Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, quá trình tự động hóa đòi hỏi các hệ thống truyền động có khả năng điều chỉnh tốc độ liên tục trong dải rộng và vận hành tin cậy tại các chế độ tải phức tạp như công nghệ cán thép, khai thác hầm mỏ và giao thông vận tải. Mặc dù các loại máy điện hiện đại phát triển mạnh mẽ, động cơ điện một chiều kích từ độc lập vẫn giữ vai trò quan trọng nhờ đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng phẳng, phạm vi điều chỉnh rộng và khả năng sinh mômen khởi động lớn. Sự phát triển của kỹ thuật vi điện tử và điện tử công suất đã thúc đẩy việc thay thế các bộ biến đổi cơ điện quay cồng kềnh bằng các bộ biến đổi bán dẫn tĩnh, đặc biệt là hệ truyền động Thyristor - Động cơ (hệ T-Đ).

Bản đồ án môn học Đồ án truyền động điện được thực hiện tại Thái Nguyên (năm 2022) dưới sự hướng dẫn của Th.S Hoàng Thị Hải Yến, tập trung vào đề tài: “Thiết kế hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ có đảo chiều dùng chỉnh lưu cầu ba pha”.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác lập theo các nội dung kỹ thuật:

  1. Nghiên cứu tổng quan cấu tạo, thông số định mức, nguyên lý làm việc và thiết lập hệ phương trình đặc tính cơ, đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập; phân tích các phương pháp điều chỉnh tốc độ và các trạng thái hãm của động cơ.
  2. Phân tích, so sánh các hệ truyền động điều khiển tốc độ kinh điển (Máy phát - Động cơ F-Đ, Chỉnh lưu Thyristor - Động cơ T-Đ, Xung áp - Động cơ XA-Đ); khảo sát các cấu hình chỉnh lưu (tia ba pha, cầu một pha, cầu ba pha), hiện tượng trùng dẫn và chế độ nghịch lưu phụ thuộc; đánh giá các giải pháp bảo vệ van bán dẫn và các phương án đảo chiều dòng điện phần ứng.
  3. Phân tích cấu trúc mạch động lực, lựa chọn cấu hình bộ biến đổi chỉnh lưu cầu ba pha kép kết hợp các thiết bị đóng cắt, đo lường và bảo vệ phụ trợ.

Đối tượng nghiên cứu là hệ truyền động đảo chiều động cơ điện một chiều kích từ độc lập sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở không gian tính toán giải tích mạch động lực, phân tích nguyên lý phát xung điều khiển van Thyristor và lựa chọn cấu hình mạch lực theo dữ liệu kỹ thuật của đồ án tại thời điểm thực hiện năm 2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên lý thuyết máy điện một chiều và lý thuyết điện tử công suất ứng dụng trong truyền động điện tự động:

  • Mô hình toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng ở chế độ xác lập: $$U_ư = E + (R_ư + R_f) I_ư$$ Trong đó điện trở phần ứng tổng bao gồm: $R_ư = r_ư + r_{cf} + r_{cb} + r_{tx}$ (với $r_ư$ là điện trở dây quấn phần ứng, $r_{cf}$ là điện trở cuộn cực từ phụ, $r_{cb}$ là điện trở cuộn bù, $r_{tx}$ là điện trở tiếp xúc chổi than). Suất điện động phần ứng được xác định qua hệ số kết cấu $K$ và từ thông $\Phi$: $E = K \Phi \omega = K_c \Phi n$.
  • Phương trình đặc tính cơ điện và phương trình đặc tính cơ: $$\omega = \frac{U_ư}{K\Phi} - \frac{R_ư + R_f}{K\Phi} I_ư$$ $$\omega = \frac{U_ư}{K\Phi} - \frac{R_ư + R_f}{(K\Phi)^2} M = \omega_0 - \Delta\omega$$ với $\omega_0 = \frac{U_ư}{K\Phi}$ là tốc độ không tải lý tưởng và độ cứng đặc tính cơ $\beta = -\frac{(K\Phi)^2}{R_ư + R_f}$.
  • Lý thuyết chỉnh lưu và nghịch lưu phụ thuộc: Mối quan hệ giữa điện áp trung bình đầu ra bộ chỉnh lưu $U_d$ và góc mở $\alpha$, hiện tượng trùng dẫn giữa các pha do điện cảm tản máy biến áp gây sụt áp $\Delta U_\mu$, và điều kiện chuyển sang chế độ nghịch lưu phụ thuộc ($\alpha > \pi/2$, điện áp tải $E > 0$ và đổi dấu điện áp trung bình $U_d < 0$).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích giải tích kỹ thuật, phương pháp lập bảng so sánh định tính - định lượng để lựa chọn giải pháp tối ưu và phương pháp giải tích giản đồ dạng sóng điện áp, dòng điện trong miền thời gian thực tế của quá trình chuyển mạch van bán dẫn. Nguồn dữ liệu sử dụng bao gồm các công thức giải tích mạch lực kinh điển của môn học Truyền động điện, tiêu chuẩn kết cấu máy điện (kích thước lá thép kỹ thuật điện 0.5 mm, lớp cách điện mica 0.2 mm) và các tham số kỹ thuật của linh kiện bán dẫn công suất.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống truyền động được xây dựng dựa trên cấu hình mạch động lực hoàn chỉnh cấp điện cho phần ứng động cơ điện một chiều:

[Lưới điện 3 pha] -> [Aptomat ATM] -> [Máy biến áp BA] -> [Tiếp điểm K] -> [Bộ biến dòng BI] -> [Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha kép] -> [Cuộn kháng cân bằng] -> [Phần ứng Động cơ ĐMC]

Cấu trúc các khối chức năng chính trong mạch lực gồm:

  • Thiết bị đóng cắt và bảo vệ nguồn: Aptomat (ATM) thực hiện đóng cắt mạch động lực và tự động bảo vệ khi xảy ra quá tải hoặc ngắn mạch phía sơ cấp máy biến áp; tiếp điểm công tắc tơ (K) đóng cắt mạch sau máy biến áp; bộ biến dòng (BI) cấp tín hiệu phản hồi âm dòng điện phục vụ khâu hạn chế dòng điện phần ứng.
  • Máy biến áp động lực (BA): Biến đổi điện áp lưới xoay chiều ba pha về cấp điện áp phù hợp với dải điều khiển tốc độ phần ứng động cơ và cách ly mạch động lực.
  • Cấu hình chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển toàn phần: Gồm 6 van Thyristor ($T_1, T_2, T_3, T_4, T_5, T_6$). Chu kỳ dẫn dòng được điều khiển theo quy luật giao thoa điện áp pha và xung mở:
Thời điểm kích xung Van mở Van bị khóa Cặp van dẫn dòng Điện áp tức thời đặt lên tải ($u_d$)
$\omega t_1 = \pi/6 + \alpha$ $T_1$ $T_5$ $T_6, T_1$ $u_{ab} = u_a - u_b$
$\omega t_2 = 3\pi/6 + \alpha$ $T_2$ $T_6$ $T_1, T_2$ $u_{ac} = u_a - u_c$
$\omega t_3 = 5\pi/6 + \alpha$ $T_3$ $T_1$ $T_2, T_3$ $u_{bc} = u_b - u_c$
$\omega t_4 = 7\pi/6 + \alpha$ $T_4$ $T_2$ $T_3, T_4$ $u_{ba} = u_b - u_a$
$\omega t_5 = 9\pi/6 + \alpha$ $T_5$ $T_3$ $T_4, T_5$ $u_{ca} = u_c - u_a$
$\omega t_6 = 11\pi/6 + \alpha$ $T_6$ $T_4$ $T_5, T_6$ $u_{cb} = u_c - u_b$
  • Mạch đảo chiều dòng điện phần ứng: Sử dụng sơ đồ chỉnh lưu kép gồm hai bộ biến đổi cầu ba pha ($CL_1$ và $CL_2$) đấu song song ngược. Mạch áp dụng nguyên lý điều khiển chung: cả hai bộ biến đổi đều nhận xung điều khiển đồng thời, trong đó một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lưu cấp dòng tải, bộ còn lại làm việc ở chế độ nghịch lưu chờ. Nhằm triệt tiêu dòng điện cân bằng sinh ra do sự chênh lệch giá trị tức thời của hai điện áp chỉnh lưu, hệ thống bố trí các cuộn kháng cân bằng (cuộn kháng san bằng) trên mạch liên kết giữa hai bộ van.
  • Hệ thống bảo vệ van bán dẫn:
    • Bảo vệ quá nhiệt: Tính toán diện tích bề mặt tỏa nhiệt $S_m = \frac{\Delta P}{K_m \tau}$ dựa trên tổn hao công suất trên mỗi van $\Delta P = \Delta U \cdot I_{lv}$ (với $\tau$ là độ chênh nhiệt độ, $K_m$ là hệ số tỏa nhiệt đối lưu và bức xạ).
    • Bảo vệ quá dòng: Sử dụng dây chảy tác động nhanh đấu nối tiếp bảo vệ ngắn mạch nội bộ từng nhánh van Thyristor và ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi; Aptomat phía sơ cấp chọn theo dòng điện định mức $I_{đm} = k \cdot I_1$.
    • Bảo vệ quá điện áp: Mắc mạch lọc $R-C$ song song với từng van Thyristor để hấp thụ năng lượng phóng điện tích chuyển mạch ngược; bố trí mạch lọc $R-C$ song song tại đầu vào bộ biến đổi để triệt tiêu xung sét và xung quá áp đóng cắt không tải từ lưới xoay chiều.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Chương này trình bày chi tiết về cấu trúc phần cứng của động cơ điện một chiều bao gồm Stator (phần tĩnh: cực từ chính ghép bằng thép lá kỹ thuật 0.5–1 mm, cực từ phụ bằng thép khối, gông từ bằng thép tấm uốn hàn hoặc thép đúc, nắp máy, cơ cấu giá đỡ và chổi than) và Roto (phần quay: lõi sắt phần ứng dập rãnh thông gió bằng thép hợp kim silic dày 0.5 mm cách điện hai mặt, dây quấn đồng bọc cách điện, cổ góp gồm các phiến đồng đuôi nhạn cách điện mica dày 0.2 mm ép vành chữ V, cánh quạt làm mát và trục thép cacbon).

Chương khảo sát các tham số định mức ($P_{đm}, U_{đm}, I_{đm}, n_{đm}$), xây dựng phương trình đặc tính cơ, đặc tính cơ điện và phân tích 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ:

Tiêu chí so sánh Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng ($R_f$) Thay đổi từ thông kích từ ($\Phi$) Thay đổi điện áp phần ứng ($U_ư$)
Dải điều chỉnh tốc độ Dưới tốc độ cơ bản ($\omega < \omega_0$) Trên tốc độ cơ bản ($\omega > \omega_{đm}$) Dưới tốc độ cơ bản ($\omega < \omega_0$)
Tính chất điều chỉnh Từng cấp, không triệt để Vô cấp Vô cấp, triệt để mọi vùng tải
Độ cứng đặc tính cơ ($\beta$) Giảm khi tăng $R_f$ ($\beta$ dốc dần) Giảm khi giảm $\Phi$ Giữ nguyên không đổi ($\beta = const$)
Tổn hao năng lượng Rất lớn (tiêu hao nhiệt trên $R_f$) Rất bé (điều khiển mạch kích từ) Bé, hiệu suất hệ thống cao
Nhược điểm chính Tải nhỏ khó điều chỉnh, sai số tĩnh lớn Phi tuyến từ hóa khó tính toán Cần bộ nguồn biến đổi điện áp

Từ các phân tích trên, tác giả lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng cấp từ hệ Thyristor - Động cơ (T-Đ).

Đồng thời, chương làm rõ ba trạng thái hãm của động cơ kích từ độc lập:

  • Hãm tái sinh: Xuất hiện khi tốc độ vượt quá tốc độ không tải lý tưởng ($\omega > \omega_0$), sức điện động lớn hơn điện áp ($E > U_ư$), dòng điện và mômen đổi chiều ($M_h = K\Phi I_h < 0$), trả năng lượng cơ học về lưới điện (xảy ra khi thế năng kéo động cơ quay nhanh, khi giảm đột ngột điện áp phần ứng, hoặc khi đảo chiều điện áp phần ứng).
  • Hãm ngược: Xuất hiện khi mômen hãm ngược chiều tốc độ quay ($M \uparrow\downarrow \omega$), gồm hai trường hợp: đóng điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng ($I_h = \frac{U_ư + E_ư}{R_ư + R_{ưf}}$) hoặc đảo chiều điện áp phần ứng ($I_h = \frac{-U_ư - E_ư}{R_ư + R_{ưf}}$) với điện trở hạn chế dòng.
  • Hãm động năng: Cắt phần ứng khỏi nguồn và khép mạch qua điện trở hãm $R_h$; cơ năng tích lũy biến thành nhiệt năng tiêu tán trên $R_h$ và $R_ư$ theo phương trình $\omega = -\frac{R_ư + R_h}{(K\Phi)^2} M$.

CHƯƠNG 2: CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU

Chương 2 thực hiện phân tích và so sánh các hệ truyền động kinh điển dùng cho động cơ điện một chiều:

Hệ truyền động Ưu điểm kỹ thuật Nhược điểm kỹ thuật
Máy phát - Động cơ (F-Đ) Điều chỉnh bằng phẳng, quá tải cao, làm việc linh hoạt ở cả 4 góc phần tư mặt phẳng đặc tính cơ. Cồng kềnh, gây rung và tiếng ồn lớn, đòi hỏi nền móng nặng, hiệu suất thấp, vốn đầu tư ban đầu lớn.
Chỉnh lưu Thyristor - Động cơ (T-Đ) Tác động nhanh, hiệu suất cao, tổn hao bé, không ồn, kích thước nhỏ gọn, dễ ghép nối tự động hóa (PLC, vi xử lý). Hệ số công suất $\cos\varphi$ thấp do biến áp, biên độ đập mạch điện áp cao gây tổn thất phụ, có vùng dòng gián đoạn.
Xung áp - Động cơ (XA-Đ) Hiệu suất rất cao, chất lượng điện áp tốt, tổn thất đóng cắt bé, kích thước gọn nhẹ. Cần thêm bộ biến đổi sơ cấp, bộ lọc đầu ra làm tăng quán tính hệ kín, tần số đóng cắt cao phát sinh sóng hài nhiễu.

Tác giả quyết định chọn hệ truyền động T-Đ đáp ứng yêu cầu công nghiệp hiện đại. Tiếp đó, đồ án khảo sát chi tiết ba sơ đồ chỉnh lưu:

  1. Chỉnh lưu tia ba pha: Sử dụng 3 van Thyristor, điện áp đập mạch bậc ba, mỗi van dẫn dòng trong $1/3$ chu kỳ ($I_{v} = I_d/3$). Nhược điểm là máy biến áp có dòng một chiều chạy qua thứ cấp gây hiện tượng bão hòa từ lõi thép.
  2. Chỉnh lưu cầu một pha: Sử dụng 4 van, điện áp đập mạch bậc hai, biên độ nhấp nhô điện áp lớn, chỉ phù hợp dải công suất nhỏ.
  3. Chỉnh lưu cầu ba pha: Cấu hình 6 van đối xứng, số xung đập mạch trong một chu kỳ là 6, biên độ đập mạch điện áp thấp, dòng điện thứ cấp máy biến áp đối xứng hoàn toàn không gây bão hòa từ lõi thép. Biểu thức điện áp tải trung bình khi góc mở $\alpha$ thỏa mãn: $$U_d = \frac{3\sqrt{3}}{\pi} U_{2m} \cos\alpha$$

Chương đi sâu phân tích hai hiện tượng vật lý quan trọng:

  • Hiện tượng trùng dẫn: Do điện cảm tản cuộn dây máy biến áp ($L_c \neq 0$), dòng điện qua van không thể triệt tiêu hoặc tăng tức thời, dẫn đến giai đoạn cả hai van cùng dẫn làm ngắn mạch nguồn. Góc trùng dẫn $\mu = \theta_2 - \theta_1$ gây sụt áp trên tải: $\Delta U_\mu = \frac{3}{\pi} X_c I_d$.
  • Chế độ nghịch lưu phụ thuộc: Khi tăng góc mở $\alpha > \pi/2$ và tải có sức điện động $E > 0$, điện áp trung bình đổi dấu ($U_d < 0$). Do chiều dòng điện $I_d$ qua van Thyristor không đổi, công suất $P = U_d I_d < 0$, hệ thống chuyển từ nhận điện sang phát năng lượng từ phía một chiều trả về lưới điện xoay chiều.

Về phương pháp đảo chiều quay động cơ qua dòng phần ứng: Đồ án so sánh giữa việc dùng tiếp điểm công tắc tơ cơ khí (gây hồ quang, thao tác chậm, mài mòn) và dùng 2 bộ chỉnh lưu cầu mắc song song ngược. Trong sơ đồ chỉnh lưu kép, tác giả so sánh hai nguyên lý điều khiển:

Đặc tính vận hành Điều khiển riêng (Separate Control) Điều khiển chung (Simultaneous Control)
Xung điều khiển van Chỉ phát xung cho 1 bộ van; bộ kia bị khóa hoàn toàn. Phát xung đồng thời cho cả 2 bộ van (1 bộ chỉnh lưu, 1 bộ nghịch lưu chờ).
Dòng điện cân bằng Không xuất hiện dòng cân bằng giữa hai bộ biến đổi. Xuất hiện dòng điện cân bằng quẩn giữa hai bộ biến đổi.
Thiết bị hạn chế dòng Không yêu cầu cuộn kháng cân bằng. Bắt buộc phải lắp thêm các cuộn kháng cân bằng.
Quá trình đảo chiều Có thời gian trễ để dòng về 0 trước khi mở bộ thứ hai; đáp ứng động chậm hơn. Đảo chiều tự nhiên, êm dịu, không trễ thời gian, đặc tính cơ liên tục và độ ổn định cao.

Tác giả quyết định lựa chọn phương pháp điều khiển chung cho hai bộ chỉnh lưu cầu mắc song song ngược để đảm bảo độ êm, đáp ứng tác động nhanh và tính liên tục của đặc tính cơ.

CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Văn bản dừng lại ở phần đầu Chương III với nội dung thiết lập sơ đồ nguyên lý mạch động lực và phân tích vai trò các phần tử cấu thành. Tác giả xác định cấu trúc hoàn chỉnh của sơ đồ cầu ba pha có điều khiển gồm: Áp tô mát nguồn (ATM) thực hiện đóng cắt và bảo vệ ngắn mạch sơ cấp; máy biến áp ba pha (BA) hạ áp và phối hợp trở kháng; công tắc tơ (K) đóng cắt mạch xoay chiều sau biến áp; bộ biến dòng (BI) trích xuất tín hiệu dòng điện phần ứng phục vụ khâu phản hồi âm dòng điện để khống chế dòng khởi động và quá tải.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật:
    • Thiết lập đầy đủ cơ sở lý thuyết truyền động điện một chiều kích từ độc lập, bao gồm hệ phương trình cân bằng điện áp, đặc tính cơ điện, đặc tính cơ và điều kiện làm việc ở ba trạng thái hãm (hãm tái sinh, hãm ngược, hãm động năng).
    • So sánh và lựa chọn phương án truyền động tối ưu: loại bỏ hệ F-Đ (do cồng kềnh, ồn, hiệu suất thấp) và hệ XA-Đ (do mạch phức tạp, phát sinh nhiễu cao), xác định hệ T-Đ là giải pháp phù hợp với xu hướng tự động hóa.
    • Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển nhờ ưu thế đập mạch bậc 6, dòng thứ cấp đối xứng không gây bão hòa lõi sắt biến áp và dòng làm việc trung bình mỗi van chỉ bằng $1/3$ dòng tải ($I_v = I_d/3$).
    • Thiết lập giải pháp đảo chiều dòng phần ứng bằng sơ đồ hai bộ chỉnh lưu cầu ba pha mắc song song ngược vận hành theo phương pháp điều khiển chung, loại bỏ hoàn toàn các tiếp điểm cơ khí đóng cắt.
    • Xác lập hệ thống các giải pháp bảo vệ van bán dẫn toàn diện: bảo vệ quá nhiệt (tính diện tích cánh tản nhiệt $S_m$), bảo vệ quá dòng (kết hợp Aptomat và dây chảy tác động nhanh) và bảo vệ quá áp (mạch dập $R-C$ song song van và mạch lọc $R-C$ đầu vào).
  • Giải pháp đề xuất: Ứng dụng cuộn kháng cân bằng để khắc phục nhược điểm phát sinh dòng điện cân bằng trong chế độ điều khiển chung, đảm bảo hệ thống chuyển đổi trạng thái quay thuận - quay ngược trơn tru.
  • Đóng góp kỹ thuật: Tổng hợp có hệ thống các biểu thức giải tích và giản đồ trạng thái chuyển mạch van của sơ đồ cầu ba pha; làm rõ bản chất vật lý của góc trùng dẫn $\mu$ và cơ chế trả năng lượng về lưới ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc ($\alpha > \pi/2$).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đề tài:
    • Bản văn bản gốc dừng lại ở phần mở đầu của Chương III, chưa cung cấp bảng số liệu tính toán chọn mã hiệu van Thyristor thực tế, thông số dung lượng máy biến áp, trị số điện cảm cuộn kháng cân bằng cũng như các linh kiện cụ thể của mạch điều khiển phát xung.
    • Việc áp dụng phương pháp điều khiển chung cho hai bộ chỉnh lưu cầu kép làm xuất hiện dòng điện cân bằng, đòi hỏi bổ sung cuộn kháng cân bằng khiến mạch lực tăng kích thước, khối lượng và làm tăng thời hằng mạch phần ứng, gián tiếp làm giảm hệ số công suất $\cos\varphi$.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Hoàn thiện tính toán chi tiết các thông số kỹ thuật định lượng của mạch động lực (chọn Thyristor theo dòng điện cực đại và điện áp ngược cực đại, tính toán kích thước hình học cánh tản nhiệt, chọn tỉ số biến áp và tiết diện dây cuốn BA).
    • Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch phát xung điều khiển tích hợp (sử dụng vi điều khiển, vi xử lý hoặc PLC như định hướng tác giả đã nêu ở Chương 2) thay thế mạch tương tự truyền thống để nâng cao độ chính xác góc mở $\alpha$.
    • Xây dựng mô hình mô phỏng kiểm chứng dạng sóng điện áp, dòng điện và kiểm tra đáp ứng quá độ khi đảo chiều trên các phần mềm chuyên ngành.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật cho sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử Công suất, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa khi thực hiện đồ án môn học Truyền động điện hoặc đồ án tốt nghiệp thiết kế bộ biến đổi bán dẫn.

Nội dung đồ án có giá trị tham khảo rõ nét ở các phần:

  • Phương pháp luận phân tích và lập bảng so sánh lựa chọn cấu hình hệ truyền động (F-Đ, T-Đ, XA-Đ) và các sơ đồ chỉnh lưu (tia ba pha, cầu một pha, cầu ba pha).
  • Bảng trình tự chuyển mạch đóng - mở 6 nhịp của các van trong sơ đồ cầu ba pha có điều khiển theo trục thời gian góc pha $\omega t$.
  • Cơ sở lý thuyết giải tích mạch bảo vệ van bán dẫn (nhiệt, dòng, áp) và phân tích định tính giữa hai chế độ điều khiển đảo chiều chung - riêng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao tác giả lại lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng thay vì thay đổi từ thông hay thêm điện trở phụ?
    Phương pháp thay đổi điện trở phụ $R_f$ làm đặc tính cơ dốc đi ($\beta$ giảm), phạm vi điều chỉnh hẹp, tổn hao nhiệt rất lớn trên điện trở và không điều chỉnh được ở chế độ không tải lý tưởng. Phương pháp giảm từ thông kích từ $\Phi$ chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ cao hơn tốc độ cơ bản ($\omega > \omega_{đm}$), đặc tính phi tuyến từ hóa phức tạp và làm giảm khả năng sinh mômen của trục máy. Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng $U_ư$ cho phép điều chỉnh tốc độ vô cấp, triệt để từ 0 đến giá trị định mức ở mọi vùng phụ tải mà vẫn bảo toàn nguyên vẹn độ cứng của đường đặc tính cơ ($\beta = const$).

  2. Thứ tự dẫn dòng của các van Thyristor trong bộ chỉnh lưu cầu ba pha diễn ra như thế nào trong một chu kỳ?
    Trong một chu kỳ, 6 van bán dẫn chuyển mạch lần lượt theo 6 nhịp, mỗi nhịp duy trì hai van dẫn đồng thời (một van thuộc nhóm catot chung và một van thuộc nhóm anot chung): bắt đầu từ cặp $T_6, T_1$ (tại $\omega t_1 = \pi/6 + \alpha$), chuyển sang $T_1, T_2$ (tại $\omega t_2 = 3\pi/6 + \alpha$), tiếp tục qua $T_2, T_3$ (tại $\omega t_3 = 5\pi/6 + \alpha$), $T_3, T_4$ (tại $\omega t_4 = 7\pi/6 + \alpha$), $T_4, T_5$ (tại $\omega t_5 = 9\pi/6 + \alpha$), và $T_5, T_6$ (tại $\omega t_6 = 11\pi/6 + \alpha$) trước khi lặp lại chu kỳ mới.

  3. Hiện tượng trùng dẫn trong chỉnh lưu cầu ba pha phát sinh do đâu và gây ảnh hưởng gì đến điện áp đầu ra?
    Hiện tượng trùng dẫn xảy ra do cuộn dây máy biến áp luôn tồn tại điện cảm tản ($L_c \neq 0$), khiến dòng điện qua van đang mở không thể tăng vọt lên $I_d$ ngay và dòng qua van đang khóa không thể giảm ngay về 0, dẫn tới có thời điểm 3 van cùng dẫn và ngắn mạch nguồn giữa hai pha. Quá trình trùng dẫn kéo dài một góc $\mu = \theta_2 - \theta_1$, làm suy giảm giá trị điện áp trung bình đặt lên phụ tải một lượng sụt áp giải tích là $\Delta U_\mu = \frac{3}{\pi} X_c I_d$.

  4. Điều kiện để bộ biến đổi cầu ba pha chuyển từ chế độ chỉnh lưu sang chế độ nghịch lưu phụ thuộc là gì?
    Để bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc trả năng lượng về nguồn xoay chiều, hệ thống phải đáp ứng đồng thời ba điều kiện: góc mở xung điều khiển phải thỏa mãn $\alpha > \pi/2$ làm điện áp trung bình đổi dấu ($U_d < 0$); phụ tải một chiều phải là nguồn phát có sức điện động phản kháng $E > 0$ sinh dòng cùng chiều van; và trị số điện áp của tải phải lớn hơn điện áp tức thời từ phía nguồn lưới nhằm đảm bảo cho các van bán dẫn phân cực thuận.

  5. Vì sao tác giả lựa chọn phương pháp điều khiển chung cho hai bộ chỉnh lưu cầu mắc song song ngược dù phương pháp này làm xuất hiện dòng điện cân bằng?
    Mặc dù phương pháp điều khiển chung làm phát sinh dòng điện cân bằng quẩn giữa hai bộ biến đổi và đòi hỏi phải lắp thêm cuộn kháng cân bằng cồng kềnh, tác giả vẫn lựa chọn phương án này vì nó cho phép dòng điện phần ứng đảo chiều một cách tự nhiên, êm dịu, không bị trễ thời gian chờ cắt dòng như phương pháp điều khiển riêng, từ đó giữ cho hệ thống có độ ổn định tốc độ cao và đặc tính cơ liên tục trong toàn bộ dải làm việc.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp môn học Truyền động điện đã hoàn thành việc xây dựng cơ sở lý thuyết, phân tích hệ thống và xác lập cấu hình kỹ thuật cho hệ truyền động Thyristor - Động cơ có đảo chiều dùng bộ biến đổi cầu ba pha. Thông qua việc phân tích giải tích máy điện và điện tử công suất, tác giả đã chứng minh tính tối ưu của giải pháp điều khiển chung trên sơ đồ chỉnh lưu kép kết hợp các mạch bảo vệ quá nhiệt, quá dòng và quá áp. Đây là tài liệu tổng hợp có tính chuẩn mực về mặt lý thuyết giải tích mạch lực bán dẫn, tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc cho việc tính toán tham số phần cứng chi tiết và thiết kế mạch phát xung điều khiển tự động.