khả năng chịu tải.

4. Máy biến áp động lực ba pha trong đồ án được thiết kế với các thông số kết cấu dây quấn và mạch từ ra sao?
Máy biến áp là loại MBA khô 3 pha 3 trụ đấu $\Delta/Y$, công suất $58,027\text{ kVA}$. Mạch từ dùng tôn cán lạnh 3405 của Nga dày $0,35\text{ mm}$, đường kính trụ $d = 13\text{ cm}$, mật độ từ cảm $B_T = 1,3\text{ T}$, chiều cao cửa sổ mạch từ $h = 39\text{ cm}$. Dây quấn sơ cấp gồm 112 vòng (tiết diện $46,79\text{ mm}^2$), dây quấn thứ cấp gồm 71 vòng (tiết diện $74,58\text{ mm}^2$), có tổng sụt áp là $\Delta U_{ba}% = 5,2%$.

5. Các cuộn kháng cân bằng (CB1 đến CB4) và mạch R-C trong sơ đồ mạch lực giữ vai trò gì?

  • Bốn cuộn kháng cân bằng (CB1 - CB4) có nhiệm vụ hạn chế dòng điện cân bằng chạy quẩn giữa hai bộ biến đổi BBĐ1 và BBĐ2 khi hệ thống vận hành theo phương pháp điều khiển chung.
  • Các nhánh tụ điện - điện trở (R-C) mắc song song với từng van Thyristor có nhiệm vụ bảo vệ van bán dẫn không bị đánh thủng do quá gia tốc điện áp ($du/dt$) phát sinh trong quá trình chuyển mạch hoặc khi đóng cắt không tải máy biến áp, đồng thời tạo đường rẽ mạch cho dòng điện ngược của van.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Văn Ngọc đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế hệ thống trang bị điện cho chuyển động chính máy bào giường cỡ nặng hành trình 15 m. Bằng việc lựa chọn cấu hình Thyristor - Động cơ (T-Đ) sử dụng hai cầu chỉnh lưu 3 pha đối xứng mắc song song ngược điều khiển chung, tác giả đã đưa ra một giải pháp công nghệ hợp lý, đảm bảo khả năng đảo chiều nhanh và vận hành ổn định. Các kết quả tính chọn động cơ một chiều Л102 ($42\text{ kW}$), 12 van Thyristor C431E1 cùng thiết kế chi tiết máy biến áp khô 3 pha $58\text{ kVA}$ đều được kiểm nghiệm chính xác theo các tiêu chuẩn kỹ thuật điện công nghiệp. Đồ án là một công trình thiết kế kỹ thuật nghiêm túc, có giá trị học thuật và thực tiễn cao đối với lĩnh vực tự động hóa máy công cụ cắt gọt kim loại.