Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình phát triển của sản xuất công nghiệp, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật nói chung và kỹ thuật điện tử, vi điện tử nói riêng giữ vai trò then chốt nhằm nâng cao năng suất, chất lượng gia công và rút ngắn chu kỳ sản xuất. Đối với ngành chế tạo máy và gia công cơ khí, máy tiện là một trong những loại máy công cụ cơ bản và phổ biến nhất, thực hiện các thao tác định hình chi tiết quay như cắt, khoan, doa, tiện ren, chà nhám. Nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ gia công kim loại với dải điều chỉnh tốc độ rộng, độ cứng đặc tính cơ cao và khả năng vận hành linh hoạt, hệ thống truyền động chính của máy tiện đòi hỏi phải được thiết kế đồng bộ, có khả năng điều khiển vô cấp và ổn định tốc độ. Đồ án "Thiết kế hệ thống truyền động chính cho máy tiện với công suất 35KW" được tác giả thực hiện trong khuôn khổ môn học Đồ án truyền động điện nhằm giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế kỹ thuật từ yêu cầu công nghệ đến việc tính toán, xây dựng phần cứng mạch lực và mạch điều khiển.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu, thiết kế cụ thể trong đồ án được xác định gồm:

  1. Khảo sát tổng quan về máy tiện, phân tích đặc điểm công nghệ cắt gọt và các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống truyền động chính, truyền động ăn dao và truyền động phụ.
  2. Phân tích, so sánh các phương án truyền động điện một chiều điển hình (hệ máy phát - động cơ F-Đ và hệ thyristor - động cơ T-Đ) để lựa chọn cấu hình mạch lực tối ưu cho hệ thống truyền động chính.
  3. Thiết kế, tính toán chi tiết mạch động lực cho động cơ điện một chiều công suất 35 kW: tính chọn van bán dẫn công suất (thyristor), thiết kế kết cấu lõi thép và dây quấn máy biến áp lực, tính toán cuộn kháng lọc hạn chế dòng sóng hài.
  4. Xây dựng sơ đồ nguyên lý và tính chọn thông số linh kiện cho hệ thống mạch điều khiển phát xung tương tự: khâu đồng pha, khâu so sánh, khâu tạo xung chùm, mạch logic AND, tầng khuếch đại công suất và biến áp xung.
  5. Thiết kế nguồn nuôi đối xứng $\pm 12\text{V}$ và tính toán các thiết bị bảo vệ hệ thống: bảo vệ quá nhiệt (cánh tản nhiệt), bảo vệ quá dòng (aptomat, cầu chì tác động nhanh) và bảo vệ quá điện áp (mạch R-C).

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống truyền động chính điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập công suất 35 kW dùng cho máy tiện. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tính toán thiết kế kỹ thuật giải tích theo các tiêu chuẩn kỹ thuật điện và điện tử công suất, hoàn thành tại Thái Nguyên vào năm 2022 dưới sự hướng dẫn của ThS. Hoàng Thị Thương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Hệ thống truyền động trong đồ án được xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết và công cụ tính toán kỹ thuật sau:

  • Lý thuyết máy điện một chiều: Sử dụng mô hình động cơ điện một chiều kích từ độc lập với phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng $U_ư = E_ư + (R_ư + R_f)I_ư$, trong đó sức điện động phần ứng được xác định theo $E_ư = \frac{p \cdot N}{2\pi a}\Phi \omega = K\Phi \omega$. Mômen điện từ của động cơ tuân theo quan hệ $M = K\Phi I_ư$. Phương trình đặc tính cơ được thiết lập dưới dạng: $$\omega = \frac{U_ư}{K\Phi} - \frac{R_ư + R_f}{(K\Phi)^2}M = \omega_0 - \Delta\omega$$
  • Lý thuyết điện tử công suất và chỉnh lưu có điều khiển: Dựa trên nguyên lý biến đổi điện năng xoay chiều ba pha thành một chiều có điều khiển qua bộ biến đổi thyristor. Đồ án áp dụng nguyên tắc điều khiển xung "thẳng đứng tuyến tính" để so sánh điện áp tựa răng cưa $U_{rc}$ với điện áp điều khiển $U_{đk}$, xác định góc mở $\alpha$. Phân tích chuỗi Fourier điện áp chỉnh lưu được sử dụng để xác định biên độ thành phần sóng hài bậc một của điện áp ra tải.
  • Công thức tính toán kinh nghiệm và tiêu chuẩn ngành: Áp dụng công thức Umanxki – Lindvil ($L_ư = \gamma \frac{U_{đm}}{p \cdot \omega_{đm} \cdot I_{đm}}$ với $\gamma = 0,25$) để tính điện cảm nội tại của mạch phần ứng động cơ có cuộn bù; phương pháp thiết kế máy biến áp ba pha khô làm mát tự nhiên theo tiêu chuẩn vật liệu dẫn điện cấp cách điện B và thép kỹ thuật điện cán lạnh 0,5 mm.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được thực hiện qua các bước:

  • Phương pháp phân tích - so sánh kỹ thuật: Đánh giá định tính và định lượng giữa sơ đồ F-Đ và sơ đồ T-Đ; so sánh sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha và sơ đồ cầu ba pha về chất lượng điện áp, số lần đập mạch và hiệu suất sử dụng máy biến áp.
  • Phương pháp tính toán thiết kế giải tích: Tính toán tải, dòng điện và điện áp làm việc có xét hệ số dự trữ kỹ thuật ($K_{dtu} = 1,8$ cho điện áp và $k_i = 3,2$ cho dòng điện); xác định kích thước hình học lõi từ và tiết diện dây quấn máy biến áp; tính toán giải tích cuộn kháng lọc nhằm khống chế dòng đập mạch xoay chiều không vượt quá $10% I_{đm}$.
  • Phương pháp thiết kế mạch điện tử mô-đun hóa: Tách biệt hệ thống điều khiển thành các khối chức năng độc lập (đồng pha, tạo sóng răng cưa, so sánh mức, tạo dao động xung chùm, khuếch đại xung công suất) sử dụng linh kiện bán dẫn rời và vi mạch tương tự chuyên dụng.

Nguồn dữ liệu của đồ án bao gồm: thông số kỹ thuật định mức của động cơ một chiều 35 kW; số liệu tra cứu catalog linh kiện bán dẫn (thyristor TF440-06X, điốt KIT 208A, 1N4009); catalog vi mạch (IC khuếch đại thuật toán TL084, vi mạch logic họ CMOS 4081, vi mạch ổn áp 7812 và 7912); sổ tay thiết kế thiết bị điện và máy biến áp công nghiệp.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Đồ án là công trình thiết kế hệ thống kỹ thuật điện lực và điều khiển công nghiệp hoàn chỉnh, bao gồm cấu trúc mạch lực, khối mạch điều khiển phát xung và hệ thống mạch bảo vệ chuyên dụng.

Kiến trúc tổng thể hệ thống truyền động

Hệ thống truyền động chính được thiết kế theo cấu hình bộ biến đổi Thyristor - Động cơ (T-Đ). Cấu trúc toàn hệ thống bao gồm:

  • Phía cấp nguồn xoay chiều: Lưới điện ba pha $380\text{V} - 50\text{Hz}$ cấp qua Aptomat tổng (ATM), tiếp điểm công tắc tơ (K) và bộ biến dòng (BI) làm nhiệm vụ đo lường phản hồi dòng điện.
  • Biến đổi điện áp: Máy biến áp ba pha ba trụ tổ đấu dây $\Delta/Y$ làm mát tự nhiên hạ áp từ $380\text{V}$ xuống $108\text{V}$.
  • Mạch chỉnh lưu lực: Hai bộ biến đổi thyristor cầu ba pha (BBĐ1 và BBĐ2) đấu song song ngược (cầu kép) cấp nguồn cho phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập. Mạch có bố trí 4 cuộn kháng cân bằng (CB1 đến CB4) để triệt tiêu dòng điện cân bằng giữa hai bộ van khi vận hành đồng thời.
  • Mạch lọc và tải: Cuộn kháng lọc ($L_k$) mắc nối tiếp với mạch phần ứng động cơ DC 35 kW nhằm làm phẳng dòng điện tải; máy phát tốc (FT) gắn đồng trục với động cơ cung cấp tín hiệu phản hồi âm tốc độ về mạch điều khiển.
  • Hệ thống điều khiển: Mạch điều khiển tương tự đa kênh gồm máy biến áp đồng pha, khâu tạo điện áp tựa răng cưa, khâu so sánh ngưỡng, bộ phát xung chùm tần số $3\text{ kHz}$, cổng logic AND phối hợp tín hiệu, tầng khuếch đại công suất và biến áp xung cách ly gửi xung mở đến các cực điều khiển của thyristor.
  • Khối nguồn nuôi và bảo vệ: Khối tạo nguồn ổn áp $\pm 12\text{V}$, khối cánh tản nhiệt nhôm, hệ thống aptomat - cầu dao - cầu chì tác động nhanh và các mạch triệt xung quá điện áp R-C.

Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật các thành phần chính

Phân hệ / Thiết bị Đại lượng kỹ thuật Giá trị tính toán / Tiêu chuẩn lựa chọn Ghi chú kỹ thuật
Động cơ điện một chiều Công suất định mức ($P$) $35\text{ kW}$ Động cơ kích từ độc lập
Điện áp định mức ($U_{đm}$)
Dòng điện định mức ($I_{đm}$)		 $220\text{ V}$
$160\text{ A}$		 Dòng phần ứng
Tốc độ định mức ($n_{đm}$)
Tốc độ lớn nhất ($n_{\max}$)		 $1500\text{ vòng/phút}$
$2200\text{ vòng/phút}$		 Điều chỉnh 2 vùng tốc độ
Điện trở phần ứng ($R_ư$)
Mômen quán tính rôto ($J_đ$)		 $0,075,\Omega$
$2,7\text{ kg}\cdot\text{m}^2$		 Số đôi cực $p = 2$
Thông số mạch kích từ $R_{kt} = 95,5,\Omega$; $W_{kt} = 1600\text{ vòng}$; $I_{ktđm} = 1,64\text{ A}$ Cung cấp từ nguồn kích từ riêng
Van Thyristor lực Mã hiệu linh kiện TF440-06X Cấu hình cầu kép (12 van)
Dòng định mức ($I_{đm_van}$)
Điện áp ngược cực đại ($U_{nT}$)		 $400\text{ A}$
$600\text{ V}$		 Hệ số tính toán: $I_{đm} \ge 295,6\text{ A}$; $U_{nv} \ge 414,5\text{ V}$
Dòng điện xung đỉnh ($I_{pk}$)
Sụt áp thuận trên van ($\Delta U_T$)		 $4000\text{ A}$
$2,0\text{ V}$		 Dòng rò $I_r = 25\text{ mA}$; $T_{\max} = 125^\circ\text{C}$
Thông số xung điều khiển cực cổng $U_g = 3,0\text{ V}$; $I_g = 200\text{ mA}$ Thời gian chuyển mạch $t_{cm} = 15,\mu\text{s}$
Máy biến áp động lực Công suất biểu kiến ($S_{BA}$) $36,75\text{ kVA}$ Máy biến áp ba pha ba trụ
Điện áp sơ cấp / thứ cấp ($U_1 / U_2$) $380\text{ V} / 108\text{ V}$ Tổ đấu dây $\Delta / Y$
Dòng sơ cấp / thứ cấp ($I_1 / I_2$) $34,1\text{ A} / 130,639\text{ A}$ Dòng điện hiệu dụng
Số vòng dây sơ cấp / thứ cấp ($W_1 / W_2$) $182\text{ vòng} / 52\text{ vòng}$ Dây đồng hình chữ nhật cấp B
Tiết diện dây sơ cấp / thứ cấp $14,2\text{ mm}^2 / 50,1\text{ mm}^2$ $J_1 = 2,4\text{ A/mm}^2; J_2 = 2,61\text{ A/mm}^2$
Kích thước trụ thép ($d \times h$) $11\text{ cm} \times 25\text{ cm}$ Thép silic 0,5 mm; $B_T = 1\text{ T}$
Tham số ngắn mạch quy đổi thứ cấp $R_{BA} = 0,025,\Omega; X_{BA} = 0,09,\Omega; L_{BA} = 0,286\text{ mH}$ Điện áp ngắn mạch $U_n = 11,3%$
Khâu lọc và bảo vệ Điện cảm cuộn kháng lọc ($L_k$) $1,194\text{ mH}$ Dòng định mức $160\text{ A}$; đập mạch $\le 10%$
Cánh tản nhiệt thyristor Diện tích $S_m = 0,577\text{ m}^2$ Nhôm tản nhiệt 12 cánh ($16 \times 16\text{ cm}$)
Aptomat đóng cắt bảo vệ $I_{đm} = 64,969\text{ A}$; $U_{đm} = 220\text{ V}$ Cắt ngắn mạch $147,6\text{ A}$; quá tải $88,56\text{ A}$
Cầu chì bảo vệ tác động nhanh Nhóm 1CC: $150\text{ A}$; Nhóm 2CC: $120\text{ A}$; Nhóm 3CC: $200\text{ A}$ Dây chảy tác động nhanh
Mạch bảo vệ quá điện áp R-C Song song thyristor: $R_1 = 5,1,\Omega; C_1 = 0,25,\mu\text{F}$
Đầu vào đường dây: $R_2 = 12,5,\Omega; C_2 = 4,\mu\text{F}$		 Triệt xung quá áp chuyển mạch và lưới
Mạch điều khiển & Nguồn Vi mạch khuếch đại thuật toán TL084 (Texas Instruments) Nguồn nuôi $\pm 12\text{ V}$; 4 bộ OA/IC
Vi mạch logic phối hợp xung 4081 (Họ CMOS) 2 IC (chứa tổng cộng 8 cổng AND)
Transistor đồng pha / khuếch đại Tr1: A564 (PNP); Tr3: 2SC9111 (NPN) Tr3 chịu $I_{C\max} = 500\text{ mA}, P_C = 1,7\text{ W}$
Biến áp xung (BAX) Lõi ferit hình xuyến HM; tỷ số $m = 3$ $U_1 = 9\text{ V}, I_1 = 66,6\text{ mA}; U_2 = 3\text{ V}, I_2 = 200\text{ mA}$
Vi mạch ổn áp nguồn nuôi 7812 ($+12\text{V}$) và 7912 ($-12\text{V}$) Điốt chỉnh lưu cầu nguồn: KIT 208A

Nguyên lý vận hành và điều khiển đảo chiều

Hệ thống hoạt động dựa trên phương pháp điều khiển chung hai bộ chỉnh lưu cầu ba pha mắc song song ngược. Hai bộ biến đổi luôn nhận xung điều khiển đồng thời với quy luật góc mở ràng buộc: $\alpha_1 + \alpha_2 = 180^\circ$ (trong đó $\alpha_1$ là góc mở của BBĐ1 gồm các van T1-T6, $\alpha_2$ là góc mở của BBĐ2 gồm các van T7-T12).

Khi hệ thống vận hành bình thường ở chiều thuận, BBĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu ($\alpha_1 < 90^\circ$), điện áp đặt lên phần ứng là $U_{d1}$, dòng điện chạy qua tải là $I_d = I_{d1}$. Lúc này, BBĐ2 có góc điều khiển $\alpha_2 > 90^\circ$ ở trạng thái chờ nghịch lưu nhưng không có dòng điện chạy qua ($I_{d2} = 0$) do chiều van ngược với điện áp tải.

Khi có tín hiệu điều khiển đảo chiều quay từ công tắc hành trình hoặc người vận hành:

  • Mạch điều khiển tăng dần góc mở $\alpha_1$ đồng thời giảm dần góc mở $\alpha_2$ nhằm duy trì tổng $\alpha_1 + \alpha_2 = 180^\circ$.
  • Góc $\alpha_1$ tăng làm điện áp chỉnh lưu $U_{d1}$ suy giảm nhanh. Tuy nhiên, do quán tính cơ học của hệ thống truyền động và rôto động cơ lớn, sức điện động phần ứng $E_d$ không thể suy giảm tức thời, dẫn đến điều kiện $E_d > U_{d1}$.
  • Lúc này, hiệu điện thế đảo chiều khiến bộ BBĐ1 bị khóa tự nhiên do không dẫn dòng ngược. Dòng tải chuyển hướng chảy qua bộ BBĐ2. Do BBĐ2 đang có góc mở $\alpha_2 > 90^\circ$, mạch vòng giữa BBĐ2 và sức điện động $E_d$ thỏa mãn điều kiện nghịch lưu phụ thuộc, thực hiện quá trình hãm tái sinh: biến đổi cơ năng của động cơ thành điện năng trả về lưới điện xoay chiều, giúp động cơ giảm tốc nhanh chóng và êm thuận.
  • Khi góc mở $\alpha_1$ tăng đến $90^\circ$ và $\alpha_2$ giảm về $90^\circ$, điện áp trên cả hai bộ biến đổi bằng không ($U_{d1} = U_{d2} = 0$), quá trình hãm tái sinh kết thúc.
  • Tiếp tục giảm $\alpha_2 < 90^\circ$ và tăng $\alpha_1 > 90^\circ$, BBĐ2 chuyển sang chế độ chỉnh lưu với cực tính điện áp đảo ngược, cung cấp dòng điện khởi động động cơ tăng tốc theo chiều ngược lại. Toàn bộ quá trình đảo chiều diễn ra hoàn toàn bằng phương pháp điều khiển điện tử không tiếp điểm, triệt tiêu tia lửa điện và va đập cơ khí.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY TIỆN

Chương 1 thiết lập cơ sở công nghệ thông qua việc định nghĩa máy tiện là máy công cụ tạo hình chi tiết quay xung quanh trục thông qua các chuyển động cắt gọt, chà nhám, khoan, doa, tiện ren với dao cắt chuyên dụng. Tác giả mô tả chi tiết 15 bộ phận cấu tạo nền tảng của máy tiện: ụ trước, mâm cặp, hộp xe dao, ổ gá dao, bàn dao dọc, ụ sau, bàn dao ngang, thân máy, hộp công tắc điện, trục trơn, trục vit me, đế máy, puli và đai truyền, hộp bước tiến, bộ bánh răng thay thế. Nhóm máy tiện được phân chia theo cấu trúc công nghệ: máy tiện đơn giản, Rơvonve, máy tiện vạn năng, chuyên dùng, máy tiện cụt và máy tiện đứng; kích thước gia công trải dài từ vài milimét đến hàng chục mét trên máy tiện đứng.

Về mặt truyền động, máy tiện gồm ba hệ thống chuyển động với các yêu cầu kỹ thuật đặc thù:

  • Truyền động chính: Vận hành ở chế độ dài hạn, đảm bảo chuyển động quay của mâm cặp. Yêu cầu có khả năng đảo chiều quay (phục vụ tiện ren trái và phải); dải điều chỉnh tốc độ trục chính $D < (40 \div 125)/1$ với độ trơn điều chỉnh $\varphi = 1,21$ và công suất giữ không đổi ($P_c = \text{const}$). Chế độ xác lập đòi hỏi độ cứng đặc tính cơ cao với sai số tĩnh nhỏ hơn $10%$ khi phụ tải dao động từ 0 đến định mức; quá trình khởi động và hãm phải êm để tránh va đập bộ truyền. Với máy tiện nặng gia công phôi đường kính lớn, để duy trì tốc độ cắt tối ưu không đổi ($v = \text{const}$), dải điều chỉnh vận tốc góc được xác định qua quan hệ: $$D = \frac{\omega_{\max}}{\omega_{\min}} = \frac{v_{\max}}{v_{\min}} \times \frac{D_{ct\max}}{D_{ct\min}}$$ Hệ truyền động chính cần điều chỉnh hai vùng: vùng dưới tốc độ giới hạn ($v < v_{gh}$) duy trì mômen không đổi ($M = \text{const}$), vùng trên tốc độ giới hạn ($v > v_{gh}$) duy trì công suất không đổi ($P = \text{const}$).
  • Truyền động ăn dao: Đảm bảo chuyển động tịnh tiến của bàn dao theo hai chiều; dải điều chỉnh $D = (50 \div 300)/1$ với độ trơn $\varphi = 1,21$, mômen không đổi ($M = \text{const}$), sai số tĩnh nhỏ hơn $5%$.
  • Truyền động phụ: Bao gồm phanh, kéo phôi, bơm nước làm mát, nâng hạ, kẹp xả; không đòi hỏi điều chỉnh tốc độ nên sử dụng động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc kết hợp hộp tốc độ cơ khí.

Chương 2: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Chương 2 trình bày cấu tạo chi tiết của động cơ điện một chiều gồm phần tĩnh stato (mạch từ, cuộn kích từ, cực từ chính bằng thép kỹ thuật $0,5 \div 1\text{ mm}$, cực từ phụ, gông từ, nắp máy và cơ cấu chổi than graphit) và phần quay rôto (lõi sắt phần ứng bằng lá thép kỹ thuật 0,5 mm dập rãnh thông gió, cuộn dây phần ứng chèn nêm tre/gỗ/bakelit, cổ góp phiến đồng cách điện mica $0,4 \div 1,2\text{ mm}$). Phân loại động cơ gồm 4 dạng: kích từ độc lập, song song, nối tiếp và hỗn hợp. Phân tích nguyên lý cảm ứng điện từ và thiết lập phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ tuyến tính của động cơ kích từ độc lập. Tác giả chỉ ra 3 tham số có thể can thiệp để điều chỉnh tốc độ: thay đổi từ thông kích từ $\Phi$, điện áp phần ứng $U_ư$ và điện trở phụ mạch phần ứng $R_f$.

Trên cơ sở đó, tác giả tiến hành phân tích so sánh chi tiết hai phương án truyền động:

  1. Phương án 1 - Hệ thống Máy phát - Động cơ (F-Đ): Bộ biến đổi là máy phát điện một chiều kích từ độc lập do động cơ không đồng bộ 3 pha kéo quay. Điều chỉnh giảm tốc độ dưới định mức bằng biến trở $R_{KF}$ cuộn kích từ máy phát để giảm áp $U_F$; đảo chiều bằng tiếp điểm đảo cực dòng kích từ máy phát; hãm tái sinh hai giai đoạn (tăng từ thông về định mức, giảm điện áp về 0). Để ổn định tốc độ và chống quá tải, hệ thống tích hợp khâu phản hồi âm tốc độ qua máy phát tốc (FT) và khâu phản hồi âm dòng có ngắt. Hệ F-Đ có ưu điểm mạch lực tuyến tính, đặc tính động rất tốt, làm việc trọn vẹn 4 góc phần tư, chuyển đổi trạng thái linh hoạt, hệ số $\cos\varphi$ khá cao; tuy nhiên nhược điểm rất lớn là sử dụng nhiều máy điện quay cồng kềnh, chiếm diện tích, gây tiếng ồn lớn và từ dư máy phát gây khó khăn khi điều chỉnh ở vùng tốc độ rất thấp.
  2. Phương án 2 - Hệ truyền động Thyristor - Động cơ (T-Đ): Sử dụng bộ biến đổi chỉnh lưu thyristor biến đổi trực tiếp nguồn xoay chiều 3 pha cấp cho phần ứng động cơ, điều khiển góc mở qua bộ phát xung và hồi tiếp âm tốc độ từ máy phát tốc. Hệ có ưu điểm tác động nhanh nhạy, dải điều chỉnh trơn và rộng $D = (100 \div 1000)$, vận hành không ồn, kích thước nhỏ gọn, tiêu hao công suất riêng rất nhỏ, giá thành hạ. Nhược điểm là hệ số $\cos\varphi$ thấp ($0,6 \div 0,65$), dòng điện không sin gây méo điện áp lưới và mạch điều khiển phức tạp.

Kết luận lựa chọn của chương: Tác giả quyết định chọn hệ truyền động Thyristor - Động cơ (T-Đ). Điểm mấu chốt là van bán dẫn không có quán tính cơ học, trong hệ chỉ còn hai khâu tích lũy năng lượng là quán tính cơ rôto và quán tính điện từ mạch phần ứng, giúp quá trình quá độ diễn ra tối ưu, tiết kiệm điện năng và đáp ứng tốt công nghệ máy tiện.

Chương 3: LỰA CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Chương 3 là phần trọng tâm kỹ thuật của đồ án, trình bày toàn bộ quá trình tính toán và thiết kế chi tiết:

  • Lựa chọn mạch động lực: So sánh chỉnh lưu cầu ba pha và chỉnh lưu tia ba pha. Sơ đồ tia 3 pha có cấu trúc đơn giản, sụt áp nhỏ nhưng độ đập mạch lớn (3 xung/chu kỳ), nhiều sóng hài bậc cao và hiệu suất máy biến áp thấp. Sơ đồ cầu ba pha có điện áp ra đập mạch nhỏ (6 xung/chu kỳ, $U_d = \frac{3\sqrt{6}}{\pi} U_2 \cos\alpha$), điện áp ngược đặt lên van $U_{ng\max} = \sqrt{6} U_2$, công suất tính toán biến áp nhỏ ($S_{BA} = 1,05 P_d$), hiệu suất sử dụng cao. Do đó, tác giả lựa chọn sơ đồ cầu kép ba pha gồm hai bộ chỉnh lưu cầu mắc song song ngược điều khiển đối xứng. (Lưu ý: tại dòng 531-532 của văn bản gốc, tác giả có sự nhầm lẫn câu chữ khi viết "phù hợp yêu cầu công nghệ máy bào giường", tuy nhiên toàn bộ cấu trúc tính toán mạch lực và thông số động cơ 35 kW đều nhất quán phục vụ máy tiện).
  • Tính toán thiết bị mạch động lực:
    • Động cơ DC: Công suất $35\text{ kW}$, $U_{đm} = 220\text{ V}$, $I_{đm} = 160\text{ A}$, $R_ư = 0,075,\Omega$, $J_đ = 2,7\text{ kg}\cdot\text{m}^2$, $n_{đm} = 1500\text{ vòng/phút}$, $n_{\max} = 2200\text{ vòng/phút}$.
    • Thyristor: Điện áp ngược tính toán $U_{nv} = 1,8 \times 230,27 = 414,49\text{ V}$; dòng định mức van có xét làm mát tự nhiên $I_{đm} = 3,2 \times 92,37 = 295,584\text{ A}$. Tra bảng chọn van TF440-06X ($I_{đm} = 400\text{ A}$, $U_{nT} = 600\text{ V}$, $\Delta U_T = 2\text{ V}$, xung mở $3\text{ V} - 200\text{ mA}$).
    • Máy biến áp động lực: Công suất biểu kiến tính toán $S_{BA} = 36,75\text{ kVA}$; tỷ số điện áp $380\text{V} / 108\text{V}$; dòng sơ cấp $I_1 = 34,1\text{ A}$, thứ cấp $I_2 = 130,639\text{ A}$. Mạch từ có đường kính trụ $d = 11\text{ cm}$, chiều cao $h = 25\text{ cm}$, thép silic dày 0,5 mm ($B_T = 1\text{ T}$). Dây quấn đồng bọc cách điện cấp B: cuộn sơ cấp $W_1 = 182\text{ vòng}$ (dây $14,2\text{ mm}^2$, bố trí 8 lớp dọc trục), cuộn thứ cấp $W_2 = 52\text{ vòng}$ (dây $50,1\text{ mm}^2$, 4,3 lớp). Các tham số quy đổi: $R_1 = 0,136,\Omega$, $R_2 = 0,015,\Omega$, $R_{BA} = 0,025,\Omega$, $X_{BA} = 0,09,\Omega$, $L_{BA} = 0,286\text{ mH}$, điện áp ngắn mạch $U_n = 11,3%$.
  • Thiết kế mạch điều khiển: Lựa chọn nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. Mạch được phân tách thành các khâu:
    • Khâu đồng pha: Tích phân sóng vuông từ OA A1 qua A2 để tạo sóng răng cưa $U_{rc}$, dùng transistor Tr1 (A564) ngắn mạch tụ $C_1 = 0,1,\mu\text{F}$ trong nửa chu kỳ âm; chọn biến trở $R_3 > 50\text{ k}\Omega$, $R_2 = 30\text{ k}\Omega$, điện áp đồng pha $U_A = 9\text{ V}$.
    • Khâu so sánh: Dùng OA A3 (thuộc IC TL084) so sánh $U_{rc}$ và $U_{đk}$ với điện trở ngõ vào $R_4 = R_5 = 15\text{ k}\Omega$.
    • Khâu tạo xung chùm: Mạch đa hài tần số $f = 3\text{ kHz}$ ($T = 334,\mu\text{s}$) dùng OA A4 (TL084), tụ $C_2 = 0,1,\mu\text{F}$ và biến trở $R_8 = 2,\Omega$.
    • Khâu logic và khuếch đại xung: Tín hiệu so sánh và xung chùm phối hợp qua 2 IC 4081 họ CMOS (chứa 8 cổng AND logic), cấp xung cho transistor công suất Tr3 (2SC9111, $I_{C\max} = 500\text{ mA}$) mắc nối tiếp biến áp xung lõi ferit HM tỷ số $m = 3$ ($U_2 = 3\text{ V}, I_2 = 200\text{ mA}$; $U_1 = 9\text{ V}, I_1 = 66,6\text{ mA}$; $R_{10} = 45,\Omega$).
    • Nguồn nuôi: Chỉnh lưu cầu 3 pha dùng 12 điốt KIT 208A kết hợp vi mạch ổn áp 7812 ($+12\text{V}$) và 7912 ($-12\text{V}$); công suất máy biến áp nguồn nuôi $S = 9,269\text{ VA}$ ($U_2 = 9\text{ V}$).
  • Thiết kế thiết bị bảo vệ và cuộn kháng lọc:
    • Bảo vệ nhiệt: Cánh tản nhiệt nhôm 12 cánh kích thước $16 \times 16\text{ cm}$, diện tích tỏa nhiệt tính toán $S_m = 0,577\text{ m}^2$ (với tổn hao mỗi van $\Delta P = 184,74\text{ W}$, nhiệt độ cánh $80^\circ\text{C}$, môi trường $40^\circ\text{C}$).
    • Bảo vệ quá dòng: Aptomat sơ cấp dòng định mức $64,969\text{ A}$ (chỉnh định ngắn mạch $147,6\text{ A}$, quá tải $88,56\text{ A}$); cầu dao cách ly $64,969\text{ A}$; 3 nhóm cầu chì tác động nhanh (nhóm 1CC thứ cấp biến áp: $150\text{ A}$, nhóm 2CC nhánh thyristor: $120\text{ A}$, nhóm 3CC mạch tải: $200\text{ A}$).
    • Bảo vệ quá điện áp: Mạch R-C mắc song song từng thyristor ($R_1 = 5,1,\Omega; C_1 = 0,25,\mu\text{F}$) triệt quá áp chuyển mạch; mạch R-C đầu vào lưới ($R_2 = 12,5,\Omega; C_2 = 4,\mu\text{F}$) triệt xung quá áp đường dây.
    • Tính toán cuộn kháng lọc: Ở góc mở cực đại $\alpha_{\max} = 80,68^\circ$, thành phần sóng hài bậc một của điện áp là $86,23\text{ V}$. Để biên độ đập mạch $I_{1m} \le 10% I_{đm} = 16\text{ A}$, tổng điện cảm yêu cầu của mạch là $L = 2,86\text{ mH}$. Điện cảm nội tại phần ứng tính theo Umanxki - Lindvil là $L_ư = 1,094\text{ mH}$, điện cảm quy đổi MBA là $L_{BA} = 0,286\text{ mH}$, suy ra điện cảm đã có $L_{ưc} = L_ư + 2L_{BA} = 1,666\text{ mH}$. Điện cảm cuộn kháng lọc cần bổ sung được xác định chính xác: $$L_k = L - L_{ưc} = 2,86 - 1,666 = 1,194\text{ mH}$$

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành trọn vẹn các nội dung tính toán thiết kế kỹ thuật cho hệ thống truyền động chính của máy tiện với các kết quả cụ thể:

  • Xác lập được bộ thông số phần cứng mạch lực hoàn chỉnh cho động cơ một chiều kích từ độc lập $35\text{ kW}$ ($220\text{ V} - 160\text{ A}$): lựa chọn 12 van thyristor loại TF440-06X ($400\text{ A} - 600\text{ V}$) cho bộ biến đổi cầu kép ba pha song song ngược; thiết kế hoàn chỉnh máy biến áp lực ba pha $36,75\text{ kVA}$ ($380\text{V}/108\text{V}$) với đầy đủ quy cách kết cấu dây quấn và mạch từ thép silic.
  • Tính toán thành công bộ thông số cuộn kháng lọc $L_k = 1,194\text{ mH}$ đảm bảo dòng điện đập mạch không vượt quá $10% I_{đm}$ ở góc mở giới hạn $\alpha_{\max} = 80,68^\circ$, hạn chế tối đa tổn thất phụ và cải thiện điều kiện chuyển mạch cổ góp.
  • Thiết kế chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển phát xung tương tự theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính sử dụng vi mạch khuếch đại thuật toán TL084 và vi mạch logic 4081. Ứng dụng giải pháp phát xung chùm tần số $3\text{ kHz}$ qua biến áp xung tỷ số $m = 3$ giúp giảm tiêu tán công suất trên transistor khuếch đại và tăng độ tin cậy khi kích mở van bán dẫn.
  • Xây dựng hệ thống bảo vệ đa tầng: tính toán kích thước cánh tản nhiệt nhôm 12 cánh ($16 \times 16\text{ cm}$), xác định dòng chỉnh định cho aptomat ($64,969\text{ A}$), phân định 3 cấp cầu chì tác động nhanh ($150\text{ A} - 120\text{ A} - 200\text{ A}$) và các bộ lọc R-C triệt xung điện áp.
  • Đóng góp tự nêu của tác giả: Đồ án đã tổng hợp và vận dụng một cách hệ thống các kiến thức liên ngành về máy điện, truyền động điện và điện tử công suất để giải quyết trọn vẹn một bài toán kỹ thuật thực tế; cung cấp đầy đủ phương pháp tính toán giải tích từ khâu phân tích công nghệ đến thiết kế chi tiết từng linh kiện phần cứng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ trên phạm vi và nội dung được trình bày trong văn bản đồ án, các hạn chế kỹ thuật và hướng mở rộng được ghi nhận như sau:

  • Hạn chế:
    • Toàn bộ kết quả thiết kế mới dừng lại ở bước tính toán lý thuyết và thiết lập sơ đồ nguyên lý giải tích; văn bản chưa tiến hành kiểm chứng mô phỏng trên các phần mềm chuyên ngành (như MATLAB/Simulink, PSIM hay PSpice) và chưa chế tạo mô hình thực nghiệm để đo kiểm dạng sóng thực tế.
    • Mạch điều khiển hoàn toàn sử dụng công nghệ tương tự (analog) kết hợp vi mạch rời rạc (TL084, 4081), mạch in sẽ có số lượng linh kiện lớn và độ phức tạp cao trong việc cân chỉnh ngưỡng. Tác giả có đề cập đến sự tồn tại của các vi xử lý chuyên dụng điều khiển thyristor nhưng chưa thể áp dụng do hạn chế về độ phổ biến trên thị trường tại thời điểm thực hiện.
    • Hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ có nhược điểm cố hữu là hệ số công suất thấp ($\cos\varphi = 0,6 \div 0,65$) và tạo sóng hài dòng điện phía xoay chiều, tuy nhiên đồ án chưa đưa ra giải pháp bù công suất phản kháng hay bộ lọc sóng hài tích cực cho lưới điện.
    • Tồn tại lỗi biên tập cục bộ ở Chương 3 (dòng 531-532 nhắc nhầm "máy bào giường" thay vì máy tiện), dù không ảnh hưởng đến bản chất số liệu tính toán.
  • Hướng phát triển tiếp (dựa trên phạm vi nghiên cứu):
    • Nghiên cứu số hóa hệ thống điều khiển: ứng dụng vi điều khiển (như họ vi xử lý, DSP hoặc vi mạch chuyên dụng) để lập trình phát xung điều khiển số cho thyristor, giúp tinh giản mạch phần cứng và nâng cao độ chính xác góc mở $\alpha$.
    • Xây dựng mô hình mô phỏng số để kiểm tra các quá trình quá độ phức tạp: quá trình khởi động, chuyển đổi chế độ hãm tái sinh và đảo chiều quay động cơ.
    • Nghiên cứu bổ sung khâu bù công suất phản kháng và thiết kế mạch lọc sóng hài tích cực ở đầu vào máy biến áp nhằm cải thiện hệ số công suất và bảo vệ lưới điện.

Giá trị tham khảo

Bản đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử: Tài liệu cung cấp mẫu chuẩn về phương pháp luận và các bước tính toán chi tiết cho đồ án môn học "Truyền động điện", "Điện tử công suất" hoặc đồ án tốt nghiệp liên quan đến hệ truyền động điều khiển động cơ một chiều công suất lớn.
  • Kỹ sư và kỹ thuật viên bảo trì hệ thống điện công nghiệp: Hữu ích trong việc tra cứu phương pháp kiểm tra, tính chọn thiết bị bảo vệ (aptomat, cầu chì tác động nhanh, mạch R-C dập xung) và cánh tản nhiệt cho các bộ biến đổi bán dẫn công suất trong nhà máy.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu nhất trong văn bản:

  1. Quy trình tính toán thiết kế máy biến áp lực ba pha khô: từ xác định tiết diện mạch từ, mật độ từ cảm, tính toán số vòng và tiết diện dây dẫn sơ/thứ cấp đến quy đổi các tham số ngắn mạch ($R_{BA}, X_{BA}, L_{BA}$).
  2. Phương pháp tính toán giải tích cuộn kháng lọc dựa trên khai triển chuỗi Fourier điện áp chỉnh lưu cầu 3 pha để triệt tiêu sóng hài dòng điện.
  3. Sơ đồ nguyên lý chi tiết và phương pháp phối hợp tín hiệu phát xung chùm sử dụng khuếch đại thuật toán TL084 và cổng logic 4081.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao tác giả lựa chọn hệ truyền động Thyristor - Động cơ (T-Đ) thay vì hệ Máy phát - Động cơ (F-Đ)?
Trả lời: Dựa trên phân tích kỹ thuật ở Chương 2, hệ T-Đ sử dụng van bán dẫn tĩnh có tác động nhanh nhạy, dải điều chỉnh tốc độ rộng ($D = 100 \div 1000$), gọn nhẹ, vận hành không ồn, tiêu hao công suất riêng rất nhỏ và giá thành hạ. Đặc biệt, van thyristor không có quán tính cơ học, trong hệ chỉ còn hai khâu tích lũy năng lượng là quán tính cơ rôto và quán tính điện từ mạch phần ứng, giúp quá trình quá độ hợp lý hơn hẳn hệ F-Đ vốn sử dụng đến ba máy điện quay cồng kềnh, ồn ào và khó chỉnh tốc độ thấp do từ dư máy phát.

2. Động cơ điện một chiều được lựa chọn có những thông số kỹ thuật định mức nào?
Trả lời: Động cơ một chiều kích từ độc lập được chọn có các thông số: công suất $P = 35\text{ kW}$, điện áp định mức $U_{đm} = 220\text{ V}$, dòng điện định mức $I_{đm} = 160\text{ A}$, tốc độ định mức $n_{đm} = 1500\text{ vòng/phút}$, tốc độ cực đại $n_{\max} = 2200\text{ vòng/phút}$, điện trở phần ứng $R_ư = 0,075,\Omega$, mômen quán tính rôto $J_đ = 2,7\text{ kg}\cdot\text{m}^2$, số đôi cực $p = 2$, điện trở kích từ $R_{kt} = 95,5,\Omega$, số vòng dây cuộn kích từ $W_{kt} = 1600\text{ vòng}$ và dòng kích từ định mức $I_{ktđm} = 1,64\text{ A}$.

3. Van Thyristor trong mạch động lực được tính chọn như thế nào và mang mã hiệu gì?
Trả lời: Dựa trên hệ số dự trữ điện áp $K_{dtu} = 1,8$ (điện áp ngược tính toán $414,49\text{ V}$) và hệ số dự trữ dòng điện $k_i = 3,2$ đối với tản nhiệt tự nhiên (dòng định mức tính toán $295,584\text{ A}$), tác giả tra bảng chọn van thyristor loại TF440-06X. Van có các thông số: dòng định mức $I_{đm} = 400\text{ A}$, điện áp ngược cực đại $U_{nT} = 600\text{ V}$, dòng đỉnh xung $I_{pk} = 4000\text{ A}$, sụt áp trên van $\Delta U_T = 2,0\text{ V}$, điện áp điều khiển $U_g = 3,0\text{ V}$, dòng điều khiển $I_g = 200\text{ mA}$, dòng rò $I_r = 25\text{ mA}$, nhiệt độ cho phép $T_{\max} = 125^\circ\text{C}$, $du/dt = 200\text{ V}/\mu\text{s}$ và thời gian chuyển mạch $t_{cm} = 15,\mu\text{s}$.

4. Tại sao mạch điều khiển phải tích hợp khâu tạo xung chùm và các vi mạch nào được sử dụng?
Trả lời: Khâu tạo xung chùm (tần số $3\text{ kHz}$) được đưa vào qua cổng logic AND nhằm giảm công suất tiêu tán nhiệt cho tầng transistor công suất của biến áp xung và tăng cường số lượng xung kích mở, đảm bảo thyristor mở thông chắc chắn. Mạch điều khiển sử dụng các vi mạch gồm: IC khuếch đại thuật toán TL084 (Texas Instruments) để tạo điện áp tựa răng cưa, so sánh và tạo đa hài dao động xung chùm; hai IC logic 4081 họ CMOS (chứa 8 cổng AND) để phối hợp logic; transistor công suất 2SC9111 và biến áp xung lõi ferit HM ($m = 3$); cùng hai IC ổn áp 7812 ($+12\text{V}$) và 7912 ($-12\text{V}$) cho mạch nguồn nuôi.

5. Giá trị điện cảm của cuộn kháng lọc được tính toán là bao nhiêu và nhằm mục đích gì?
Trả lời: Điện cảm cuộn kháng lọc cần bổ sung được tính toán là $L_k = 1,194\text{ mH}$ (sau khi lấy tổng điện cảm yêu cầu $L = 2,86\text{ mH}$ trừ đi điện cảm nội tại của mạch phần ứng và máy biến áp $L_{ưc} = 1,666\text{ mH}$). Cuộn kháng mắc nối tiếp với mạch phần ứng nhằm triệt tiêu sóng hài bậc cao, giữ cho biên độ dòng đập mạch $I_{1m} \le 10% I_{đm}$ ($16\text{ A}$) ở góc mở cực đại $\alpha_{\max} = 80,68^\circ$, giúp giảm phát nhiệt phụ trong động cơ, cải thiện chuyển mạch cổ góp và hạn chế vùng làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống truyền động chính cho máy tiện với công suất 35KW" đã giải quyết một cách toàn diện bài toán thiết kế kỹ thuật từ phân tích yêu cầu công nghệ cắt gọt kim loại đến tính toán chi tiết phần cứng mạch lực và mạch điều khiển bán dẫn. Việc lựa chọn cấu hình bộ biến đổi Thyristor - Động cơ cầu kép ba pha kết hợp nguyên tắc điều khiển phát xung chùm tương tự đảm bảo cho hệ thống khả năng điều chỉnh tốc độ trơn tru, vận hành bền bỉ và thực hiện đảo chiều, hãm tái sinh êm thuận mà không cần đảo nối cơ khí. Toàn bộ các kết quả tính toán máy biến áp động lực, cuộn kháng lọc và các khâu bảo vệ đa tầng đã tạo nên một thiết kế kỹ thuật đồng bộ, có tính ứng dụng cao và là tài liệu tham khảo học thuật có giá trị cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành Truyền động điện và Điện tử công suất.