Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của công nghệ vi điện tử và kỹ thuật bán dẫn đã thúc đẩy các ứng dụng điều khiển công suất trong hệ thống truyền động điện công nghiệp. Việc ứng dụng các mạch tích hợp nhỏ gọn, độ tin cậy cao cùng các phần tử bán dẫn công suất cho phép tối ưu hóa quá trình điều khiển, giảm thiểu tổn thất năng lượng và nâng cao năng suất vận hành máy móc sản xuất. Trong môn học Đồ án truyền động điện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên (năm 2022), tác giả đã thực hiện đề tài "Thiết kế hệ truyền động điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha sử dụng bộ điều áp xoay chiều" dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định bao gồm ba nội dung chính:

  1. Phân tích, so sánh các phương án truyền động điện và phương pháp điều chỉnh tốc độ nhằm lựa chọn cấu hình truyền động, loại động cơ và giải pháp hãm dừng phù hợp với yêu cầu công nghệ.
  2. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển hệ thống truyền động sử dụng bộ điều áp xoay chiều ba pha dùng Thyristor theo nguyên tắc điều khiển pha đứng tuyến tính.
  3. Tính toán, kiểm nghiệm và lựa chọn các thiết bị điện lực (van Thyristor, khí cụ đóng cắt - bảo vệ Aptomat, mạch dập xung $RC$) cùng cuộn kháng lọc cho đối tượng truyền động cụ thể là động cơ không đồng bộ ba pha công suất $12\text{ kW}$.

Đối tượng nghiên cứu là hệ truyền động điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha roto dây quấn thông qua bộ điều áp xoay chiều ba pha gồm 6 Thyristor đấu song song ngược. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tính toán lý thuyết, thiết kế sơ đồ nguyên lý phần cứng và lựa chọn linh kiện theo các tiêu chuẩn kỹ thuật điện tử công suất hiện hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Đề tài được xây dựng dựa trên các cơ sở lý thuyết chuyên ngành về máy điện và điện tử công suất:

  • Lý thuyết máy điện không đồng bộ ba pha: Nguyên lý cảm ứng điện từ tạo từ trường quay với tốc độ đồng bộ $n_1 = 60f/p$, quan hệ trượt $s = (n_1 - n)/n_1$ và đặc tính cơ phụ thuộc bậc hai vào điện áp cấp nguồn ($M_{th} \sim U^2$).
  • Lý thuyết bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha: Nguyên lý thay đổi giá trị hiệu dụng của điện áp cấp cho phụ tải ở tần số không đổi ($f = \text{const}$) bằng cách thay đổi góc kích mở $\alpha$ của các van bán dẫn; giải tích dạng sóng dòng điện, điện áp và khai triển chuỗi Fourier sóng hài bậc cao.
  • Nguyên tắc điều khiển pha đứng tuyến tính: So sánh điện áp tựa răng cưa $U_{rc}$ (đồng bộ với điện áp lưới) với điện áp điều khiển một chiều $U_{đk}$ để xác định chính xác thời điểm phát xung kích mở van.

Phương pháp nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật thực tế được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - so sánh kỹ thuật kinh tế: Đánh giá ưu nhược điểm giữa động cơ một chiều và xoay chiều; so sánh các sơ đồ điều áp ba pha (sơ đồ 6 Thyristor nối nguồn - tải, sơ đồ 3 bộ điều áp một pha nối tam giác, sơ đồ hỗn hợp Thyristor - Diode).
  • Phương pháp giải tích mạch điện tử công suất: Tính toán dòng điện hiệu dụng qua van, điện áp ngược cực đại, tổn hao nhiệt trên van và xác định diện tích cánh tản nhiệt $S_m$.
  • Phương pháp thiết kế mạch chức năng: Xây dựng mạch điều khiển theo sơ đồ khối (đồng pha, tích phân tạo sóng răng cưa, so sánh dùng khuếch đại thuật toán, tạo xung chùm và tầng khuếch đại công suất Darlington qua biến áp xung).
  • Phương pháp tổng hợp bộ lọc: Khai triển chuỗi Fourier xác định biên độ thành phần sóng hài bậc một ($k=1$, tần số $300\text{ Hz}$) để tính toán trị số điện cảm cuộn kháng lọc nối tiếp đảm bảo hệ số đập mạch $I_\sim \le 0,1$.

Nguồn dữ liệu tính toán dựa trên các công thức giải tích chuẩn trong giáo trình Điện tử công suất, Truyền động điện và thông số từ sổ tay tra cứu linh kiện bán dẫn công nghiệp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Phân tích lựa chọn phương án truyền động

Chương này tập trung đánh giá toàn diện các chủng loại động cơ và cấu hình mạch biến đổi để chọn ra phương án truyền động tối ưu:

  • Lựa chọn loại động cơ: Tác giả so sánh động cơ một chiều (kích từ độc lập, nối tiếp, song song, hỗn hợp) với động cơ xoay chiều (đồng bộ và không đồng bộ). Động cơ một chiều có dải điều chỉnh rộng nhưng giá thành cao, cấu tạo phức tạp và tốn kim loại màu. Động cơ đồng bộ có hiệu suất và hệ số $\cos\varphi$ cao nhưng cấu tạo phức tạp, quá trình mở máy kéo dài. Động cơ không đồng bộ ba pha được lựa chọn nhờ ưu điểm cấu tạo đơn giản, giá thành thấp, vận hành tin cậy trực tiếp từ lưới điện và bảo quản thuận tiện.
  • Lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ: Phân tích phương pháp thay đổi điện áp stato bằng bộ điều áp xoay chiều ba pha. Tác giả khảo sát ba cấu hình mạch: bộ điều áp 6 Thyristor song song ngược giữa nguồn và tải; 3 bộ điều áp một pha ghép tam giác; và sơ đồ hỗn hợp 3 Thyristor kết hợp 3 Diode. Kết luận lựa chọn sơ đồ 6 Thyristor song song ngược vì đảm bảo chất lượng điện áp trên tải cho máy điện quay, tránh sóng hài thứ tự không gây xấu chế độ làm việc của động cơ.
  • Lựa chọn phương pháp hãm dừng: Đề tài chọn phương pháp hãm động năng kích từ độc lập. Khi hãm, cuộn dây stato được cắt khỏi lưới xoay chiều và cấp nguồn một chiều thông qua tiếp điểm đóng cắt $H$, dòng kích từ được điều chỉnh qua biến trở $R_{kt}$, biến động năng tích lũy của hệ thành nhiệt năng tiêu tán.

Chương 2. Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống

Chương 2 trình bày chi tiết sơ đồ nguyên lý và cơ chế hoạt động của mạch động lực cùng mạch điều khiển:

  • Nguyên lý mạch động lực: Phân tích các chế độ dẫn của van khi cấp nguồn cho tải thuần trở $R$ theo ba dải góc mở $\alpha$: chế độ 1 ($0 < \alpha < \pi/3$, có 2 hoặc 3 van dẫn), chế độ 2 ($\pi/3 < \alpha < 2\pi/3$, luôn có 2 van dẫn), chế độ 3 ($2\pi/3 < \alpha < 5\pi/6$, có 2 hoặc không có van nào dẫn). Khi cấp cho tải trở cảm $R-L$ của động cơ, dòng điện liên tục hơn, góc trễ pha giữa dòng điện và điện áp phụ thuộc vào thông số tải.
  • Hệ thống bảo vệ: Thiết lập công thức tính tổn thất công suất trên van $P = \Delta U \cdot I_{lv}$ và tính diện tích bề mặt tỏa nhiệt $S_m = \Delta P / (K_m \cdot \tau)$. Bảo vệ quá dòng sử dụng Aptomat có dòng định mức $I_{đm} = k \cdot I_1$ và dây chảy tác động nhanh. Bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch sử dụng mạch $R_2C_2$ ($R_2 = 5 \div 30,\Omega$, $C_2 = 0,5 \div 4,\mu\text{F}$) và chống xung điện áp từ lưới bằng mạch $R_1C_1$.
  • Cấu tạo và nguyên lý động cơ: Trình bày chi tiết cấu tạo stato (lõi thép lá kỹ thuật điện, dây quấn ba pha) và roto (kiểu roto lồng sóc và roto dây quấn), giải thích mối quan hệ giữa từ trường quay khe hở và dòng cảm ứng roto tạo mômen quay.
  • Phân tích mạch điều khiển: Mạch điều khiển được thiết kế theo nguyên tắc pha đứng tuyến tính gồm 3 khối chức năng:
    • Khối 1: Khâu đồng pha và tích phân tạo điện áp tựa răng cưa $U_{rc}$ sử dụng vi mạch khuếch đại thuật toán (KĐTT) A1 và A2, kết hợp chiết áp $VR_2$ nâng trục điện áp.
    • Khối 2: Khâu so sánh dùng KĐTT A3 để so sánh $U_{rc}$ với điện áp điều khiển $U_{đk}$.
    • Khối 3: Khâu tạo xung và khuếch đại công suất. Tác giả lựa chọn phương pháp phát xung chùm (xung chùm liên tục lấy từ bộ tạo dao động A6 phối hợp qua cổng logic AND $V_{11}$, $V_1$, $V_2$) kết hợp tầng khuếch đại Darlington và biến áp xung cách ly $BA_1, BA_2$. Giải pháp này cho phép loại bỏ mạch đệm xung phức tạp khi góc mở ban đầu mở máy đảm bảo điện áp $U_{mm} = 65% U_{đm}$ (góc mở $\alpha \le 120^\circ$).

Chương 3. Tính chọn thiết bị cho hệ thống

Chương 3 giải quyết bài toán tính toán giải tích và chọn lựa phần tử thực tế cho hệ thống truyền động:

  • Tính chọn van bán dẫn Thyristor: Dựa trên thông số động cơ không đồng bộ roto dây quấn ($P = 12\text{ kW}$, $U = 380\text{ V}$, $n = 1420\text{ vòng/phút}$, $\cos\varphi = 0,8$, $\eta = 0,85$, thời gian mở máy $t_{kđ} = 3\text{ s}$):
    • Dòng điện định mức của động cơ: $I_{đm} = 26,81\text{ A}$.
    • Dòng điện hiệu dụng làm việc qua mỗi Thyristor nối song song ngược: $I_{lv} = 4,122\text{ A}$ (chế độ tĩnh), dòng mở máy quá độ lớn gấp 5-7 lần định mức. Chọn chế độ làm mát bằng cánh tản nhiệt có quạt đối lưu không khí, van làm việc ở mức $50% I_{đm}$.
    • Điện áp ngược cực đại: $U_{lv} = 537,4\text{ V}$, chọn hệ số dự trữ $K_{dt} > 1,6$.
    • Linh kiện được chọn: Thyristor mã hiệu N029RH10.
  • Thiết kế cuộn kháng lọc:
    • Xác định dải điều chỉnh góc mở: $\alpha_{min} = 0^\circ$ (tương ứng $U_{d.max} = U_{đm}$, tốc độ $n_{max} = n_{đm}$); góc mở cực đại tính toán $\alpha_{max} = 80,57^\circ$ (tương ứng tốc độ nhỏ nhất $n_{min}$).
    • Khai triển chuỗi Fourier xác định thành phần sóng hài bậc cao thứ nhất ($k=1$, chu kỳ đập mạch $p=6$, tần số $300\text{ Hz}$), từ đó tính toán điện cảm $L$ của cuộn kháng mắc nối tiếp để hạn chế dòng điện đập mạch $I_\sim \le 0,1 I_{đm}$ và thu hẹp vùng dòng điện gián đoạn.

Thiết kế kỹ thuật và thông số hệ thống

Dưới đây là các bảng tổng hợp thông số kỹ thuật đầu vào của động cơ, thông số tính chọn linh kiện bán dẫn và thiết bị bảo vệ được trích xuất từ văn bản:

Hạng mục thông số Giá trị định mức Đơn vị
Công suất định mức động cơ ($P_{đm}$) 12 $\text{kW}$
Điện áp định mức ($U_{đm}$) 380 $\text{V}$
Tốc độ định mức ($n_{đm}$) 1420 $\text{vòng/phút}$
Hệ số công suất ($\cos\varphi$) 0,8 -
Hiệu suất động cơ ($\eta$) 0,85 -
Thời gian mở máy ($t_{kđ}$) 3 $\text{s}$
Kiểu đấu dây stato Hình sao ($Y$) -
Dòng điện định mức động cơ ($I_{đm}$) 26,81 $\text{A}$

Bảng 1: Thông số kỹ thuật của động cơ không đồng bộ ba pha được thiết kế

Thông số kỹ thuật Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Mã hiệu linh kiện - N029RH10 -
Điện áp định mức cực đại $U_{đm}$ 1000 $\text{V}$
Dòng điện định mức $I_{đm}$ 30 $\text{A}$
Điện áp điều khiển kích mở $U_{đk}$ 2,5 $\text{V}$
Dòng điện điều khiển kích mở $I_{đk}$ 0,15 $\text{A}$
Dòng duy trì $I_{TG}$ 160 $\text{mA}$
Dòng điện xung cực đại cho phép $I_x$ 0,5 $\text{kA}$
Dòng điện rò $I_{dò}$ 5 $\text{mA}$
Sụt áp thuận trên van $\Delta U$ 1,93 $\text{V}$
Nhiệt độ tiếp giáp cho phép $T_{cp}$ 125 $^\circ\text{C}$

Bảng 2: Thông số kỹ thuật của van bán dẫn Thyristor N029RH10 được lựa chọn

Thiết bị / Phần tử Thông số kỹ thuật lựa chọn Chức năng bảo vệ
Aptomat (AT) $I_{đm} = (1,1 \div 1,3) I_{đm_tải}$; $I_{QĐ} < I_{ATNM} < I_{xv}$ Đóng cắt mạch lực, bảo vệ ngắn mạch và quá tải
Dây chảy tác động nhanh Định mức theo dòng làm việc van Bảo vệ ngắn mạch sự cố van Thyristor
Mạch $R_1C_1$ Mắc song song nguồn đầu vào Hấp thụ xung quá điện áp từ lưới xoay chiều
Mạch $R_2C_2$ $R_2 = 5 \div 30,\Omega$; $C_2 = 0,5 \div 4,\mu\text{F}$ Triệt tiêu quá điện áp chuyển mạch trên cực van
Hệ thống tản nhiệt Cánh nhôm tản nhiệt kết hợp quạt gió cưỡng bức Đảm bảo nhiệt độ tiếp giáp van không vượt quá $125^\circ\text{C}$
Cuộn kháng lọc Tính toán theo $\alpha_{max} = 80,57^\circ$, $I_\sim \le 0,1$ Giảm sóng hài bậc cao, hạn chế gián đoạn dòng điện

Bảng 3: Cấu hình khí cụ bảo vệ và thiết bị phụ trợ trong hệ thống

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Hoàn thành thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ truyền động: Xây dựng cấu trúc hoàn chỉnh từ mạch động lực 6 Thyristor mắc song song ngược đến mạch điều khiển pha đứng tuyến tính sử dụng vi mạch khuếch đại thuật toán và biến áp xung cách ly.
  • Tối ưu hóa phương pháp cấp xung: Chứng minh và áp dụng thành công phương pháp phát xung chùm thay thế cho sơ đồ xung đơn kèm mạch đệm xung phức tạp, phù hợp với chế độ khởi động động cơ ở mức $65% U_{đm}$ với dải góc mở $\alpha \le 120^\circ$.
  • Xác lập bảng tính toán định lượng chính xác: Lựa chọn thành công dòng van thương phẩm N029RH10 ($1000\text{ V} - 30\text{ A}$) đáp ứng điều kiện quá dòng mở máy ($I_x = 0,5\text{ kA}$) và quá áp lưới; xác định dải góc mở từ $\alpha_{min} = 0^\circ$ đến $\alpha_{max} = 80,57^\circ$ và phương pháp tính toán cuộn kháng lọc triệt tiêu sóng hài bậc cao.
  • Đóng góp về mặt kỹ thuật: Cung cấp tài liệu thiết kế có tính hệ thống, kết hợp chặt chẽ giữa tính toán lý thuyết giải tích máy điện - điện tử công suất với việc lựa chọn thiết bị thực tế có tính dự phòng an toàn cao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế kỹ thuật được nêu trực tiếp trong văn bản gồm:

  • Hệ số công suất $\cos\varphi$ của hệ điều áp xoay chiều ba pha nhìn chung thấp, đặc biệt khi làm việc ở các góc mở $\alpha$ lớn.
  • Khi điều chỉnh góc mở tăng, biên độ sóng hài bậc cao tăng lên gây hiện tượng đập mạch điện áp và dòng điện, làm tăng tổn hao phụ dưới dạng nhiệt và gây dao động mômen trong động cơ.
  • Các van bán dẫn có đặc tính phi tuyến và khả năng chịu quá tải nhiệt, quá tải dòng kém, nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ môi trường.

Hướng nghiên cứu mở rộng được suy diễn từ phạm vi đề tài:

  • Khảo sát các giải pháp nâng cao hệ số công suất và bổ sung mạch lọc tích cực để triệt tiêu sóng hài bậc cao.
  • Nghiên cứu số hóa mạch điều khiển bằng việc ứng dụng vi điều khiển hoặc vi xử lý chuyên dụng (DSP) để phát xung điều khiển chính xác, tích hợp các thuật toán bảo vệ và điều khiển vòng kín dòng điện, tốc độ.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện tử công suất: Phục vụ trực tiếp cho việc thực hiện đồ án môn học Điện tử công suất, Đồ án Truyền động điện và Khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành.
  • Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện công nghiệp: Tham khảo phương pháp tính chọn van bán dẫn, thiết kế hệ thống tản nhiệt, tính chọn mạch bảo vệ $RC$, Aptomat và quy trình thiết kế mạch điều khiển pha đứng tuyến tính dùng vi mạch tương tự.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lại lựa chọn cấu hình 6 Thyristor mắc song song ngược nối giữa nguồn và tải thay vì sơ đồ nối tam giác 3 bộ điều áp một pha?
Trả lời: Vì sơ đồ ba bộ điều áp một pha nối tam giác làm xuất hiện các sóng điều hòa bậc ba và bội ba chạy quẩn trong mạch pha của tải, tạo nên hệ thống thứ tự không gây xấu chế độ làm việc của máy điện quay (gây tổn hao và mômen dao động). Cấu hình 6 Thyristor song song ngược giữa nguồn và tải đảm bảo chất lượng điện áp tốt hơn cho động cơ.

2. Giải pháp điều khiển bằng chùm xung mang lại ưu điểm gì so với điều khiển bằng xung đơn trong hệ thống này?
Trả lời: Khi động cơ khởi động, hệ số $\cos\varphi$ và góc trễ giữa dòng điện và điện áp luôn thay đổi. Điều khiển bằng xung đơn đòi hỏi phải có thêm mạch đệm xung giữa các pha rất phức tạp khi dòng điện gián đoạn. Phương pháp xung chùm duy trì tín hiệu mở liên tục trong khoảng dẫn cho phép các van tự động mở ngay khi đủ điều kiện điện áp thuận mà không cần mạch đệm xung riêng biệt (đặc biệt khi góc mở mở máy $\alpha \le 120^\circ$ ứng với $U_{mm} = 65% U_{đm}$).

3. Động cơ không đồng bộ dùng để tính chọn thiết bị trong đồ án có các thông số định mức nào?
Trả lời: Động cơ được chọn có công suất định mức $P_{đm} = 12\text{ kW}$, điện áp dây $U_{đm} = 380\text{ V}$ (đấu sao $Y$), tốc độ định mức $n_{đm} = 1420\text{ vòng/phút}$, hệ số công suất $\cos\varphi = 0,8$, hiệu suất $\eta = 0,85$, dòng điện định mức tính toán $I_{đm} = 26,81\text{ A}$ và thời gian mở máy $t_{kđ} = 3\text{ s}$.

4. Mã hiệu Thyristor được lựa chọn là gì và các thông số chịu đựng chính của linh kiện này ra sao?
Trả lời: Đồ án lựa chọn Thyristor mã hiệu N029RH10 với các thông số định mức: điện áp định mức $U_{đm} = 1000\text{ V}$, dòng điện định mức $I_{đm} = 30\text{ A}$, dòng điện xung cho phép $I_x = 0,5\text{ kA}$, điện áp điều khiển $U_{đk} = 2,5\text{ V}$, dòng điều khiển $I_{đk} = 0,15\text{ A}$, sụt áp thuận $\Delta U = 1,93\text{ V}$ và nhiệt độ tiếp giáp cho phép $T_{cp} = 125^\circ\text{C}$.

5. Dải góc mở của bộ điều áp được tính toán trong giới hạn nào và vai trò của cuộn kháng lọc nối tiếp là gì?
Trả lời: Góc mở được xác định trong dải từ $\alpha_{min} = 0^\circ$ (ứng với điện áp tải cực đại và tốc độ định mức) đến $\alpha_{max} = 80,57^\circ$ (ứng với tốc độ điều chỉnh nhỏ nhất). Cuộn kháng lọc mắc nối tiếp có tác dụng giảm độ đập mạch của dòng điện ($I_\sim \le 0,1 I_{đm}$) do sóng hài bậc cao gây ra, giảm tổn hao nhiệt phụ trong máy điện và hạn chế vùng làm việc dòng điện gián đoạn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế hệ truyền động điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha $12\text{ kW}$ sử dụng bộ điều áp xoay chiều ba pha dùng 6 Thyristor song song ngược. Bằng việc áp dụng nguyên tắc điều khiển pha đứng tuyến tính kết hợp giải pháp phát xung chùm và các mạch bảo vệ quá nhiệt, quá áp, quá dòng đa tầng, hệ thống đảm bảo vận hành tin cậy và hạn chế tối đa độ phức tạp của mạch lực. Toàn bộ các bước giải tích và lựa chọn linh kiện thực tế N029RH10 cùng cuộn kháng lọc cung cấp nguồn tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng cho sinh viên và kỹ sư ngành Điện - Tự động hóa.