Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp đòi hỏi các thiết bị điện – điện tử công suất lớn được chế tạo và ứng dụng ngày càng sâu rộng vào các ngành kinh tế trọng điểm và công nghiệp nặng. Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, các dây chuyền sản xuất tự động hóa đặt ra yêu cầu khắt khe về độ ổn định, độ an toàn và độ chính xác của các cơ cấu truyền động. Mặc dù động cơ điện xoay chiều có ưu thế về cấu tạo và công suất, động cơ điện một chiều (DC) vẫn giữ vai trò thiết yếu trong các hệ thống đòi hỏi điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng như máy cán thép, máy công cụ công suất lớn và đầu máy điện. Do đó, việc nghiên cứu các giải pháp biến đổi điện năng để điều khiển động cơ điện một chiều là một nhiệm vụ quan trọng của kỹ thuật điện tử công suất.
Đề tài "Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập" được thực hiện bởi sinh viên Trần Văn Phúc và Dương Đình Tuấn (Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng, năm 2024) dưới sự hướng dẫn của ThS. Phan Thị Thanh Vân. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 6 nội dung chính:
- Nghiên cứu tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập và các phương pháp điều chỉnh tốc độ, tập trung vào phương pháp thay đổi điện áp phần ứng.
- Khảo sát lý thuyết về các sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha (chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu có điều khiển đối xứng và chỉnh lưu điều khiển không đối xứng).
- Thiết kế và tính chọn các phần tử mạch động lực bao gồm van bán dẫn, máy biến áp chỉnh lưu và cuộn kháng lọc.
- Thiết kế và tính chọn các phần tử mạch điều khiển (khâu đồng pha, khâu so sánh, khâu khuếch đại tạo xung, mạch tạo nguồn nuôi và biến áp xung).
- Thiết kế và tính chọn các phần tử mạch bảo vệ quá nhiệt, quá dòng điện và quá điện áp cho van bán dẫn.
- Thiết lập mô hình mô phỏng trên phần mềm (Matlab 2024a, Proteus) và xây dựng quy trình thi công bo mạch in, hàn gắn linh kiện và kiểm thử hệ thống.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng: Hệ truyền động điện biến đổi nguồn xoay chiều ba pha thành nguồn một chiều cấp cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
- Thông số đối tượng động cơ: Công suất định mức $P_{đm} = 13\text{ kW}$; điện áp định mức $U_{đm} = 220\text{ V}$; tốc độ định mức $n_{đm} = 1400\text{ vòng/phút}$; hiệu suất định mức $\eta_{đm} = 0,84$; mômen quán tính $J = 0,5\text{ kg}\cdot\text{m}^2$.
- Nguồn cấp: Lưới điện xoay chiều 3 pha $220/380\text{ V}$, tần số $50\text{ Hz}$.
- Phạm vi dải điều chỉnh tốc độ: $D = 20$. Hệ số dự trữ điện áp $K_u = 1,5 \div 1,8$ (hệ số tính toán chọn $K_{dtU} = 1,8$); hệ số dự trữ dòng điện $K_i = 1,1 \div 1,4$ (chọn $K_i = 1,4$).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết của đồ án dựa trên các mô hình truyền động điện một chiều và nguyên lý biến đổi điện tử công suất:
- Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: $U_ư = E_ư + (R_ư + R_f) I_ư$, trong đó sức điện động phần ứng được xác định qua biểu thức $E_ư = K \Phi \omega$ với $K = \frac{pN}{2\pi a}$.
- Phương trình đặc tính cơ: $\omega = \frac{U_ư}{K\Phi_{đm}} - \frac{R_ư + R_{fư}}{(K\Phi_{đm})^2} M$ và phương trình đặc tính cơ điện: $\omega = \frac{U_ư}{K\Phi_{đm}} - \frac{R_ư + R_{fư}}{K\Phi_{đm}} I_ư$.
- Công thức kinh nghiệm Umanxki – Lindvit xác định điện cảm mạch phần ứng: $L_ư = \gamma \frac{U_{đm}}{p \cdot n_{đm} \cdot I_{đm}}$ (với hệ số $\gamma = 0,25$ cho động cơ có cuộn bù).
- Lý thuyết chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển: Quan hệ giữa điện áp trung bình tải và góc mở van $\alpha$ theo công thức $U_d = \frac{3\sqrt{6}}{\pi} U_2 \cos\alpha$ đối với sơ đồ đối xứng, và $U_{tb} = \frac{3\sqrt{6}}{2\pi} U_2 (1 + \cos\alpha)$ đối với sơ đồ không đối xứng.
- Phương pháp khai triển chuỗi Fourier: Phân tích thành phần sóng hài bậc cao của điện áp tải sau chỉnh lưu nhằm tính toán thông số cuộn kháng lọc san bằng dòng điện.
Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:
- Phương pháp tính toán kỹ thuật giải tích: Thiết lập cân bằng điện áp, cân bằng công suất, tính chọn kết cấu mạch từ, dây quấn máy biến áp ba pha $\Delta/Y$ và cuộn kháng lõi thép.
- Phương pháp phân tích và so sánh: Lập bảng đánh giá định tính các chủng loại động cơ DC và các phương pháp điều chỉnh tốc độ để lựa chọn giải pháp tối ưu.
- Phương pháp mô phỏng số và thiết kế phần cứng: Mô phỏng hệ thống trên Matlab 2024a và Proteus; thiết kế mạch in (PCB) phục vụ lắp ráp và thử nghiệm không tải.
- Nguồn dữ liệu: Dữ liệu tải từ phiếu giao nhiệm vụ đồ án, thông số kỹ thuật van bán dẫn trong tài liệu tra cứu (Thyristor NLC176M), cùng các công thức tính toán máy điện và thiết bị biến đổi chuẩn hóa.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều
Chương này trình bày khái niệm, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều dựa trên định luật cảm ứng điện từ và quy tắc bàn tay trái. Động cơ gồm hai phần chính: Stato (cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn kích từ) và Rotor (lõi thép, dây quấn phần ứng, cổ góp và chổi than). Tác giả so sánh 4 loại động cơ một chiều: kích từ nam châm vĩnh cửu, kích từ độc lập, kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp.
| STT | Loại động cơ DC | Ưu điểm | Nhược điểm | Đánh giá |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Kích từ nam châm vĩnh cửu | Cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, dễ bảo trì | Khả năng điều khiển tốc độ và hướng quay hạn chế; hiệu suất giảm khi tải thay đổi | Tốt |
| 2 | Kích từ độc lập | Khả năng điều khiển tốc độ và hướng quay cao; tính linh hoạt trong ứng dụng | Cần hệ thống điều khiển chất lượng; chi phí cao hơn | Tốt |
| 3 | Kích từ nối tiếp | Cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, thích hợp cho ứng dụng đơn giản | Khả năng điều khiển tốc độ thấp; hiệu suất giảm khi tải thay đổi | Tốt |
| 4 | Kích từ hỗn hợp | Khả năng điều khiển tốt, cung cấp lực xoắn cao và ổn định | Phức tạp hơn, chi phí cao, đòi hỏi kiến thức kỹ thuật bảo trì | Tốt |
Động cơ kích từ độc lập được lựa chọn do đặc tính cơ cứng và phạm vi điều chỉnh rộng. Về phương pháp điều chỉnh tốc độ, tác giả phân tích ba phương án:
- Thay đổi điện trở phần ứng ($R_f$): Cấu trúc đơn giản nhưng làm giảm độ cứng đặc tính cơ, phạm vi hẹp và tổn hao năng lượng lớn dưới dạng nhiệt trên điện trở phụ.
- Thay đổi từ thông ($\Phi$): Điều chỉnh trơn theo chiều tăng tốc độ lên trên tốc độ định mức, tổn hao nhỏ nhưng làm giảm độ cứng đặc tính cơ và mômen cho phép.
- Thay đổi điện áp phần ứng ($U_ư$): Giữ nguyên từ thông định mức, tạo ra họ đặc tính cơ dịch chuyển song song với độ cứng không đổi. Phương pháp này cho phép điều chỉnh giảm tốc độ dưới tốc độ định mức với hiệu suất cao và dải điều chỉnh rộng, do đó được chọn làm giải pháp chính kết hợp với bộ biến đổi chỉnh lưu.
Chương 2: Lý thuyết về chỉnh lưu cầu ba pha
Chương 2 phân tích nguyên lý và dạng sóng của các sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha:
- Chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển: Dùng 6 diode. Mỗi diode dẫn trong khoảng $1/3$ chu kỳ ($120^\circ$). Trị trung bình điện áp ra $U_{tb} = 2,34 U_p$, số lần đập mạch trong một chu kỳ $m = 6$, công suất biến áp $S_{BA} = 1,05 U_d I_d$. Sơ đồ không thể điều chỉnh điện áp đầu ra.
- Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng: Sử dụng 6 Thyristor chia làm hai nhóm: nhóm Anot (T1, T3, T5) và nhóm Catot (T2, T4, T6). Mạch đòi hỏi cấp xung kép đồng thời theo đúng thứ tự pha để mở một van nhóm Anot và một van nhóm Catot. Điện áp trung bình trên tải $U_d = \frac{3\sqrt{6}}{\pi} U_2 \cos\alpha$. Khi góc mở $\alpha > 60^\circ$ với tải thuần trở, điện áp tải chuyển sang chế độ gián đoạn.
- Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng: Gồm một nhóm van có điều khiển và một nhóm van không điều khiển (diode). Mạch điều khiển đơn giản hơn do chỉ cần phát xung cho 3 Thyristor, điện áp ra $U_{tb} = \frac{3\sqrt{6}}{2\pi} U_2 (1 + \cos\alpha)$. Tuy nhiên, thành phần sóng hài bậc cao của sơ đồ này lớn hơn so với sơ đồ điều khiển đối xứng.
Từ phân tích so sánh, sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển đối xứng được chọn cho mạch động lực nhờ chất lượng điện áp tốt và hiệu suất khai thác công suất máy biến áp cao.
Chương 3: Thiết kế và tính chọn các phần tử mạch động lực
Chương này thực hiện toàn bộ các phép tính toán thiết kế phần cứng mạch động lực:
- Tính chọn Thyristor: Dòng điện định mức phần ứng $I_d = \frac{P_{đm}}{U_{đm} \cdot \eta_{đm}} = \frac{13 \cdot 10^3}{220 \cdot 0,84} = 70,35\text{ A}$. Dòng điện hiệu dụng qua van $I_{lv} = \frac{I_d}{\sqrt{3}} = 40,62\text{ A}$. Với hệ số dự trữ dòng $K_i = 1,4$, dòng van yêu cầu là $I_{đm} = 56,87\text{ A}$. Điện áp ngược lớn nhất tác dụng lên van $U_{nv} = K_{dtU} \cdot U_{1v} = 1,8 \cdot 230,38 = 414,68\text{ V} \approx 415\text{ V}$. Tác giả chọn 6 Thyristor loại NLC176M có thông số: $U_{nv} = 600\text{ V}$, $I_{đm} = 200\text{ A}$, đỉnh xung dòng điện $I_{pik} = 2500\text{ A}$, dòng điều khiển $I_{đk} = 300\text{ mA}$, điện áp điều khiển $U_{đk} = 2,5\text{ V}$, sụt áp trạng thái dẫn $\Delta U = 3,5\text{ V}$, nhiệt độ làm việc cực đại $T_{max} = 125^\circ\text{C}$.
- Tính toán máy biến áp ba pha: Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ, làm mát tự nhiên ($K_Q = 6$), tổ đấu dây $\Delta/Y$. Công suất biểu kiến $S_{BA} = 16250\text{ VA}$ (với hệ số công suất $K_s = 1,05$). Điện áp pha sơ cấp $U_p = 380\text{ V}$. Góc mở dự trữ $\alpha_{min} = 10^\circ$, sụt áp biến áp $\Delta U_{ba} = 6% \cdot 220 = 13,2\text{ V}$, điện áp chỉnh lưu không tải $U_{do} = 243,9\text{ V}$. Điện áp pha thứ cấp $U_2 = 104,27\text{ V}$. Dòng điện thứ cấp $I_2 = 57,44\text{ A}$, dòng điện sơ cấp $I_1 = 15,76\text{ A}$. Trụ sắt có đường kính $d = 9\text{ cm}$, tiết diện $Q_{Fe} = 62,45\text{ cm}^2$, chiều cao trụ $h = 23\text{ cm}$, từ cảm $B_T = 1\text{ T}$. Số vòng dây sơ cấp $W_1 = 274$ vòng (8 lớp), thứ cấp $W_2 = 75$ vòng (2 lớp). Dây dẫn bằng đồng, mật độ dòng điện $J = 2,75\text{ A/mm}^2$. Tiết diện dây sơ cấp $S_1 = 5,73\text{ mm}^2$, thứ cấp $S_2 = 21,1\text{ mm}^2$. Tổng khối lượng sắt $M_{Fe} = 76,48\text{ kg}$ (trụ: $29,18\text{ kg}$, gông: $47,3\text{ kg}$), khối lượng đồng $M_{Cu} = 36,67\text{ kg}$. Các tham số quy đổi: $R_{BA} = 0,066\text{ }\Omega$, $X_{BA} = 0,084\text{ }\Omega$, điện cảm $L_{BA} = 0,268\text{ mH}$, dòng ngắn mạch xác lập $I_{2m} = 976,31\text{ A} < I_{pik}$.
- Thiết kế cuộn kháng lọc: Xác định góc mở cực đại $\alpha_{max} = 80,92^\circ$ tương ứng với điện áp tải cực tiểu $U_{dmin} = 38,5\text{ V}$ trên dải điều chỉnh $D = 20$. Khai triển Fourier cho thành phần sóng hài bậc 1 ($k = 1$, tần số $300\text{ Hz}$) có biên độ áp $U_{1m} = 82,6\text{ V}$. Để biên độ dòng xoay chiều bậc 1 không vượt quá $10% I_{đm}$ ($I_{1m} \le 7,035\text{ A}$), tổng điện cảm mạch yêu cầu là $L = 6,23\text{ mH}$. Điện cảm sẵn có của phần ứng $L_ư = 2,67\text{ mH}$, tổng điện cảm quy đổi của động cơ và biến áp là $L_{ưc} = 3,206\text{ mH}$. Suy ra điện cảm cuộn kháng cần thiết: $L_k = L - L_{ưc} = 3,204\text{ mH}$. Kết cấu cuộn kháng được tính chọn: công suất $S = 149,5\text{ VA}$, lõi thép kỹ thuật $\exists 330A$ dày $0,35\text{ mm}$, tiết diện trụ $Q = 4,2\text{ cm}^2$ ($a = 20\text{ mm}$, $b = 25\text{ mm}$), từ cảm $B_T = 0,8\text{ T}$, số vòng dây $W = 68$ vòng, dây quấn chịu dòng hiệu dụng $I_k = 70,53\text{ A}$ có tiết diện $S_1 = 25,6\text{ mm}^2$.
Chương 4: Thiết kế và tính chọn các thiết bị mạch điều khiển
Chương này xây dựng cấu trúc mạch phát xung điều khiển Thyristor đồng bộ với lưới điện:
- Khâu đồng pha: Sử dụng máy biến áp đồng pha hạ áp từ lưới điện để lấy tín hiệu điện áp chuẩn cho từng pha.
- Khâu so sánh: So sánh tín hiệu điện áp đồng pha (dạng răng cưa) với điện áp điều khiển một chiều $U_{đk}$ để xác định thời điểm phát xung kích mở tương ứng với góc mở $\alpha$.
- Khâu khuếch đại tạo xung: Tạo chuỗi xung chùm qua cổng logic AND và mạch định thời ($C_3, R_9$) nhằm đảm bảo độ rộng và công suất xung mở Thyristor.
- Tầng biến áp xung: Cách ly điện áp giữa mạch điều khiển công suất nhỏ và mạch động lực điện áp cao, phân phối đồng thời xung kép đến các cực điều khiển của van theo đúng thứ tự pha.
- Mạch nguồn nuôi: Thiết kế bộ biến áp nguồn kết hợp cầu diode chỉnh lưu tạo điện áp một chiều ổn định cấp cho các vi mạch so sánh và tầng khuếch đại xung.
Chương 5: Thiết kế và tính chọn các phần tử mạch bảo vệ
Chương này tính toán cấu hình hệ thống bảo vệ cho các van bán dẫn trong mạch động lực:
- Bảo vệ quá nhiệt: Chọn cánh tản nhiệt nhôm làm mát bằng không khí tự nhiên đủ diện tích tản nhiệt để giới hạn nhiệt độ mối nối Thyristor dưới $T_{max} = 125^\circ\text{C}$.
- Bảo vệ quá dòng điện: Sử dụng cầu chì tác cắt nhanh chuyên dụng cho thiết bị bán dẫn mắc nối tiếp trước các van để ngắt mạch khi xảy ra sự cố ngắn mạch tải hoặc ngắn mạch nhánh.
- Bảo vệ quá điện áp: Thiết kế mạch $R-C$ mắc song song với từng Thyristor để hấp thụ và dập tắt các đỉnh xung quá điện áp xuất hiện trong quá trình chuyển mạch do điện cảm tản của máy biến áp gây ra.
Chương 6: Mô phỏng thi công mạch, phân tích kết quả mô phỏng hoặc kết quả thực nghiệm
Chương 6 triển khai kiểm chứng thiết kế qua mô phỏng và thi công phần cứng:
- Tìm hiểu và cài đặt công cụ: Sử dụng phần mềm Matlab 2024a (Simulink/Simscape) để lập mô hình mạch động lực, mạch điều khiển và kiểm tra đặc tính cơ của động cơ DC; sử dụng Proteus để mô phỏng nguyên lý mạch phát xung điều khiển.
- Mô phỏng hệ thống: Kiểm tra dạng sóng điện áp chỉnh lưu trên tải, kiểm chứng sự biến thiên góc mở van $\alpha$ từ $10^\circ$ đến $80,92^\circ$ và độ đập mạch dòng điện qua động cơ khi có cuộn kháng lọc $L_k$.
- Thi công thực tế: Thiết kế bản vẽ mạch in (PCB layout), bố trí linh kiện công suất và linh kiện điều khiển trên bo mạch, thực hiện hàn gắn linh kiện và tiến hành kiểm tra, xử lý lỗi mạch ở chế độ vận hành không tải.
Thiết kế và triển khai kỹ thuật
Kiến trúc kỹ thuật của hệ thống truyền động bao gồm các khối chức năng chính:
- Khối nguồn và biến áp động lực: Nhận nguồn điện 3 pha $380\text{ V}/50\text{ Hz}$, qua máy biến áp 3 pha hạ áp xuống $104,27\text{ V}$ (pha thứ cấp), cung cấp công suất biểu kiến $16,25\text{ kVA}$.
- Khối chỉnh lưu động lực: Cấu hình cầu 3 pha đối xứng sử dụng 6 Thyristor NLC176M được gắn trên cánh tản nhiệt kim loại và tích hợp mạch bảo vệ $R-C$ chống quá áp.
- Khối lọc san bằng: Cuộn kháng lọc lõi thép có điện cảm $L_k = 3,204\text{ mH}$, tiết diện dây $25,6\text{ mm}^2$ mắc nối tiếp với mạch phần ứng nhằm triệt tiêu sóng hài bậc cao ($300\text{ Hz}$).
- Khối điều khiển và phát xung: Bao gồm biến áp đồng pha, bộ tạo sóng răng cưa, bộ so sánh điện áp điều khiển, bộ phát xung chùm tích hợp cổng AND và biến áp xung cách ly bảo đảm cấp xung kích $I_{đk} = 300\text{ mA}$, $U_{đk} = 2,5\text{ V}$.
- Quy trình kiểm thử: Thực hiện mô phỏng kiểm tra dạng sóng trên Proteus và Matlab 2024a; triển khai kiểm tra phần cứng theo quy trình thử nghiệm không tải nhằm đo đạc xung điều khiển, kiểm tra sự đồng bộ pha và đo điện áp ra trước khi đấu nối trực tiếp vào động cơ $13\text{ kW}$.
Kết quả và đóng góp
Đồ án hoàn thành việc tính toán, thiết kế và lựa chọn đầy đủ các thông số kỹ thuật cho hệ thống chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển động cơ điện một chiều:
| Hạng mục thiết bị | Thông số tính toán thiết kế | Quy chuẩn / Linh kiện lựa chọn |
|---|---|---|
| Động cơ điện một chiều | $P_{đm} = 13\text{ kW}$, $U_{đm} = 220\text{ V}$, $n_{đm} = 1400\text{ vg/ph}$, $\eta_{đm} = 0,84$ | Động cơ một chiều kích từ độc lập |
| Van bán dẫn mạch động lực | $I_{đm} = 56,87\text{ A}$, $U_{nv} = 415\text{ V}$ | 06 Thyristor NLC176M ($U_{nv}=600\text{ V}, I_{đm}=200\text{ A}, I_{pik}=2500\text{ A}$) |
| Máy biến áp chỉnh lưu | $S_{BA} = 16,25\text{ kVA}$, $U_1 = 380\text{ V}$, $U_2 = 104,27\text{ V}$, $I_1 = 15,76\text{ A}$, $I_2 = 57,44\text{ A}$ | Máy biến áp 3 pha $\Delta/Y$, lõi thép $d=9\text{ cm}$, $W_1=274$ vòng, $W_2=75$ vòng |
| Khối lượng vật liệu biến áp | Khối lượng sắt: $M_{Fe} = 76,48\text{ kg}$, khối lượng đồng: $M_{Cu} = 36,67\text{ kg}$ | Thép lá kỹ thuật $0,5\text{ mm}$, dây đồng $J=2,75\text{ A/mm}^2$ |
| Dải góc mở điều khiển | $\alpha_{min} = 10^\circ$, $\alpha_{max} = 80,92^\circ$ | Đảm bảo dải điều chỉnh tốc độ $D = 20$ ($U_{dmin} = 38,5\text{ V}$) |
| Cuộn kháng lọc | $L_k = 3,204\text{ mH}$, $I_k = 70,53\text{ A}$, dòng đập mạch $I_{1m} \le 7,035\text{ A}$ ($10% I_{đm}$) | Lõi thép $\exists 330A$, $Q=4,2\text{ cm}^2$, $W=68$ vòng, dây $S=25,6\text{ mm}^2$ |
Đóng góp của đồ án:
- Cung cấp phương pháp luận và trình tự tính toán hoàn chỉnh từ các yêu cầu công nghệ ban đầu của động cơ đến việc xác định kích thước vật lý cụ thể của các phần tử mạch từ (biến áp và cuộn kháng).
- Xác lập phương pháp xác định điện cảm lọc dựa trên phân tích điều hòa Fourier kết hợp hệ số điện cảm nội tại của động cơ theo công thức Umanxki – Lindvit, bảo đảm khống chế dòng đập mạch dưới $10%$.
- Xây dựng bản vẽ mạch in và quy trình kiểm thử phần cứng, tạo tiền đề kết nối giữa tính toán lý thuyết và chế tạo thiết bị thực tế.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đồ án:
- Hệ thống điều khiển mới dừng lại ở cấu trúc mạch hở (chưa có mạch vòng phản hồi kín dòng điện và tốc độ), do đó độ sụt tốc tương đối ở vùng tốc độ thấp còn lớn như tác giả đã chỉ ra trong cơ sở lý thuyết.
- Phần fulltext cung cấp chưa bao gồm các số liệu thực nghiệm có tải trên mô hình phần cứng sau khi thi công để đối chiếu trực tiếp với kết quả mô phỏng.
Hướng nghiên cứu tiếp:
- Bổ sung các mạch vòng điều khiển kín (bộ điều chỉnh dòng điện PI và bộ điều chỉnh tốc độ PID) để nâng cao độ cứng đặc tính cơ và triệt tiêu sai số tốc độ khi phụ tải thay đổi.
- Hoàn thiện thi công bo mạch động lực công suất lớn và tiến hành đo đạc thực nghiệm dạng sóng thực tế trên động cơ $13\text{ kW}$ nhằm đánh giá độ méo hài dòng áp và hiệu suất thực tế của bộ biến đổi.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu học thuật và kỹ thuật hữu ích đối với sinh viên và kỹ sư các ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện tử Công suất và Kỹ thuật Điện. Nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu nhất nằm ở Chương 3 với hệ thống công thức tính toán chi tiết kết cấu hình học, tiết diện mạch từ phân bậc hình thang, số lớp dây quấn của máy biến áp 3 pha và cuộn kháng lọc DC chịu dòng lớn.
Câu hỏi thường gặp
1. Động cơ điện một chiều trong đồ án có các thông số kỹ thuật định mức nào?
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có công suất định mức $P_{đm} = 13\text{ kW}$, điện áp định mức $U_{đm} = 220\text{ V}$, tốc độ định mức $n_{đm} = 1400\text{ vòng/phút}$, hiệu suất định mức $\eta_{đm} = 0,84$ và mômen quán tính $J = 0,5\text{ kg}\cdot\text{m}^2$.
2. Tiêu chí nào được sử dụng để lựa chọn van Thyristor NLC176M cho mạch động lực?
Van Thyristor được chọn dựa trên dòng điện làm việc hiệu dụng $I_{lv} = 40,62\text{ A}$ (nhân hệ số dự trữ $K_i = 1,4$ được $I_{đm} = 56,87\text{ A}$) và điện áp ngược làm việc $U_{1v} = 230,38\text{ V}$ (nhân hệ số dự trữ $K_{dtU} = 1,8$ được $U_{nv} = 414,68\text{ V}$). Thyristor NLC176M hoàn toàn đáp ứng các điều kiện này với điện áp ngược chịu đựng $U_{nv} = 600\text{ V}$, dòng điện định mức $I_{đm} = 200\text{ A}$ và khả năng chịu xung dòng điện $I_{pik} = 2500\text{ A}$.
3. Máy biến áp chỉnh lưu ba pha được thiết kế với kích thước và khối lượng như thế nào?
Máy biến áp có công suất biểu kiến $S_{BA} = 16250\text{ VA}$, đường kính trụ sắt $d = 9\text{ cm}$, chiều cao trụ $h = 23\text{ cm}$, ghép từ các lá thép kỹ thuật dày $0,5\text{ mm}$ thành 5 bậc hình thang. Cuộn sơ cấp quấn 274 vòng (8 lớp), cuộn thứ cấp quấn 75 vòng (2 lớp). Tổng khối lượng sắt của máy biến áp là $76,48\text{ kg}$ (trụ: $29,18\text{ kg}$, gông: $47,3\text{ kg}$) và khối lượng đồng là $36,67\text{ kg}$.
4. Cuộn kháng lọc được tính toán với giá trị điện cảm bao nhiêu và phục vụ mục đích gì?
Cuộn kháng lọc được tính toán đạt giá trị điện cảm $L_k = 3,204\text{ mH}$, quấn 68 vòng trên lõi thép có tiết diện $Q = 4,2\text{ cm}^2$. Mục đích của cuộn kháng là san bằng dòng điện một chiều, hạn chế vùng dòng điện gián đoạn và khống chế biên độ thành phần sóng hài bậc 1 ($300\text{ Hz}$) không vượt quá $10%$ dòng điện định mức ($I_{1m} \le 7,035\text{ A}$).
5. Dải góc mở điều khiển $\alpha$ của bộ chỉnh lưu được xác định trong phạm vi nào?
Dải góc mở van được xác định từ góc mở cực tiểu $\alpha_{min} = 10^\circ$ (góc dự trữ bù sụt áp lưới, cho điện áp ra cực đại $U_{dmax} = 220\text{ V}$) đến góc mở cực đại $\alpha_{max} = 80,92^\circ$ (tương ứng với điện áp tải cực tiểu $U_{dmin} = 38,5\text{ V}$) nhằm thỏa mãn phạm vi điều chỉnh tốc độ yêu cầu $D = 20$.
Kết luận
Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế hệ thống chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập $13\text{ kW}$ theo các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra. Toàn bộ thông số mạch động lực, bao gồm việc tính chọn van Thyristor NLC176M, thiết kế kết cấu máy biến áp $16,25\text{ kVA}$ và cuộn kháng lọc $3,204\text{ mH}$, đều được dẫn xuất thông qua các phương trình giải tích tường minh. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật đầy đủ để triển khai mô phỏng trên Matlab, Proteus cũng như thi công thực tế bo mạch phần cứng.