Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế tự động hóa và hiện đại hóa các dây chuyền sản xuất công nghiệp, động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ đóng vai trò chủ lực trong các cơ cấu công tác như hệ thống băng tải, máy bơm, quạt gió và máy công cụ. Tuy nhiên, việc khởi động trực tiếp động cơ không đồng bộ thường đi kèm với dòng điện mở máy lớn gấp 5 đến 7 lần dòng điện định mức, gây sụt áp lưới điện và tạo ứng suất cơ học bất lợi cho hệ thống truyền động. Do đó, yêu cầu thiết kế một hệ truyền động điện điều chỉnh điện áp xoay chiều cấp cho động cơ nhằm đảm bảo vận hành êm, an toàn và nâng cao hiệu quả kỹ thuật - kinh tế là vấn đề thực tiễn cần giải quyết.

Đồ án môn học "Điện tử công suất - Truyền động điện" tại Khoa Điện, Bộ môn Tự động hóa – Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội tập trung giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cấu trúc, phân loại và đặc tính của hệ thống truyền động điện trong công nghiệp.
  2. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển cho bộ điều áp xoay chiều ba pha.
  3. Tính toán, lựa chọn van bán dẫn công suất, thiết bị bảo vệ và các phần tử trong mạch phát xung điều khiển (mạch đồng pha, mạch so sánh, biến áp xung, tầng khuếch đại công suất).
  4. Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng (PSIM, Matlab/Simulink) để phân tích dạng sóng điện áp, dòng điện trên van và tải ở các chế độ làm việc.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ truyền động điện điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha cấp nguồn cho động cơ không đồng bộ ba pha rôto dây quấn. Thông số định mức của động cơ bao gồm:

  • Công suất định mức: $P_{đm} = 9\text{ kW}$ (được xác định theo công thức giao đề: $5 + \text{số cuối mã sinh viên trưởng nhóm} = 5 + 4 = 9\text{ kW}$)
  • Điện áp định mức: $U_{đm} = 380\text{ V}$ (đấu $\Delta$ hoặc $Y$)
  • Tần số định mức: $f_{đm} = 50\text{ Hz}$
  • Hiệu suất định mức: $\eta_{đm} = 0,85$
  • Tốc độ định mức: $n_{đm} = 1420\text{ vòng/phút}$
  • Hệ số công suất định mức: $\cos\varphi_{đm} = 0,8$
  • Thời gian mở máy yêu cầu: $t_{kđ} = 3\text{ s}$

Phạm vi thực hiện đề tài thuộc khuôn khổ học phần thực hành đồ án lớp EE6017.2 (Khóa 15) do nhóm sinh viên (Nguyễn Doãn Phúc, Đỗ Minh Quang, Khổng Vũ Quý) thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Đăng Khang, thời gian triển khai từ ngày 13/02/2022 đến ngày 28/05/2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết điện tử công suất, lý thuyết truyền động điện tự động và kỹ thuật điều khiển tương tự:

  • Nguyên lý điều áp xoay chiều ba pha: Sử dụng các van bán dẫn công suất (cặp Thyristor đấu song song ngược hoặc Triac) mắc nối tiếp giữa nguồn điện lưới xoay chiều ba pha và cuộn dây stato của động cơ. Bằng cách thay đổi góc mở $\alpha$ của các van, giá trị hiệu dụng của điện áp đặt vào động cơ được điều chỉnh liên tục từ giá trị cực tiểu đến điện áp định mức.
  • Nguyên lý điều khiển thẳng đứng tuyến tính: Tạo điện áp tựa răng cưa $U_{rc}$ đồng pha với điện áp lưới thông qua khâu tích phân Op-Amp, sau đó so sánh với điện áp điều khiển một chiều $U_{đk}$ tại khâu so sánh để xác định chính xác thời điểm phát xung mở van.
  • Lý thuyết nhiệt và bảo vệ van bán dẫn: Tính toán dòng điện hiệu dụng, tổn hao công suất trên van $\Delta P = I_{HD} \cdot \Delta U$, kiểm tra khả năng chịu dòng xung ngắn hạn trong thời gian mở máy $t_{kđ} = 3\text{ s}$ và chọn hệ số dự trữ điện áp $K_{dt} > 1,6$.

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong đề tài bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Khảo sát các tài liệu chuyên ngành về truyền động điện và điện tử công suất để lựa chọn cấu hình mạch lực phù hợp với phụ tải ba pha không trung tính.
  • Phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật: Áp dụng các công thức giải tích điện kỹ thuật để tính chọn tham số van động lực, biến áp xung lõi ferit xuyến (thể tích lõi từ, số vòng dây sơ cấp/thứ cấp), mạch dập xung $RC$ và khí cụ đóng cắt bảo vệ.
  • Phương pháp mô phỏng số: Khảo sát dạng sóng dòng điện, điện áp trên phần mềm PSIM và Matlab/Simulink nhằm kiểm chứng hoạt động của hệ thống trước khi triển khai thực tế.

Nguồn học liệu và tài liệu tham khảo chính:

  • Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất (Trần Văn Thịnh, NXB Giáo dục, 2008).
  • Điện tử công suất (Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2005).
  • Điều chỉnh tự động truyền động điện (Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2005).
  • Tổng hợp hệ thống điện cơ (Quách Đức Cường, Nguyễn Đăng Toàn, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2019).
  • Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động (Nguyễn Phùng Quang, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2008).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan hệ truyền động điện

Chương 1 hệ thống hóa các khái niệm nền tảng về hệ truyền động điện công nghiệp:

  • Định nghĩa: Hệ truyền động điện là tổ hợp các thiết bị điện - cơ dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho cơ cấu công tác, đồng thời điều khiển dòng năng lượng theo yêu cầu công nghệ.
  • Phân tích cơ cấu phụ tải điển hình:
    • Truyền động máy bơm nước: Động cơ tạo mômen quay $M$, cánh bơm tạo mômen cản $M_c$ ngược chiều tốc độ quay $\omega$. Trạng thái xác lập đạt được khi $M = M_c$ với $\omega = \text{const}$.
    • Truyền động mâm cặp máy tiện: Động cơ truyền lực qua đai và cặp bánh răng đến phôi và dao cắt. Lực cắt sinh ra mômen cản $M_c$ tác động ngược chiều quay trục động cơ.
    • Truyền động cần trục: Tải trọng gây ra mômen thế năng $M_c$ phụ thuộc vào chiều của trọng lực, có thể ngược chiều (khi nâng tải) hoặc cùng chiều quay động cơ (khi hạ tải tạo năng lượng phát trả về).
  • Cấu trúc và phân loại hệ truyền động: Phân tách hệ thống thành phần điện (bộ biến đổi, bộ điều khiển) và phần cơ (động cơ, khớp nối, cơ cấu công tác); phân loại theo loại động cơ (DC, không đồng bộ, đồng bộ, bước), mức độ tự động hóa (hở, kín có phản hồi) và khả năng điều chỉnh tốc độ.

Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển, mạch lực

Chương 2 trình bày chi tiết giải pháp thiết kế cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển:

  • Khảo sát cấu trúc mạch lực: So sánh giữa các sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha:
    • Sơ đồ tải đấu sao có trung tính: Điện áp đặt lên van là điện áp pha, nhưng tồn tại dòng điện sóng hài bậc cao trên dây trung tính.
    • Sơ đồ tải đấu sao không trung tính và đấu tam giác: Khắc phục dòng trung tính nhưng yêu cầu phải cấp xung đồng thời cho ít nhất hai van thuộc hai pha khác nhau để khép kín mạch dòng điện.
    • Sơ đồ điều khiển hai pha và sơ đồ đảo chiều quay: Đảo chiều quay động cơ bằng cách hoán đổi thứ tự cấp xung cho các nhóm Thyristor để đảo hai trong ba pha nguồn ($A_1, B_1, C_1$ nối với $B, A, C$).
  • Phân tích chiến lược kích xung:
    • Xung đơn và xung đệm: Khi góc mở lớn ($\alpha \ge 2\pi/3$), dòng điện gián đoạn bắt buộc phải có xung đệm (xung $X_{6-1}$ đệm cho van $T_1$) được gửi qua cổng logic OR hoặc biến áp xung hai cuộn thứ cấp.
    • Xung chùm: Đối với tải có tính cảm như động cơ không đồng bộ ($\alpha < \varphi$), việc phát chùm xung liên tục giải quyết triệt để bài toán mở van tin cậy mà không cần mạch đệm xung phức tạp trong dải điều khiển từ $0^\circ$ đến $120^\circ$.
  • Cấu trúc mạch điều khiển tuyến tính: Bao gồm khâu đồng pha dùng Op-Amp cách ly tín hiệu lưới, khâu tích phân tạo điện áp răng cưa $U_{rc}$, khâu so sánh $U_{rc} = U_{đk}$, khối logic AND/OR hòa trộn chùm xung cao tần ($f_x = 3\text{ kHz}$) và tầng khuếch đại Darlington cấp tín hiệu cho biến áp xung.

Chương 3: Tính chọn thiết bị

Chương 3 thực hiện tính toán số trị cụ thể cho các phần tử trong hệ thống:

  • Tính chọn Thyristor mạch lực:
    • Dòng điện định mức của động cơ: $$I_{đc} = \frac{P_{đm}}{\sqrt{3} U_d \eta \cos\varphi} = \frac{9000}{\sqrt{3} \times 380 \times 0,85 \times 0,8} \approx 20,1\text{ A}$$
    • Dòng điện hiệu dụng làm việc qua mỗi Thyristor: $$I_T = \frac{I_{đc}}{\sqrt{2}} = \frac{20,1}{\sqrt{2}} \approx 10,054\text{ A}$$
    • Dòng điện định mức yêu cầu của van (tính với hệ số tỏa nhiệt làm việc $50%$ định mức, có cánh tản nhiệt và quạt làm mát): $I_{Tđm} \ge 20,1\text{ A}$.
    • Điện áp làm việc cực đại đặt lên van: $U_T = \sqrt{2} U_d = \sqrt{2} \times 380 \approx 537,4\text{ V}$.
    • Điện áp định mức yêu cầu của van với hệ số dự trữ $K_{dt} > 1,6$: $$U_{Tđm} = K_{dt} \times 537,4 \approx 967\text{ V}$$
    • Linh kiện lựa chọn: Thyristor mã hiệu VS-50RIA100.
  • Tính chọn biến áp xung (BAX):
    • Thông số yêu cầu: $U_{đk} = 1,6\text{ V}$, $I_{đk} = 0,1\text{ A}$, tần số xung $f_x = 3\text{ kHz}$, độ sụt biên độ xung $S_x = 0,1$, nguồn nuôi $U = \pm 12\text{ V}$.
    • Tỷ số biến áp chọn $m = 3 \Rightarrow$ Điện áp sơ cấp $U_1 = 4,8\text{ V}$, dòng điện sơ cấp $I_1 = 0,03\text{ A}$.
    • Vật liệu lõi: Ferrite HM dạng hình xuyến, độ biến thiên cảm ứng từ $\Delta B = 0,3\text{ T}$.
    • Thể tích lõi từ tính toán $V_{tt} = 0,4\text{ cm}^3$; chọn mạch từ thực tế có thể tích $V = 1,4\text{ cm}^3$, tiết diện lõi $Q = 0,27\text{ cm}^2$ ($27\text{ mm}^2$), kích thước $a = 4,5\text{ mm}$, $b = 6\text{ mm}$, đường kính trong $d = 12\text{ mm}$, đường kính ngoài $D = 21\text{ mm}$.
  • Tính chọn mạch bảo vệ:
    • Aptomat bảo vệ ngắn mạch có dòng định mức $I_{AT} = (1,1 \div 1,3) I_{đm}$.
    • Mạch $R_1C_1$ bảo vệ quá điện áp đột biến từ lưới.
    • Mạch dập xung quá điện áp do chuyển mạch van $R_2C_2$ với thông số $R_2 = 5 \div 30,\Omega$ và $C_2 = 0,5 \div 4,\mu\text{F}$.

Chương 4: Mô phỏng, phân tích dạng sóng điện áp, dòng điện trên tải, trên van ở các chế độ làm việc và đánh giá kết quả

Chương 4 thực hiện cài đặt mô hình mô phỏng trên phần mềm (PSIM hoặc Matlab/Simulink):

  • Mô phỏng nguồn lưới ba pha đối xứng 380V - 50Hz, bộ van 6 Thyristor mắc song song ngược và tải động cơ KĐB ba pha.
  • Khảo sát dạng sóng điện áp và dòng điện chạy qua tải ở các góc kích $\alpha$ khác nhau, quan sát khoảng dẫn dòng và hiện tượng chuyển mạch của van bán dẫn.
  • Đánh giá tính chính xác của thuật toán phát xung chùm trong việc duy trì dòng điện liên tục khi khởi động mềm động cơ.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống truyền động điện điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha được thiết kế hoàn chỉnh từ mạch động lực đến mạch điều khiển và bảo vệ:

Khối chức năng Cấu hình kỹ thuật / Linh kiện lựa chọn Thông số làm việc chính
Mạch động lực 3 cặp Thyristor đấu song song ngược (6 van) $U_{d} = 380\text{ V}$, $f = 50\text{ Hz}$, $I_{đc} = 20,1\text{ A}$
Van bán dẫn Thyristor VS-50RIA100 $I_{Tđm} = 50\text{ A}$, $U_{Tđm} = 1000\text{ V}$
Động cơ KĐB Rôto dây quấn ba pha $P_{đm} = 9\text{ kW}$, $\eta = 0,85$, $\cos\varphi = 0,8$, $n = 1420\text{ vg/ph}$
Mạch đồng pha & Răng cưa Khuyếch đại thuật toán (Op-Amp) $A_1, A_2$ Tạo điện áp tựa tam giác $U_{rc}$ đồng pha lưới
Mạch so sánh & Tạo xung Op-Amp $A_3$, bộ tạo chùm xung $A_6$, cổng AND/OR So sánh $U_{rc} = U_{đk}$, tần số chùm xung $f_x = 3\text{ kHz}$
Biến áp xung (BAX) Lõi Ferrite HM hình xuyến ($V = 1,4\text{ cm}^3$) Tỷ số $m = 3$, $U_1 = 4,8\text{ V}$, $I_1 = 0,03\text{ A}$, $Q = 0,27\text{ cm}^2$
Bảo vệ van Mạch dập xung $R_2C_2$ và Aptomat $R_2 = 5 \div 30,\Omega$, $C_2 = 0,5 \div 4,\mu\text{F}$, $I_{AT} = (1,1 \div 1,3) I_{đm}$

Quy trình điều khiển mạch phát xung được vận hành theo chu trình: Điện áp lưới xoay chiều đưa qua biến áp đồng pha $\rightarrow$ Chỉnh lưu cả chu kỳ đưa vào Op-Amp $A_1, A_2$ tích phân tạo điện áp răng cưa $U_{rc} \rightarrow$ Đưa vào khâu so sánh $A_3$ với điện áp điều khiển $U_{đk} \rightarrow$ Xuất tín hiệu xung logic đưa đến cổng AND $V_{11}$ kết hợp xung chùm từ $A_6 \rightarrow$ Đưa qua tầng khuếch đại Darlington $\rightarrow$ Cách ly và kích mở Thyristor qua biến áp xung.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Hoàn thiện thiết kế hệ thống: Đã tính toán và lựa chọn đầy đủ thông số cho mạch lực và mạch điều khiển bộ điều áp xoay chiều ba pha cấp nguồn cho động cơ không đồng bộ $9\text{ kW}$.
  2. Giải pháp phát xung tối ưu: Xác lập sơ đồ phát xung chùm tần số $3\text{ kHz}$ kết hợp mạch logic AND/OR, giúp van mở chắc chắn khi động cơ khởi động có tính cảm kháng lớn ($\alpha < \varphi$) và loại bỏ nhu cầu sử dụng các mạch đệm xung phức tạp ở dải góc mở dưới $120^\circ$.
  3. Tính toán chi tiết mạch từ biến áp xung: Xác định chính xác kích thước hình học ($a=4,5\text{ mm}, b=6\text{ mm}, d=12\text{ mm}, D=21\text{ mm}$) và thông số dây quấn cho biến áp xung lõi ferit HM hình xuyến, đáp ứng yêu cầu kích mở của Thyristor VS-50RIA100 ($U_{đk} = 1,6\text{ V}, I_{đk} = 0,1\text{ A}$).

Đóng góp thực tiễn

Đề tài cung cấp tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh phục vụ thiết kế các bộ khởi động mềm (soft starter) điều khiển điện áp stato, giúp giảm dòng khởi động động cơ không đồng bộ trong các hệ thống bơm, quạt và băng chuyền công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Thiết kế dừng lại ở cấu trúc điều khiển vòng hở (chưa tích hợp mạch phản hồi dòng điện hoặc tốc độ kín để ổn định tốc độ khi phụ tải biến thiên).
    • Phương pháp điều chỉnh điện áp xoay chiều stato có đặc tính điều chỉnh tốc độ hẹp và sinh ra tổn hao công suất nhiệt lớn trên điện trở rôto khi làm việc ở vùng tốc độ thấp so với phương pháp điều khiển tần số (biến tần).
    • Mạch điều khiển được thiết kế bằng linh kiện tương tự (Op-Amp, cổng logic rời) nên kích thước mạch còn tương đối cồng kềnh so với các bộ vi điều khiển chuyên dụng hiện đại.
  • Hướng mở rộng:
    • Nghiên cứu bổ sung vòng điều khiển kín dòng điện và tốc độ dùng bộ điều khiển PID hoặc vi điều khiển số.
    • Chuyển đổi mạch điều khiển analog sang vi xử lý số (DSP, vi điều khiển STM32/PIC hoặc IC chuyên dụng như TCA 785) để nâng cao độ chính xác góc mở và độ linh hoạt khi cài đặt tham số.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Tự động hóa, Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu mẫu về quy trình tính toán, thiết kế đồ án môn học Điện tử công suất và Truyền động điện theo đúng chuẩn đầu ra (L1.1, L1.2).
  • Kỹ sư thiết kế thiết bị điện công nghiệp: Tham khảo công thức và phương pháp tính chọn van bán dẫn Thyristor, tính toán máy biến áp xung hình xuyến và cấu hình mạch bảo vệ quá áp/ngắn mạch cho bộ biến đổi xoay chiều.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ không đồng bộ trong đồ án có các thông số định mức nào?
Động cơ ba pha rôto dây quấn có công suất định mức $P_{đm} = 9\text{ kW}$, điện áp định mức $U_{đm} = 380\text{ V}$, tần số $f_{đm} = 50\text{ Hz}$, hiệu suất $\eta_{đm} = 0,85$, hệ số công suất $\cos\varphi_{đm} = 0,8$, tốc độ định mức $n_{đm} = 1420\text{ vòng/phút}$, thời gian mở máy $t_{kđ} = 3\text{ s}$.

2. Tại sao mạch điều áp ba pha cho động cơ cần sử dụng phương pháp phát chùm xung?
Do cuộn dây động cơ không đồng bộ có tính cảm kháng lớn, dòng điện tải trễ pha so với điện áp một góc $\varphi$. Khi góc mở $\alpha < \varphi$, xung đơn có độ rộng hẹp sẽ kết thúc trước khi dòng điện đạt giá trị duy trì khiến van không mở được. Chùm xung liên tục đảm bảo van luôn nhận được tín hiệu mở trong suốt khoảng điện áp thuận, đồng thời đóng vai trò thay thế xung đệm trong dải điều khiển từ $0^\circ$ đến $120^\circ$.

3. Van Thyristor nào được lựa chọn cho mạch lực và căn cứ lựa chọn là gì?
Linh kiện được chọn là Thyristor VS-50RIA100. Căn cứ lựa chọn dựa trên tính toán dòng điện làm việc hiệu dụng qua van $I_T = 10,054\text{ A}$ (chọn van làm việc ở mức $50%$ định mức $I_{Tđm} \ge 20,1\text{ A}$) và điện áp ngược cực đại $U_T = 537,4\text{ V}$ kết hợp hệ số dự trữ $K_{dt} > 1,6$ ($U_{Tđm} \ge 967\text{ V}$).

4. Biến áp xung trong mạch điều khiển sử dụng vật liệu và kích thước gì?
Biến áp xung sử dụng lõi Ferit HM hình xuyến với độ biến thiên cảm ứng từ $\Delta B = 0,3\text{ T}$, thể tích lõi $V = 1,4\text{ cm}^3$, tiết diện từ $Q = 0,27\text{ cm}^2$, đường kính trong $d = 12\text{ mm}$, đường kính ngoài $D = 21\text{ mm}$, tỷ số biến áp $m = 3$ với nguồn nuôi mạch điều khiển $\pm 12\text{ V}$.

5. Sơ đồ mạch lực đảo chiều quay động cơ được thực hiện như thế nào?
Sơ đồ sử dụng tổ hợp các van Thyristor điều khiển hoán đổi thứ tự pha nguồn cấp. Khi quay thuận, cấp xung điều khiển cho nhóm van nối các pha lưới $A_1, B_1, C_1$ tương ứng với cuộn dây $A, B, C$. Khi quay ngược, cấp xung cho nhóm van nối $A_1, B_1, C_1$ tương ứng với $B, A, C$ của động cơ.

Kết luận

Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế hệ thống truyền động điện điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha cấp cho động cơ không đồng bộ $9\text{ kW}$. Toàn bộ các khâu từ phân tích phụ tải, lựa chọn sơ đồ mạch lực 6 Thyristor, thiết kế mạch điều khiển phát xung chùm dùng Op-Amp đến tính chọn chi tiết linh kiện bán dẫn VS-50RIA100 và biến áp xung ferit đều được tính toán nhất quán. Kết quả nghiên cứu là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao trong học tập, giảng dạy và ứng dụng thực tiễn của chuyên ngành Điện tử công suất và Tự động hóa.