Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công cuộc công nghiệp hóa – hiện đại hóa, động cơ điện đóng vai trò then chốt trong hầu hết các dây chuyền sản xuất công nghiệp và hệ thống truyền động cơ điện. Để đáp ứng các quy trình công nghệ phức tạp, các hệ truyền động đòi hỏi phải điều khiển chính xác vận tốc, có khả năng đảo chiều quay linh hoạt, rút ngắn thời gian quá độ và hạn chế tối đa độ quá điều chỉnh. Sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn công suất và kỹ thuật điều khiển tự động đã mở ra khả năng xây dựng các bộ biến đổi tĩnh có hiệu suất cao, thay thế dần các hệ thống máy điện quay truyền thống.

Đồ án tốt nghiệp môn Truyền động điện tập trung giải quyết nhiệm vụ: "Thiết kế, tính toán sơ đồ nguyên lý điều khiển có đảo chiều tốc độ động cơ điện một chiều có công suất 7,5 kW. Hệ dùng bộ biến đổi tia ba pha có điều khiển", do sinh viên thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Thị Thu Hiền tại Thái Nguyên (năm 2022).

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án được xác định cụ thể gồm:

  1. Phân tích, so sánh các loại động cơ và các bộ biến đổi để lựa chọn cấu hình hệ truyền động tối ưu về kỹ thuật và kinh tế.
  2. Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển cho hệ truyền động có đảo chiều dùng bộ biến đổi tia ba pha có điều khiển.
  3. Tính toán chi tiết các thông số mạch lực: máy biến áp động lực, van thyristor, hệ thống tản nhiệt và các thiết bị bảo vệ quá dòng, quá áp.
  4. Tính toán, thiết kế từng khâu chức năng của mạch điều khiển phát xung theo nguyên tắc khống chế pha đứng, mạch nguồn nuôi và mạch vòng phản hồi tốc độ.
  5. Xây dựng phương trình đặc tính tĩnh và kiểm nghiệm chỉ tiêu chất lượng tĩnh của hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu là hệ truyền động van - động cơ một chiều công suất 7,5 kW kết hợp bộ biến đổi chỉnh lưu tia ba pha điều khiển chung. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc tính toán thiết kế sơ đồ nguyên lý kỹ thuật, lựa chọn thiết bị công nghiệp theo chỉ tiêu tải tĩnh và kiểm tra độ ổn định tĩnh trong điều kiện vận hành tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng các lý thuyết nền tảng của môn học Truyền động điện và Điện tử công suất:

  • Phương trình đặc tính cơ - điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: $$\omega = \frac{U_x}{K\Phi_{\text{đm}}} - \frac{R_{\text{ư}}}{K\Phi_{\text{đm}}} I_{\text{ư}} = \frac{U_x}{K\Phi_{\text{đm}}} - \frac{R_{\text{ư}}}{(K\Phi_{\text{đm}})^2} M$$ Biểu thức này làm cơ sở cho phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp mạch phần ứng dưới tốc độ cơ bản, giữ từ thông không đổi.
  • Lý thuyết chỉnh lưu điều khiển hình tia ba pha: xác định các biểu thức điện áp trung bình trên tải, điện áp ngược cực đại đặt lên van ($U_{\text{ng}} = \sqrt{6}U_2$), dòng điện trung bình qua van ($I_v = I_d/3$), và số lần đập mạch trong một chu kỳ bằng 3.
  • Nguyên lý điều khiển chung hai bộ chỉnh lưu kép mắc song song ngược theo phối hợp điều khiển tuyến tính: $$\alpha_1 + \alpha_2 = 180^\circ$$ nhằm tạo điều kiện cho dòng điện phần ứng đảo chiều nhanh chóng, triệt tiêu dòng cân bằng bằng cuộn kháng cân bằng $L_c$.
  • Nguyên tắc phát xung khống chế pha đứng: so sánh điện áp tựa hình răng cưa $U_{\text{rc}}$ đồng bộ với lưới điện và điện áp điều khiển một chiều $U_{\text{đk}}$ để xác định góc mở van $\alpha$.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích so sánh kỹ thuật - kinh tế và phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật điện:

  • Phương pháp phân tích - lựa chọn: Đánh giá ưu nhược điểm định tính giữa động cơ xoay chiều và động cơ một chiều; giữa 4 cấu hình bộ biến đổi (máy điện, điện từ, chỉnh lưu bán dẫn, băm xung áp); giữa phương pháp điều khiển chung và điều khiển riêng; giữa 3 nguyên tắc phát xung (pha đứng, pha ngang, điốt hai cực gốc UJT).
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật: Áp dụng các công thức giải tích chuyên ngành để tính toán máy biến áp lực, tính chọn van bán dẫn kèm hệ số dự trữ ($K_{\text{dtu}} = 1,6 \div 2$; $K_i = 1,1 \div 1,4$), tính bề mặt tản nhiệt theo điều kiện cân bằng nhiệt đối lưu - bức xạ, và tính toán thông số từng tầng mạch khuếch đại, máy biến áp xung.
  • Nguồn dữ liệu sử dụng: Thông số danh định cho trước của động cơ một chiều 7,5 kW; các tiêu chuẩn điện áp lưới xoay chiều 380V/50Hz; số liệu tra cứu từ sổ tay linh kiện bán dẫn công suất và thiết bị khí cụ điện (bảng tra van thyristor XT2116-801, transistor S310, điốt zener 1W3815, KU139A, vi mạch ổn áp 7815, 7915).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kỹ thuật được thiết kế tích hợp hoàn chỉnh giữa mạch động lực và mạch điều khiển tương tự vi điện tử:

Mạch động lực

Mạch lực sử dụng máy biến áp ba pha ba trụ đấu dây $\Delta/\text{Y}$ làm nhiệm vụ hạ áp và cách ly, cấp nguồn cho hai bộ chỉnh lưu tia ba pha gồm 6 van thyristor mắc song song ngược. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập nhận điện áp từ đầu ra bộ chỉnh lưu qua các cuộn kháng cân bằng $L_c$. Chiều quay của động cơ được đảo chiều thông qua việc điều khiển góc mở của hai nhóm van mà không cần tiếp điểm cơ khí đảo mạch phần ứng.

Thông số thiết kế mạch lực Giá trị tính toán / lựa chọn Đơn vị
Điện áp sơ cấp máy biến áp ($U_1$) 380 V
Điện áp không tải chỉnh lưu ($U_{d0}$) 237,61 V
Điện áp thứ cấp máy biến áp ($U_2$) 203,08 V
Dòng điện hiệu dụng thứ cấp ($I_2$) 48,58 A
Mã hiệu van thyristor lực XT2116 - 801 -
Dòng điện định mức của van ($I_{\text{đm}}$) 50 A
Điện áp ngược cực đại của van ($U_{\text{nv}}$) 800 V
Độ sụt áp trên van ($\Delta U$) 2 V
Dòng điện rò ($I_r$) 10 mA
Điện áp điều khiển mở van ($U_{\text{đk}}$) 3 V
Dòng điện điều khiển mở van ($I_{\text{đk}}$) 0,1 A

Mạch điều khiển

Mạch điều khiển được xây dựng theo cấu trúc đa kênh (mỗi thyristor có một kênh phát xung riêng) hoạt động theo nguyên tắc khống chế pha đứng, bao gồm các khối chức năng:

  • Khối đồng bộ hóa và phát sóng răng cưa: Sử dụng máy biến áp đồng pha 380/220V đấu dây $\Delta/\text{Y}$ kết hợp mạch tích phân dùng khuếch đại thuật toán (KĐTT) vi điện tử nạp xả tụ điện $C = 220\text{ nF}$ để tạo điện áp răng cưa tuyến tính có độ dài tới $180^\circ$.
  • Khối so sánh: KĐTT so sánh điện áp tựa răng cưa với điện áp điều khiển $U'{\text{đk}}$ (tạo ra từ khâu biến đổi để đảo ngược cực tính với $U{\text{đk}}$), lật trạng thái khi biên độ hai tín hiệu bằng nhau.
  • Khối sửa và khuếch đại xung: Tầng sửa xung định hình độ rộng xung dương nhờ chu trình phóng nạp của tụ $C_2$ và khóa transistor $\text{Tr}_2$. Tầng khuếch đại công suất cấu hình Darlington ghép biến áp xung (BAX) có tỉ số biến áp $m = 2$, lõi sắt từ thể tích $V = 3\text{ cm}^3$ ($B_S = 2,2\text{ T}$, $\Delta B = 1,7\text{ T}$).
  • Khối nguồn nuôi và phản hồi: Mạch cấp nguồn đối xứng $\pm 15\text{V}$ sử dụng biến áp chỉnh lưu cầu và hai vi mạch ổn áp 7815 và 7915, kết hợp tụ lọc sóng hài $C = 470\ \mu\text{F} / 35\text{V}$. Hệ thống sử dụng mạch vòng phản hồi âm tốc độ từ máy phát tốc (FT) gắn đồng trục với động cơ và mạch phản hồi âm dòng có ngắt nhằm nâng cao độ cứng đặc tính cơ và bảo vệ quá tải.

Mạch bảo vệ

  • Bảo vệ quá nhiệt: Thiết kế bộ cánh tản nhiệt nhôm gồm 12 cánh tản nhiệt tự nhiên, tổng diện tích bức xạ và đối lưu đạt $S_n = 0,16\text{ m}^2$, khống chế độ chênh lệch nhiệt độ $\tau = 40^\circ\text{C}$ so với môi trường khi nhiệt độ làm việc của van là $80^\circ\text{C}$.
  • Bảo vệ quá áp: Mắc mạch $R-C$ song song với từng thyristor để hấp thụ năng lượng giải phóng từ quá trình tích tụ điện tích khi khóa cưỡng bức; bố trí mạch lọc $R-C$ ở đầu vào xoay chiều để dập xung sét và xung quá áp do đóng cắt biến áp.
  • Bảo vệ ngắn mạch và quá dòng: Bố trí aptomat ở đầu vào sơ cấp (dòng chỉnh định ngắn mạch $I_{\text{nm}} = 2,5 I_{\text{đm}}$, quá tải $I_{\text{qt}} = 1,5 I_{\text{đm}}$) và các nhóm cầu chì tác động nhanh (1CC, 2CC, 3CC) bảo vệ ngắn mạch van và ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Phân tích lựa chọn phương án truyền động

Chương 1 khảo sát tổng quan và so sánh các giải pháp công nghệ cho hệ truyền động điện:

  • Lựa chọn loại động cơ: Tác giả đối chiếu động cơ xoay chiều (không đồng bộ lồng sóc, đồng bộ) với động cơ một chiều (kích từ nối tiếp, song song, hỗn hợp, độc lập). Động cơ xoay chiều có giá thành hạ nhưng điều chỉnh tốc độ phức tạp, trong khi động cơ một chiều kích từ độc lập có từ thông không phụ thuộc tải, dải điều chỉnh rộng, điều chỉnh trơn và đặc tính cơ có độ cứng cao. Do đó, tác giả lựa chọn động cơ một chiều kích từ độc lập.
  • Lựa chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ: So sánh 3 phương pháp (thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng, thay đổi từ thông, thay đổi điện áp phần ứng). Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng được chọn vì cho phép điều chỉnh triệt để từ không tải lý tưởng đến đầy tải, giữ nguyên độ cứng đặc tính cơ, dải điều chỉnh rộng $D$, giảm sai lệch tĩnh và phù hợp với tải phản kháng có mômen cản không đổi ($M_c = \text{const}$).
  • Lựa chọn bộ biến đổi: Đánh giá 4 hệ thống (máy điện F-Đ, khuếch đại từ, chỉnh lưu bán dẫn Thyristor T-Đ, bộ băm xung áp Tranzitor/Thyristor). Hệ thống chỉnh lưu Thyristor - Động cơ (CL-Đ) được chọn do tính tác động nhanh, gọn nhẹ, hiệu suất cao, dễ tạo hệ vòng kín tự động hóa, dù tồn tại nhược điểm hệ số công suất $\cos\varphi$ thấp và điện áp đập mạch.
  • Lựa chọn phương pháp hãm dừng: Chọn phương pháp hãm động năng kích từ độc lập (cắt phần ứng khỏi nguồn và đóng vào điện trở hãm, giữ nguyên mạch kích từ), biến động năng tích lũy thành nhiệt năng tiêu tán trên điện trở hãm, năng lượng tiêu thụ từ lưới chỉ dành cho cuộn kích từ.

Chương 2: Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống

Chương 2 mô tả chi tiết cấu trúc phần cứng và nguyên lý hoạt động của các khối chức năng:

  • Mạch động lực chỉnh lưu tia ba pha: Trình bày sơ đồ dùng biến áp ba pha đấu $\Delta/\text{Y}$ cấp cho 3 van thyristor $T_1, T_2, T_3$. Phân tích chu trình chuyển mạch tự nhiên và cưỡng bức theo từng khoảng $1/3$ chu kỳ lưới, dòng tải liên tục qua tải có điện cảm lớn ($R_d, L_d, E_d$). Sụt áp trên van nhỏ do mỗi thời điểm chỉ có một van dẫn, tuy nhiên hiệu suất sử dụng máy biến áp chưa cao so với sơ đồ cầu.
  • Cấu tạo động cơ điện một chiều: Thuyết minh cấu trúc stator (gông từ, cực từ chính bọc cách điện tẩm sơn, cực từ phụ cải thiện đổi chiều, nắp gang, cơ cấu giá đỡ chổi than) và rotor (lõi thép hợp kim silic dày $0,5\text{ mm}$ có dập lỗ thông gió, dây quấn phần ứng cách điện nêm rãnh, cổ góp phiến đồng cách điện mica $0,2\text{ mm}$, cánh quạt làm mát).
  • Phương án đảo chiều quay: Phân tích giải pháp đảo chiều dòng kích từ và đảo chiều dòng phần ứng. Tác giả chọn phương pháp đảo chiều dòng phần ứng bằng hai bộ chỉnh lưu thyristor mắc song song ngược điều khiển chung theo nguyên tắc tuyến tính $\alpha_1 + \alpha_2 = 180^\circ$. Giải pháp này loại bỏ tiếp điểm cơ khí, quá trình đảo chiều diễn ra êm và nhanh, duy trì độ ổn định tốc độ tốt trong toàn dải làm việc, chấp nhận trang bị thêm cuộn kháng cân bằng $L_c$ để ngăn dòng tuần hoàn.
  • Thiết kế mạch điều khiển khống chế pha đứng: Thuyết minh cấu tạo 3 khối chức năng vi điện tử, phân tích chi tiết mạch tạo điện áp răng cưa dùng KĐTT vi điện tử có dòng nạp tụ ổn định, mạch so sánh lật trạng thái, mạch sửa xung giới hạn độ rộng xung mở và tầng khuếch đại Darlington cấp tín hiệu cho biến áp xung.

Chương 3: Tính toán và chọn thiết bị cho hệ thống

Chương 3 tập trung tính toán định lượng các phần tử trong hệ thống dựa trên thông số động cơ cho trước:

  • Thông số động cơ: Công suất định mức $P_{\text{đm}} = 7,5\text{ kW}$; điện áp định mức $U_{\text{đm}} = 220\text{ V}$; dòng điện phần ứng định mức $I_{\text{đm}} = 59,5\text{ A}$; tốc độ định mức $n_{\text{đm}} = 1500\text{ vg/ph}$; mômen quán tính $J_d = 0,085\text{ kgm}^2$; điện trở phần ứng $R = 2,775\ \Omega$; điện cảm phần ứng $L = 0,0961\text{ H}$.
  • Tính toán máy biến áp lực:
    • Điện áp sơ cấp: $U_1 = 380\text{ V}$.
    • Góc dự trữ suy giảm điện áp lưới: $\alpha_{\min} = 10^\circ$; sụt áp van $\Delta U_v = 1,5\text{ V}$; sụt áp biến áp $\Delta U_{\text{BA}} = 5% U_d = 11\text{ V}$.
    • Tính ra điện áp không tải: $U_{d0} = \frac{220 + 2\cdot 1,5 + 11}{\cos 10^\circ} = 237,61\text{ V}$.
    • Điện áp thứ cấp: $U_2 = \frac{U_{d0}}{K_u} = \frac{237,61}{1,17} = 203,08\text{ V}$.
    • Dòng điện hiệu dụng thứ cấp: $I_2 = \sqrt{\frac{2}{3}} I_d = \sqrt{\frac{2}{3}} \cdot 59,5 = 48,58\text{ A}$.
  • Tính chọn van bán dẫn lực: Tính toán điện áp ngược và dòng làm việc, tra phụ lục chọn van thyristor loại XT2116 - 801 ($I_{\text{đm}} = 50\text{ A}$, $U_{\text{nv}} = 800\text{ V}$, $\Delta U = 2\text{ V}$, $I_r = 10\text{ mA}$, $U_{\text{đk}} = 3\text{ V}$, $I_{\text{đk}} = 0,1\text{ A}$).
  • Tính chọn tản nhiệt và thiết bị bảo vệ: Tổn thất công suất trên 1 thyristor $\Delta P = 51,77\text{ W}$, diện tích tản nhiệt yêu cầu $S_n = 0,16\text{ m}^2$, chọn cánh tản nhiệt 12 cánh. Tính chọn aptomat 3 tiếp điểm ($I_{\text{nm}} = 2,5 I_1$, $I_{\text{qt}} = 1,5 I_1$), cầu dao đóng cắt an toàn và các nhóm dây chảy tác động nhanh (1CC, 2CC, 3CC).
  • Tính chọn linh kiện mạch điều khiển:
    • Diode $D_4$ điều khiển thyristor 91RC60 ($U_S = 7\text{ V}$, $I_g = 300\text{ mA}$). Transistor $D_4$ loại S310 ($U_{\text{CE}} = 40\text{ V}$, $U_{\text{BE}} = 3\text{ V}$, $I_{c\max} = 300\text{ mA}$, $\beta = 20$), tính ra điện trở $R_c = 14,667\ \Omega$.
    • Diode zener $D_z$ loại 1W3815 ($I_{\max} = 264\text{ mA}$, $U_{\text{0N}} = 16\text{ V}$, $P_{\max} = 2\text{ W}$); diode zener $D_{z1}$ loại KU139A ($U = 3,7\text{ V}$, $I_{\max} = 70\text{ mA}$, $I_{\min} = 30\text{ mA}$), tính ra điện trở $R_2 = 186\ \Omega$.
    • Máy biến áp đồng pha: tỉ số $n = 4,133$, $U_{2\max} = 91,954\text{ V}$, dòng đồng bộ $I_5 = 200\ \mu\text{A}$, điện trở $R_5 = 0,46\text{ M}\Omega$, dòng sơ cấp $I_1 = 48,397\ \mu\text{A}$.
    • Biến áp xung: Tỉ số biến áp $m = 2$, $U_X = 7,6\text{ V}$, dòng sơ cấp $I_1 = 150\text{ mA}$, lõi sắt từ hình chữ nhật có thể tích $V = 3\text{ cm}^3$ ($l = 2\text{ cm}$, $a = 1,5\text{ cm}$).
  • Xây dựng đặc tính tĩnh và kiểm nghiệm chất lượng: Xây dựng quan hệ tốc độ và dòng điện $n = f(I_{\text{ư}})$, điện áp đặt tốc độ $U_{\text{cđ}} = 11,4\text{ V}$. Xác định đường đặc tính cơ cao nhất đi qua điểm định mức $A (7,5; 1500)$ và điểm không tải lý tưởng $B (0; 1494,4)$. Tính toán sai lệch tĩnh đạt $S_T% = 0,9%$, nhỏ hơn sai lệch cho phép $[S_T%] = 5%$, kết luận hệ thống thỏa mãn yêu cầu chất lượng tĩnh.

Chương 4: Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Chương 4 tổng hợp toàn bộ sơ đồ cấu trúc và thuyết minh quy trình vận hành:

  • Đóng aptomat cấp nguồn xoay chiều ba pha đồng thời cho mạch kích từ động cơ, máy biến áp lực và mạch nguồn nuôi điều khiển.
  • Mạch đồng bộ hóa và phát xung răng cưa hoạt động, tạo điện áp tựa so sánh với điện áp điều khiển để xuất chuỗi xung điều khiển qua mạch Darlington và biến áp xung đến mở cực điều khiển $G$ của các thyristor tương ứng.
  • Tùy thuộc vào cực tính của tín hiệu điều khiển, bộ biến đổi thứ nhất ($G_1$) làm việc ở chế độ chỉnh lưu cấp dòng quay thuận, trong khi bộ thứ hai ($G_2$) ở trạng thái chờ nghịch lưu; khi đảo chiều tín hiệu điều khiển, trạng thái hai bộ van hoán đổi nhịp nhàng để đảo chiều quay động cơ một cách liên tục.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn việc tính toán và thiết kế hệ thống truyền động điện một chiều có đảo chiều công suất 7,5 kW với các chỉ tiêu định lượng cụ thể:

Hạng mục thiết bị / Thông số Kết quả thiết kế Đơn vị Ghi chú
Công suất động cơ định mức 7,5 kW $U_{\text{đm}} = 220\text{ V}, I_{\text{đm}} = 59,5\text{ A}$
Tốc độ làm việc định mức 1500 vg/ph Động cơ một chiều kích từ độc lập
Cấu hình chỉnh lưu mạch lực Tia 3 pha kép song song ngược - 6 thyristor điều khiển chung
Điện áp thứ cấp biến áp lực ($U_2$) 203,08 V Tổ nối dây $\Delta/\text{Y}$
Dòng điện thứ cấp biến áp lực ($I_2$) 48,58 A Làm mát tự nhiên
Mã hiệu thyristor động lực XT2116 - 801 - $I_{\text{đm}} = 50\text{ A}, U_{\text{nv}} = 800\text{ V}$
Diện tích cánh tản nhiệt ($S_n$) 0,16 $\text{m}^2$ 12 cánh tản nhiệt tự nhiên
Điện áp đặt tốc độ khâu chuẩn ($U_{\text{cđ}}$) 11,4 V Cung cấp từ nguồn ổn áp
Điểm đặc tính cơ cao nhất $A(7,5; 1500)$ và $B(0; 1494,4)$ - Tọa độ dòng điện - tốc độ
Độ sụt tốc độ tương đối ($S_T%$) 0,9 % Đạt yêu cầu ($< [S_T%] = 5%$)

Các đóng góp và giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất:

  • Đề xuất áp dụng phương thức điều khiển chung phối hợp tuyến tính $\alpha_1 + \alpha_2 = 180^\circ$ cho sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha kép, giúp loại bỏ hoàn toàn vùng gián đoạn dòng điện khi chuyển trạng thái đảo chiều, bảo đảm hệ thống đảo chiều êm ái và vận hành ổn định trên toàn dải điều chỉnh.
  • Thiết kế mạch phát xung khống chế pha đứng sử dụng linh kiện vi điện tử tương tự kết hợp bộ ổn áp tích hợp 7815/7915, giúp góc mở $\alpha$ ít phụ thuộc vào sự dao động của điện áp lưới xoay chiều và nâng cao độ dốc sườn trước của xung mở thyristor.
  • Kết hợp đồng thời mạch vòng phản hồi âm tốc độ (máy phát tốc) và phản hồi âm dòng điện có ngắt, giúp đặc tính cơ đạt độ cứng cao và kiểm soát độ sụt tốc tĩnh ở mức $0,9%$, đáp ứng tiêu chuẩn công nghệ công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung thuyết minh và phạm vi nghiên cứu của đồ án, các hạn chế và hướng mở rộng được ghi nhận như sau:

Hạn chế tồn tại

  • Sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha có số lần đập mạch thấp (3 lần/chu kỳ), biên độ đập mạch điện áp ra còn lớn dẫn đến thành phần sóng hài bậc cao đáng kể, gây tổn thất phụ trong động cơ và làm giảm hệ số công suất $\cos\varphi$ của lưới điện.
  • Hiệu suất sử dụng máy biến áp lực ở sơ đồ tia ba pha không cao bằng sơ đồ cầu ba pha, cuộn thứ cấp chịu dòng một chiều chạy ngắt quãng gây hiện tượng từ hóa lõi thép máy biến áp.
  • Việc áp dụng phương pháp điều khiển chung làm phát sinh dòng điện cân bằng tuần hoàn giữa hai bộ van, bắt buộc phải lắp thêm các cuộn kháng cân bằng $L_c$, làm tăng kích thước, trọng lượng và giá thành của tủ điện động lực.
  • Toàn bộ kết quả mới dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết và thiết kế sơ đồ nguyên lý trên giấy, chưa có kết quả mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm chuyên dụng (như MATLAB/Simulink hay Proteus) và chưa chế tạo mô hình thực nghiệm vật lý để đo lường các đáp ứng quá độ thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Khảo sát nâng cấp sơ đồ mạch lực từ chỉnh lưu tia ba pha sang sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển nhằm tăng tần số đập mạch lên 6 lần/chu kỳ, cải thiện chất lượng điện áp một chiều và nâng cao hệ số sử dụng máy biến áp.
  • Nghiên cứu thay thế mạch điều khiển tương tự vi điện tử bằng bộ điều khiển số sử dụng vi điều khiển chuyên dụng, DSP hoặc PLC để phát xung số, đơn giản hóa mạch phần cứng và dễ dàng tích hợp các thuật toán điều khiển hiện đại.
  • Tiến hành mô phỏng số hóa toàn bộ hệ thống để khảo sát các chế độ quá độ khi khởi động, hãm dừng, đảo chiều quay và thực hiện kiểm thử thực nghiệm trên mô hình phòng thí nghiệm.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật điện, Tự động hóa, Điện công nghiệp và Cơ điện tử khi thực hiện đồ án môn học Truyền động điện, đồ án Điện tử công suất hoặc khóa luận tốt nghiệp về hệ truyền động van - động cơ một chiều.
  • Cán bộ kỹ thuật, kỹ sư thiết kế tủ điện điều khiển động cơ một chiều công suất nhỏ và vừa trong các cơ sở sản xuất cần tham khảo quy trình tính toán thiết bị lực và mạch phát xung điều khiển tương tự.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất bao gồm:

  • Quy trình tính toán máy biến áp lực và lựa chọn van bán dẫn thyristor kèm hệ số dự trữ điện áp, dòng điện thực tế.
  • Phương pháp tính toán diện tích tản nhiệt cho linh kiện bán dẫn công suất dựa trên tổn hao công suất và hệ số tỏa nhiệt đối lưu - bức xạ.
  • Sơ đồ nguyên lý chi tiết từng tầng của mạch phát xung khống chế pha đứng (tạo răng cưa KĐTT, so sánh, khuếch đại Darlington và biến áp xung).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn động cơ một chiều kích từ độc lập và phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng?

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ cấp nguồn riêng biệt nên từ thông chính $\Phi$ không phụ thuộc vào dòng điện tải, giúp đặc tính cơ có dạng đường thẳng với độ cứng rất cao. Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là phương pháp điều chỉnh triệt để, cho phép thay đổi tốc độ trong toàn bộ vùng tải từ không tải lý tưởng đến định mức, dải điều chỉnh rộng, giữ nguyên độ cứng đặc tính cơ và triệt tiêu sai lệch tĩnh mà không làm phát sinh tổn thất năng lượng phụ như phương pháp thêm điện trở phụ.

2. Sự khác biệt giữa phương pháp điều khiển chung và điều khiển riêng khi đảo chiều hai bộ chỉnh lưu là gì, và tại sao tác giả chọn điều khiển chung?

Ở phương pháp điều khiển riêng, hai bộ van hoạt động tách biệt, khi đảo chiều bắt buộc phải có "thời gian chết" để van ngừng dẫn hoàn toàn trước khi phát xung cho bộ kia, gây gián đoạn đặc tính cơ tại gốc tọa độ và mạch logic phức tạp. Ở phương pháp điều khiển chung, cả hai bộ biến đổi đều nhận xung điều khiển đồng thời theo quy luật tuyến tính $\alpha_1 + \alpha_2 = 180^\circ$ (một bộ chỉnh lưu, một bộ nghịch lưu chờ). Tác giả chọn điều khiển chung vì dòng điện phần ứng đảo chiều một cách tự nhiên, liên tục, hệ thống đạt độ ổn định tốc độ cao trong suốt dải làm việc, chấp nhận nhược điểm phải dùng thêm cuộn kháng cân bằng $L_c$ để hạn chế dòng tuần hoàn.

3. Các thông số định mức của van thyristor được tính chọn trong mạch lực là bao nhiêu?

Qua quá trình tính toán điện áp ngược và dòng điện hiệu dụng có xét hệ số dự trữ, tác giả đã lựa chọn van thyristor loại XT2116 - 801 với các thông số định mức chuẩn: dòng điện định mức $I_{\text{đm}} = 50\text{ A}$, điện áp ngược cực đại $U_{\text{nv}} = 800\text{ V}$, độ sụt áp thuận trên van $\Delta U = 2\text{ V}$, dòng điện rò $I_r = 10\text{ mA}$, điện áp điều khiển mở van $U_{\text{đk}} = 3\text{ V}$ và dòng điện điều khiển $I_{\text{đk}} = 0,1\text{ A}$.

4. Mạch tạo xung điều khiển theo nguyên tắc khống chế pha đứng trong đồ án hoạt động dựa trên các khâu nào?

Mạch điều khiển hoạt động bằng cách so sánh điện áp tựa răng cưa $U_{\text{rc}}$ với điện áp điều khiển $U_{\text{đk}}$, gồm 3 khâu chính:

  • Khâu đồng bộ hóa và phát sóng răng cưa: Dùng biến áp đồng pha $\Delta/\text{Y}$ hạ áp và KĐTT nạp xả tụ điện $C = 220\text{ nF}$ tạo sóng răng cưa tuyến tính có độ dài tới $180^\circ$.
  • Khâu so sánh: Dùng KĐTT so sánh điện áp răng cưa với điện áp điều khiển để xác định chính xác thời điểm lật trạng thái tương ứng với góc mở $\alpha$.
  • Khâu sửa và khuếch đại xung: Dùng mạch định thời phóng nạp qua transistor để tạo xung dương có độ rộng chuẩn, sau đó qua tầng khuếch đại công suất Darlington và biến áp xung ($m = 2$) để truyền xung mở tới cực điều khiển $G$ của thyristor.

5. Kết quả kiểm tra chất lượng tĩnh của hệ thống truyền động đạt chỉ số bao nhiêu?

Sau khi thành lập phương trình đặc tính tĩnh $n = f(I_{\text{ư}})$ với điện áp đặt $U_{\text{cđ}} = 11,4\text{ V}$, đường đặc tính cơ cao nhất đi qua điểm định mức $A(7,5; 1500)$ và điểm không tải $B(0; 1494,4)$. Độ sụt tốc độ tương đối tính toán được là $S_T% = 0,9%$. Giá trị này nhỏ hơn nhiều so với sai số cho phép $[S_T%] = 5%$, chứng minh hệ thống truyền động thiết kế hoàn toàn đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng tĩnh theo yêu cầu công nghệ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật cho hệ truyền động điện động cơ một chiều kích từ độc lập công suất 7,5 kW có đảo chiều tốc độ sử dụng bộ biến đổi tia ba pha có điều khiển. Toàn bộ các thông số máy biến áp lực, van thyristor XT2116-801, hệ thống tản nhiệt, bảo vệ quá dòng/áp và từng khâu của mạch điều khiển phát xung pha đứng đều được tính toán chi tiết và đồng bộ. Kết quả kiểm nghiệm đặc tính tĩnh với độ sụt tốc $S_T% = 0,9%$ khẳng định tính chính xác và khả thi của phương án thiết kế mạch lực cũng như mạch điều khiển vòng kín phản hồi tốc độ. Dù sơ đồ tia ba pha và phương pháp điều khiển chung còn tồn tại hạn chế về độ đập mạch dòng áp và dòng cân bằng tuần hoàn, tài liệu vẫn là nguồn tham khảo kỹ thuật chuẩn xác cho công tác học tập và thiết kế hệ thống truyền động điện công nghiệp.