Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh đẩy mạnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, việc đào tạo nguồn nhân lực kỹ thuật lành nghề đòi hỏi đội ngũ giáo viên tại các trường cao đẳng, trung cấp nghề và trung tâm dạy nghề phải vững vàng cả về chuyên môn kỹ thuật lẫn nghiệp vụ sư phạm. Thực tế giảng dạy nghề cho thấy nhiều giáo viên xuất thân từ kỹ sư hoặc công nhân kỹ thuật bậc cao còn thiếu hụt kỹ năng sư phạm, làm giảm hiệu quả truyền thụ kiến thức và hướng dẫn kỹ năng thực hành cho học sinh. Nhằm đáp ứng mục tiêu đào tạo kép của ngành Sư phạm Kỹ thuật, đồ án tốt nghiệp của sinh viên Đỗ Thị Ly (lớp K42 SKĐ, Khoa Sư phạm Kỹ thuật, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên, hoàn thành ngày 30 tháng 5 năm 2011 dưới sự hướng dẫn của cô Lê Thị Quỳnh Trang) được xây dựng tích hợp hai cấu phần: phần kỹ thuật chuyên ngành và phần nghiệp vụ sư phạm.

Về phương diện kỹ thuật, các hệ thống sản xuất công nghiệp đòi hỏi hệ truyền động điện phải đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật khắt khe: chi phí đầu tư và vận hành thấp, độ tin cậy và an toàn cao, dải điều chỉnh tốc độ rộng và trơn, độ cứng đặc tính cơ cao và sai lệch tĩnh nhỏ. Đề tài tập trung giải quyết bài toán thiết kế hệ truyền động Tiristor – Động cơ một chiều không đảo chiều quay cho tải có tính chất phản kháng với sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha. Các thông số kỹ thuật ban đầu do nhiệm vụ thiết kế quy định bao gồm:

  • Công suất định mức động cơ: $P = 11\text{ kW}$
  • Tốc độ định mức động cơ: $n = 1500\text{ vòng/phút}$
  • Dải điều chỉnh tốc độ: $D = 80/1$
  • Sai lệch tĩnh cho phép: $\delta \le 5%$

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định theo 5 nội dung kỹ thuật và 3 nội dung nghiệp vụ sư phạm:

  1. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển của hệ thống truyền động.
  2. Tính chọn toàn bộ thiết bị mạch động lực và linh kiện mạch điều khiển.
  3. Xây dựng đường đặc tính tĩnh cơ điện và kiểm tra chế độ làm việc tĩnh của hệ thống.
  4. Xây dựng mô hình hàm truyền, mô phỏng và khảo sát chất lượng động của hệ thống.
  5. Thuyết minh các chế độ làm việc xác lập và quá độ của hệ thống.
  6. Thiết kế nội dung dạy học nghề theo mô đun (phân tích tổng quan, phân tích mô đun, phân tích công việc).
  7. Thiết kế bài dạy lý thuyết chuyên ngành theo quan điểm tích cực hóa quá trình dạy học.
  8. Thiết kế bài học tích hợp nghề nghiệp theo mô đun đào tạo.

Đối tượng nghiên cứu là hệ truyền động van Tiristor cấp nguồn cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập với tải có tính chất phản kháng (điện trở, điện cảm, sức điện động). Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở chế độ làm việc không đảo chiều quay, sử dụng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng kết hợp mạch vòng kín phản hồi âm tốc độ và phản hồi âm dòng điện có ngắt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên lý thuyết truyền động điện tự động và kỹ thuật điện tử công suất:

  • Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: $$n = \frac{U_ư}{K\Phi} - \frac{R_ư}{K\Phi} I_ư$$ Khi giữ từ thông kích từ không đổi ($\Phi = \text{const}$), việc thay đổi điện áp đặt vào mạch phần ứng $U_ư$ cho phép điều chỉnh trơn tốc độ động cơ dưới tốc độ cơ bản, giữ nguyên độ dốc đặc tính cơ và duy trì sai lệch tĩnh không đổi trên toàn dải điều chỉnh.
  • Lý thuyết chỉnh lưu có điều khiển hình tia 3 pha: Sơ đồ sử dụng 3 Tiristor cấp nguồn từ máy biến áp 3 pha có cuộn thứ cấp đấu hình sao có dây trung tính ($Y/Y_0$). Khi góc điều khiển là $\alpha$ và dòng tải liên tục với điện cảm phần ứng vô cùng lớn ($L_d = \infty$), điện áp chỉnh lưu trung bình trên tải xác định theo công thức: $$U_d = U_{d0} \cos\alpha = \frac{3\sqrt{6}}{2\pi} U_{2f} \cos\alpha \approx 1{,}17 U_{2f} \cos\alpha$$ Dòng điện hiệu dụng qua van và các cuộn dây máy biến áp tuân theo quan hệ giải tích: $$I_{Ttb} = \frac{I_d}{3}; \quad I_T = \frac{I_d}{\sqrt{3}}; \quad I_2 = \frac{I_d}{\sqrt{3}}; \quad I_1 = \sqrt{\frac{2}{3}} \frac{I_d}{k_{ba}}$$
  • Nguyên tắc điều khiển khống chế pha đứng (Vertical Phase Control): So sánh điện áp tựa hình răng cưa $u_{rc}$ (tuyến tính, chu kỳ đồng bộ với điện áp lưới xoay chiều) với điện áp điều khiển một chiều $u_{đk}$ để xác định thời điểm xuất hiện xung mở Tiristor tại giao điểm $u_{rc} = u_{đk}$.
  • Khung lý thuyết sư phạm nghề: Lý thuyết thiết kế dạy học theo mô đun kỹ năng nghề, phương pháp tích cực hóa quá trình nhận thức của học sinh thông qua hệ thống câu hỏi dẫn dắt, phiếu hướng dẫn thực hiện kỹ năng và quy trình đánh giá kết quả thực hành.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích và lựa chọn phương án: So sánh định tính và định lượng giữa các cấu hình truyền động (Máy phát – Động cơ, Tiristor – Động cơ, Xung áp – Động cơ) và các sơ đồ chỉnh lưu (tia 3 pha, cầu 3 pha) để lựa chọn cấu hình tối ưu về kinh tế và kỹ thuật.
  • Phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật: Tính chọn thiết bị dựa trên các hệ số dự trữ kỹ thuật ($k_i$, $k_u$, $k_a$, $k_R$), tính toán thông số cuộn kháng lọc san bằng theo yêu cầu đập mạch dòng điện, tính chọn mạch bảo vệ $R-C$ chống quá áp và quá gia tốc điện áp $du/dt$.
  • Phương pháp đồ giải và giải tích đặc tính tĩnh: Xây dựng phương trình đặc tính cơ điện kín đa đoạn có xét đến vùng làm việc của khâu phản hồi âm tốc độ và khâu ngắt dòng bão hòa.
  • Phương pháp không gian trạng thái và hàm truyền Laplace: Mô hình hóa các phần tử trong hệ thống (bộ biến đổi với khâu trễ bậc nhất khai triển Maclaurin, động cơ một chiều bậc hai, các khâu đo lường) để khảo sát chất lượng động.
  • Phương pháp thiết kế sư phạm: Phân tích cấu trúc kỹ năng nghề, xây dựng bảng phân tích công việc và soạn thảo giáo án lý thuyết, giáo án tích hợp.

Nguồn dữ liệu

Số liệu phục vụ tính toán được trích xuất từ các sổ tay tra cứu kỹ thuật chuẩn: bảng thông số động cơ điện một chiều dãy $\Pi$, bảng tra cứu thông số van Tiristor công suất, bảng vật liệu sắt từ chế tạo biến áp xung (vật liệu 330), thông số vi mạch khuếch đại thuật toán TL084, vi mạch ổn áp dòng 7815/7915 và bóng bán dẫn rời (A1013, A564A, A1015, điốt 1N4009).

Thiết kế kỹ thuật và tính chọn hệ thống

Mạch động lực

Mạch động lực bao gồm máy biến áp nguồn động lực BA đấu dây $Y/Y_0$, 3 Tiristor $T_1, T_2, T_3$, động cơ điện một chiều kích từ độc lập ĐC, cuộn kháng lọc $L_{ck}$, điện trở hãm $R_h$, áp tô mát bảo vệ ATM và mạch $R-C$ bảo vệ van.

Tên thiết bị / Phần tử Mã hiệu / Quy cách Thông số kỹ thuật danh định
Động cơ điện một chiều $\Pi-61$ $P_{đm} = 11\text{ kW}$; $U_{đm} = 220\text{ V}$; $I_{đm} = 59{,}5\text{ A}$; $n_{đm} = 1500\text{ v/ph}$; $R_ư = 0{,}197\ \Omega$; $L_ư = 0{,}014\text{ H}$; $GD^2 = 0{,}56\text{ kg}\cdot\text{m}^2$; $K_Đ = 7{,}2$
Máy biến áp động lực BA ($Y/Y_0$) $S = 32071{,}5\text{ VA}$; $U_{2fđm} \ge 230\text{ V}$; điện trở quy đổi $R_{BA} = 0{,}056\ \Omega$; điện cảm $L_{BA} = 0{,}0036\text{ H}$
Van bán dẫn Tiristor $T_1, T_2, T_3$ $I_{Tđm} = 50\text{ A}$; $U_{ng\max} = 1000\text{ V}$; dòng trung bình tính toán $[I_{Ttb}] \ge 45{,}6\text{ A}$; điện trở van $R_T = 0{,}0034\ \Omega$
Cuộn kháng lọc san bằng $L_{ck}$ $L_{ck} = 0{,}0694\text{ H}$; điện trở thuần $R_{ck} = 0{,}074\ \Omega$; sụt áp $\Delta U_{Rck} = 4{,}4\text{ V}$; $L_\Sigma = 0{,}087\text{ H}$
Điện trở hãm động năng $R_h$ Hãm động năng kích từ độc lập, giới hạn dòng ban đầu $I_h = (2 \div 2{,}5) I_{đm}$
Bảo vệ quá áp, $du/dt$ Mạch $R-C$ Mắc song song từng Tiristor; dòng qua van trước chuyển mạch $I_{T0} = 40{,}95\text{ A}$
Máy biến dòng điện BD37 $I_{sc} = 200\text{ A}$; $I_{tc} = 5\text{ A}$; dung lượng $10\text{ VA}$; cấp chính xác $0{,}5$; khối lượng $1{,}34\text{ kg}$
Máy phát tốc $\Pi T32/1Y4$ $P_{đm} = 115\text{ W}$; $U_{đm} = 230\text{ V}$; $I_{đm} = 0{,}5\text{ A}$; $n_{đm} = 1000\text{ v/ph}$ (hoặc $1200\text{ v/ph}$); $R_ư = 7{,}34\ \Omega$; hộp số tỷ số truyền $i = 2$

Mạch điều khiển khống chế pha đứng

Mạch điều khiển được thiết kế theo sơ đồ đồng bộ khống chế pha đứng gồm 4 khối chức năng:

  1. Khối đồng bộ và tạo điện áp răng cưa (ĐBH & FSRC): Biến áp đồng bộ BAĐ đấu $\Delta/Y_0$ hạ áp xuống $U_{2fđm} = 24\text{ V}$, công suất $100\text{ VA}$, thực hiện cách ly hoàn toàn mạch lực và mạch điều khiển. Khâu tạo sóng răng cưa sử dụng mạch tích phân KĐTT (IC TL084) phối hợp transistor chuyển mạch $Tr_1$ (loại A564A) và tụ nạp $C_1 = 0{,}22\ \mu\text{F}$, nạp bằng nguồn dòng không đổi lấy từ $-U_{cc}$ qua điện trở $R_3 = 10\text{ k}\Omega$ và biến trở tinh chỉnh $R_4 = 4{,}7\text{ k}\Omega$ để đạt biên độ răng cưa cực đại $U_{rc\max} = 12\text{ V}$.
  2. Khối so sánh (SS): Sử dụng bộ khuếch đại thuật toán TL084 làm việc ở chế độ bão hòa, tổng hợp song song tín hiệu $u_{rc}$ tại cổng đảo và tín hiệu $u_{đk}$ (điện áp một chiều âm) tại cổng không đảo. Khi $|u_{rc}| < |u_{đk}|$, đầu ra $u_{ra} = +U_{cc}$; khi $|u_{rc}| > |u_{đk}|$, đầu ra đổi trạng thái $u_{ra} = -U_{cc}$.
  3. Khối sửa xung (SX): Sử dụng tranzitor $Tr_2$ kết hợp mạch phóng nạp vi phân $R_7 - C_2$ để chuẩn hóa độ rộng xung điều khiển $t_{xr} = R_7 C_2$, đảm bảo độ dài xung ổn định từ $200\ \mu\text{s}$ đến $600\ \mu\text{s}$ bất chấp sự biến thiên độ dài xung ra từ khâu so sánh.
  4. Khối khuếch đại xung và truyền xung (KĐX & TX): Tầng khuếch đại công suất cấu hình Darlington gồm hai transistor $Tr_3, Tr_4$ (loại A1013, $P_k = 900\text{ mW}$, $I_k = 1\text{ A}$, $\beta = 60$) đóng cắt dòng sơ cấp của biến áp xung BAX. Biến áp xung sử dụng lõi sắt từ 330 dạng chữ nhật ($Q = 0{,}69\text{ cm}^2$, chiều dài đường sức $L = 7{,}2\text{ cm}$, độ từ cảm $B = 0{,}7\text{ T}$, cường độ từ trường $H = 50\text{ A/m}$), tỷ số biến áp $n = 3$, số vòng cuộn sơ cấp $W_1 = 26$ vòng, số vòng cuộn thứ cấp $W_2 = 78$ vòng. Cuộn sơ cấp được bảo vệ chống quá áp ngắt mạch bởi các điốt dập xung ngược $D_3, D_5$ (1N4009).

Các khối chức năng phụ trợ và mạch vòng điều khiển

  • Mạch nguồn nuôi: Sử dụng hai vi mạch ổn áp chuyên dụng IC 7815 và IC 7915 kết hợp bộ chỉnh lưu điốt hình tia 3 pha không điều khiển và dàn tụ lọc $C_1 \div C_7$ ($2000\ \mu\text{F} / 30\text{ V}$) để tạo ra hệ nguồn đôi đối xứng $\pm 15\text{ V}$ ổn định cung cấp cho các IC thuật toán và mạch phân áp.
  • Khối tạo điện áp chủ đạo: Sử dụng biến trở $R_{30} = 4{,}7\text{ k}\Omega$ (1 W) trích từ nguồn $-U_{cc}$ tạo điện áp $U_{cđ} = 0 \div 12\text{ V}$.
  • Khâu phản hồi âm tốc độ: Tín hiệu tốc độ từ máy phát tốc $\Pi T32/1Y4$ qua biến trở $R_{31} = 47\text{ k}\Omega$ đưa về khâu tổng hợp tín hiệu, xác lập hệ số phản hồi tốc độ $\gamma = 0{,}008$.
  • Khâu phản hồi âm dòng điện có ngắt: Dòng điện mạch động lực được đo lường cách ly qua máy biến dòng BD37, chỉnh lưu thành dòng một chiều, so sánh với ngưỡng cắt dòng $U_{ngưỡng} = 10\text{ V}$. Khâu ngắt dòng chỉ bắt đầu can thiệp khi dòng phần ứng vượt quá giá trị $I_{ng} = 1{,}2 I_{đm} = 71{,}4\text{ A}$.
  • Khâu tổng hợp tín hiệu và điều chỉnh PI: Tổng hợp các tín hiệu $U_{cđ}$, phản hồi âm tốc độ $\gamma n$ và phản hồi dòng có ngắt, sử dụng vi mạch KĐTT để xây dựng bộ điều chỉnh tỷ lệ - tích phân (PI), đảm bảo triệt tiêu sai lệch tĩnh và tối ưu hóa quá trình quá độ.

Nội dung chính theo từng chương

Phần Kỹ thuật

Chương 1: Phân tích lựa chọn phương án truyền động

Chương này đánh giá các cấu hình hệ truyền động điện công nghiệp nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ:

  • Động cơ: Lựa chọn động cơ điện một chiều kích từ độc lập do từ thông $\Phi$ không phụ thuộc vào dòng tải, đường đặc tính cơ dạng tuyến tính có độ cứng cao, khả năng duy trì ổn định tốc độ tốt ở mọi cấp điều chỉnh.
  • Phương pháp điều chỉnh: Phân tích 3 phương pháp (thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng, thay đổi từ thông, thay đổi điện áp phần ứng). Tác giả lựa chọn phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng do đáp ứng dải điều chỉnh rộng ($D = 80/1$), điều chỉnh trơn vô cấp, tổn hao năng lượng nhỏ và sai lệch tĩnh không đổi trên toàn dải.
  • Bộ biến đổi: So sánh hệ F-Đ, T-Đ và Xung áp – Động cơ. Hệ Tiristor – Động cơ (T-Đ) được chọn nhờ tính tác động nhanh, hiệu suất cao, kết cấu gọn nhẹ, dễ xây dựng hệ vòng kín tự động.
  • Phương pháp hãm: Đề tài yêu cầu hệ thống không đảo chiều quay, bộ biến đổi không làm việc ở chế độ nghịch lưu nên không áp dụng hãm tái sinh; hãm ngược đòi hỏi công tắc tơ đảo chiều điện áp gây phức tạp mạch lực. Do đó, phương pháp hãm động năng kích từ độc lập được chọn nhờ ưu điểm mạch hãm đơn giản, tự động dừng máy an toàn và vẫn hãm được khi lưới điện gặp sự cố.
  • Sơ đồ chỉnh lưu: Chọn sơ đồ hình tia 3 pha vì số lượng linh kiện ít (3 Tiristor), mạch điều khiển đơn giản hơn sơ đồ cầu, giá thành thấp, phù hợp với dải công suất $11\text{ kW}$.
  • Thiết bị bảo vệ phụ trợ: Đề xuất trang bị mạch dập $R-C$ song song van chống quá gia tốc điện áp $du/dt$, cuộn kháng lọc sóng hài bậc cao và áptômát bảo vệ ngắn mạch, quá tải.

Chương 2: Thiết kế sơ đồ nguyên lý và tính chọn thiết bị

Chương này trình bày chi tiết bản vẽ nguyên lý và các bước tính toán thiết kế cho từng khối chức năng:

  • Mạch động lực: Xác định cấu hình và tính chọn máy biến áp động lực với $S = 32071{,}5\text{ VA}$, cấp điện áp thứ cấp $U_{2fđm} \ge 230\text{ V}$; tính chọn van Tiristor có dòng trung bình qua van $I_{Ttb} = 22{,}89\text{ A}$, chọn hệ số dự trữ $k_i = 2$ đưa đến điều kiện $[I_{Ttb}] \ge 45{,}6\text{ A}$, điện áp ngược cực đại $U_{ng\max} \ge 450\text{ V}$.
  • Thiết kế cuộn kháng san bằng: Tính toán biên độ sóng hài cơ bản $U_{cb} = 172{,}61\text{ V}$ tại góc $\alpha = 30^\circ$, cảm kháng tổng yêu cầu $L_\Sigma = 0{,}087\text{ H}$, trừ đi điện cảm động cơ $L_ư = 0{,}014\text{ H}$ và điện cảm máy biến áp $L_{BA} = 0{,}0036\text{ H}$, thu được điện cảm cuộn kháng lọc $L_{ck} = 0{,}0694\text{ H}$, điện trở thuần cuộn kháng $R_{ck} = 0{,}074\ \Omega$.
  • Mạch phát xung điều khiển pha đứng: Trình bày chi tiết nguyên lý tích phân nạp tụ dòng không đổi dùng TL084, so sánh tín hiệu song song, mạch sửa xung $R_7 - C_2$ và tầng khuếch đại xung ghép Darlington điều khiển biến áp xung BAX.
  • Tính toán tham số mạch điều khiển: Xác lập hệ số khuếch đại bộ biến đổi $k_{BBĐ} = 67{,}65$ (và mô hình tính toán động học $35{,}66$), hệ số phản hồi tốc độ $\gamma = 0{,}008$, tính toán hệ số khuếch đại bộ khuếch đại trung gian đạt $k_{TG} \approx 40$ dựa trên tổng trở mạch phần ứng $R_\Sigma = R_ư + R_{BA} + R_T = 0{,}197 + 0{,}056 + 0{,}034 = 0{,}361\ \Omega$.

Chương 3: Xây dựng đặc tính tĩnh và đặc tính động

Chương này khảo sát trạng thái cân bằng xác lập và đáp ứng quá độ của hệ thống:

  • Cấu trúc tĩnh và phương trình đặc tính cơ điện kín: $$n = \frac{k_{TG} k_{BBĐ} k_Đ U_{cđ} - k_Đ R_\Sigma I_ư}{1 + k_{TG} k_{BBĐ} k_Đ \gamma}$$
  • Xây dựng 3 đoạn đặc tính tĩnh:
    • Đoạn 1: Làm việc bình thường khi $I_ư < I_{ng} = 71{,}4\text{ A}$, chỉ có mạch vòng phản hồi âm tốc độ tham gia, đặc tính cơ rất cứng, độ sụt tốc nhỏ; tốc độ không tải lý tưởng trên đặc tính cao nhất $n_{0\max} = 1500{,}986\text{ v/ph}$.
    • Đoạn 2: Vùng quá tải khi dòng điện tăng từ $I_{ng} = 71{,}4\text{ A}$ đến dòng bão hòa phản hồi tốc độ $I_{bh} = 77{,}1\text{ A}$ ($n_{bh} = 1499{,}875\text{ v/ph}$), có sự tham gia đồng thời của phản hồi âm tốc độ và phản hồi âm dòng điện có ngắt.
    • Đoạn 3: Vùng bảo vệ ngắn mạch và khởi động, khâu phản hồi tốc độ bị bão hòa, phản hồi âm dòng điện tác động mạnh làm đường đặc tính dốc đứng, giới hạn dòng điện khởi động tối đa tại điểm $I_{kđ} = 130{,}9\text{ A}$ khi tốc độ $n = 0$.
  • Trên đường đặc tính cơ thấp nhất ứng với dải điều chỉnh $D = 80$: Tốc độ định mức thấp nhất $n_{đm\min} = 18{,}75\text{ v/ph} \approx 19\text{ v/ph}$, tốc độ không tải lý tưởng $n_{0\min} = 20\text{ v/ph}$. Độ sụt tốc tương đối tính toán được là $s_t = 0{,}05%$, nhỏ hơn rất nhiều so với yêu cầu cho phép $[s_t] \le 5%$.
  • Khảo sát chất lượng động: Xây dựng sơ đồ cấu trúc hàm truyền hệ thống kín, trong đó bộ biến đổi có hàm truyền trễ: $$W_{BBĐ}(p) = \frac{35{,}66}{1 + 0{,}0033p}$$ Khâu phản hồi dòng điện $W_I(p) = 0{,}2644$, khâu phản hồi tốc độ $W_\gamma(p) = 0{,}008$, khâu động cơ điện một chiều được mô tả bằng hàm truyền bậc hai phụ thuộc hằng số thời gian điện từ và hằng số thời gian cơ học.

Phần Nghiệp vụ Sư phạm

Mục I: Thiết kế nội dung dạy học theo Mô đun

Trình bày phương pháp luận phát triển chương trình dạy học nghề theo tiếp cận mô đun:

  • Phân tích tổng quan và phân tích mô đun nghề điện công nghiệp/sửa chữa truyền động điện.
  • Phân tích công việc: Xác định các bước thực hiện công việc thực tế trong xưởng, phân tích các thao tác chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật của sản phẩm, các lỗi thường gặp và quy tắc an toàn lao động trong lắp ráp, vận hành hệ thống truyền động điện.

Mục II: Thiết kế bài dạy lý thuyết theo quan điểm tích cực hóa quá trình dạy học

Triển khai thiết kế bài giảng lý thuyết chuyên ngành:

  • Xác định mục tiêu bài học về kiến thức, kỹ năng và thái độ theo thang đo nhận thức.
  • Xác định đồ dùng và trang thiết bị dạy học trực quan (tranh vẽ sơ đồ, mô hình phần tử bán dẫn).
  • Phân tích cấu trúc nội dung, xác định kiến thức trọng tâm và xây dựng tiến trình lên lớp theo hình thức tổ chức lớp - bài.
  • Xây dựng hệ thống câu hỏi gợi mở, bài tập tình huống để học sinh tự kiểm tra, tự đánh giá kết quả học tập độc lập.

Mục III: Thiết kế bài học tích hợp theo mô đun

Xây dựng giáo án bài học tích hợp kết hợp giữa lý thuyết chuyên môn và rèn luyện kỹ năng thực hành:

  • Biên soạn bản hướng dẫn thực hiện kỹ năng (phiếu quy trình thực hiện công việc từng bước).
  • Chọn lọc nội dung lý thuyết bổ sung trực tiếp phục vụ cho việc thực hiện kỹ năng thực hành.
  • Lập kế hoạch tổ chức hoạt động thực hành cho học sinh, phiếu đánh giá kết quả thực hành theo tiêu chí định lượng và bản hướng dẫn tự học ở nhà.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán và thiết kế hệ thống

Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của hệ thống được tính toán cụ thể và đối chiếu trực tiếp với yêu cầu thiết kế ban đầu:

Chỉ tiêu kỹ thuật / Thông số Yêu cầu thiết kế Kết quả tính toán trong đồ án Đánh giá mức độ đạt yêu cầu
Công suất động cơ ($P_{đm}$) $11\text{ kW}$ $11\text{ kW}$ (Động cơ $\Pi-61$) Đạt yêu cầu nhiệm vụ
Tốc độ định mức ($n_{đm}$) $1500\text{ v/ph}$ $1500\text{ v/ph}$ Đạt yêu cầu nhiệm vụ
Dải điều chỉnh tốc độ ($D$) $80/1$ $80/1$ ($n$ từ $19$ đến $1500\text{ v/ph}$) Đạt dải điều chỉnh quy định
Sai lệch tĩnh tương đối ($s_t$) $\le 5%$ $0{,}05%$ Thỏa mãn ($0{,}05% < 5%$)
Ngưỡng tác động ngắt dòng ($I_{ng}$) Theo tính toán bảo vệ $71{,}4\text{ A}$ ($1{,}2 I_{đm}$) Khống chế bảo vệ động cơ
Dòng ngắn mạch / Khởi động ($I_{kđ}$) Giới hạn an toàn $130{,}9\text{ A}$ ($2{,}2 I_{đm}$) Nằm trong giới hạn cho phép
Biên độ sóng răng cưa ($U_{rc\max}$) Chuẩn hóa mạch SS $12\text{ V}$ Đảm bảo độ tuyến tính
Nguồn nuôi ổn áp vi mạch Đối xứng $\pm 15\text{ V}$ (IC 7815 / IC 7915) Cung cấp nguồn chuẩn cho KĐTT

Giải pháp và kiến nghị kỹ thuật của tác giả

  • Tác giả đề xuất giải pháp đồng bộ và tạo sóng răng cưa dùng bộ tích phân KĐTT TL084 thay cho sơ đồ $R-C$ truyền thống; giải pháp này triệt tiêu ảnh hưởng của sụt áp nội trở và tạo ra điện áp răng cưa tuyến tính cao.
  • Sử dụng biến áp xung BAX kết hợp tầng khuếch đại Darlington giúp giảm dòng điều khiển từ tầng vi mạch nhưng vẫn cung cấp đủ công suất mở chắc chắn cho các Tiristor công suất.
  • Kiến nghị sử dụng hãm động năng kích từ độc lập cho các hệ truyền động một chiều không đảo chiều vì đảm bảo cấu trúc mạch lực đơn giản nhất, không tiêu tốn năng lượng khi duy trì hãm và an toàn tuyệt đối khi mất nguồn lưới.

Đóng góp của đồ án

So với các đề tài truyền động điện thuần túy, đồ án đóng góp một giải pháp toàn diện cho sinh viên khối Sư phạm Kỹ thuật: vừa giải quyết trọn vẹn bài toán tính toán kỹ thuật mạch lực - mạch điều khiển của hệ truyền động điện Tiristor – Động cơ một chiều 11 kW, vừa hoàn thiện hệ thống tài liệu sư phạm (giáo án bài giảng lý thuyết tích cực hóa và bài dạy tích hợp theo mô đun nghề) có thể áp dụng trực tiếp vào giảng dạy tại các trường cao đẳng và trung cấp nghề.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được nêu trong văn bản

  • Trong tính toán chỉnh lưu hình tia 3 pha, tác giả sử dụng giả thiết lý tưởng hóa: bỏ qua quá trình chuyển mạch giữa các van và giả thiết điện cảm mạch tải vô cùng lớn ($L_d = \infty$).
  • Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha có nhược điểm cố hữu là tạo ra thành phần dòng điện một chiều chạy qua cuộn dây thứ cấp máy biến áp, dễ gây hiện tượng bão hòa từ cục bộ mạch từ máy biến áp nguồn nếu không có kết cấu lõi phù hợp.
  • Hệ thống chỉ hoạt động ở chế độ không đảo chiều quay và điều chỉnh tốc độ bên dưới tốc độ cơ bản (chỉ điều chỉnh điện áp phần ứng, giữ nguyên từ thông kích từ định mức).
  • Toàn bộ kết quả khảo sát đặc tính tĩnh và động dừng lại ở mức độ tính toán giải tích và mô hình hóa hàm truyền, chưa có số liệu đo đạc thực nghiệm từ mô hình phần cứng vật lý trong phòng thí nghiệm.

Hướng mở rộng

  • Nghiên cứu mở rộng sang hệ truyền động đảo chiều quay (sử dụng hai bộ biến đổi đấu song song ngược hoặc mạch đảo chiều dòng phần ứng bằng công tắc tơ).
  • Bổ sung mạch vòng điều khiển làm suy giảm từ thông kích từ để mở rộng phạm vi điều khiển tốc độ lên phía trên tốc độ định mức ($n > n_{đm}$).
  • Chế tạo mô hình phần cứng thực nghiệm mạch điều khiển phát xung khống chế pha đứng để kiểm chứng các dạng sóng xung thực tế trên máy hiện sóng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên và giáo viên các ngành: Sư phạm Kỹ thuật Điện, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện công nghiệp và Hệ thống điện.

  • Đối với chuyên ngành Kỹ thuật: Tài liệu cung cấp phương pháp tính toán chi tiết, có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho đồ án môn học Điện tử công suất và đồ án Truyền động điện tự động, đặc biệt ở các phần:
    • Phương pháp tính chọn máy biến áp xung BAX và tầng khuếch đại Darlington công suất nhỏ.
    • Quy trình tính chọn thông số cuộn kháng san bằng dòng điện $L_{ck}$.
    • Phương pháp giải tích xác định 3 đoạn đặc tính cơ điện tĩnh của hệ T-Đ có khâu ngắt dòng và bão hòa.
  • Đối với chuyên ngành Sư phạm Kỹ thuật: Phần II của đồ án là mẫu giáo án sư phạm nghề hoàn chỉnh, minh họa chi tiết cách thức xây dựng bài dạy tích hợp và bài dạy lý thuyết nghề theo tiếp cận mô đun, hữu ích cho sinh viên làm khóa luận tốt nghiệp sư phạm hoặc giáo viên nghề chuẩn bị bài giảng tích hợp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn phương pháp hãm động năng kích từ độc lập mà không dùng hãm tái sinh hay hãm ngược?

Hệ thống được thiết kế theo yêu cầu công nghệ là không đảo chiều quay, bộ biến đổi Tiristor hình tia 3 pha chỉ làm việc ở chế độ chỉnh lưu mà không có khả năng làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc, do đó không thể thực hiện hãm tái sinh đưa năng lượng trả về lưới. Nếu chọn phương pháp hãm ngược thì bắt buộc phải lắp thêm thiết bị đảo chiều điện áp phần ứng (vì sức điện động $E$ không đổi chiều), làm kết cấu mạch lực trở nên phức tạp. Phương pháp hãm động năng kích từ độc lập có mạch điều khiển đơn giản, không tiêu thụ năng lượng lưới trong quá trình hãm, có khả năng tự hãm dừng khi mất điện lưới và an toàn cho thiết bị.

2. Sơ đồ mạch điều khiển trong đồ án được thiết kế theo nguyên tắc nào và cấu tạo gồm những khối chức năng gì?

Mạch điều khiển được thiết kế theo nguyên tắc khống chế pha đứng đồng bộ với điện áp lưới xoay chiều, chia làm 4 khối chức năng chính:

  • Khối đồng bộ và phát sóng răng cưa (ĐBH & FSRC): Lấy tín hiệu từ biến áp đồng bộ BAĐ và dùng mạch tích phân IC TL084 tạo điện áp răng cưa tuyến tính có biên độ cực đại $12\text{ V}$.
  • Khối so sánh (SS): Dùng IC TL084 so sánh điện áp răng cưa với điện áp điều khiển một chiều $u_{đk}$.
  • Khối sửa xung (SX): Dùng tranzitor và mạch $R-C$ để cố định độ rộng xung ra theo yêu cầu ($t_{xr} = R_7 C_2$).
  • Khối khuếch đại và truyền xung (KĐX & TX): Dùng cặp transistor ghép Darlington A1013 và biến áp xung BAX để tăng công suất xung và truyền tín hiệu cách ly đến cực điều khiển và catốt của Tiristor.

3. Động cơ điện một chiều được lựa chọn trong đồ án có các thông số danh định nào?

Động cơ được lựa chọn là động cơ điện một chiều kích từ độc lập ký hiệu $\Pi-61$ do Liên Xô (cũ) chế tạo với các thông số: công suất định mức $P_{đm} = 11{,}0\text{ kW}$, điện áp định mức $U_{đm} = 220\text{ V}$, dòng điện định mức $I_{đm} = 59{,}5\text{ A}$, tốc độ định mức $n_{đm} = 1500\text{ vòng/phút}$, điện trở phần ứng $R_ư = 0{,}197\ \Omega$, điện cảm phần ứng $L_ư = 0{,}014\text{ H}$, mômen quán tính $GD^2 = 0{,}56\text{ kg}\cdot\text{m}^2$, hệ số động cơ $K_Đ = 7{,}2$.

4. Hệ thống đạt độ sai lệch tĩnh thực tế là bao nhiêu so với yêu cầu ban đầu?

Nhiệm vụ thiết kế yêu cầu sai lệch tĩnh tương đối của hệ thống phải đạt $\delta \le 5%$. Qua tính toán giải tích trên đường đặc tính cơ thấp nhất (ứng với tốc độ định mức thấp nhất $n_{đm\min} \approx 19\text{ v/ph}$ ở dải điều chỉnh $D = 80/1$), độ sụt tốc độ tương đối của hệ thống là $s_t = 0{,}05%$. Kết quả này nhỏ hơn rất nhiều so với ngưỡng giới hạn cho phép ($0{,}05% < 5%$), chứng minh hệ thống mạch vòng kín có độ cứng đặc tính cơ rất cao và đáp ứng tốt chỉ tiêu chất lượng tĩnh.

5. Khâu phản hồi âm dòng điện có ngắt can thiệp vào hoạt động của hệ thống tại các mốc dòng điện nào?

Khâu phản hồi âm dòng điện có ngắt sử dụng tín hiệu từ máy biến dòng BD37 và ngưỡng so sánh $10\text{ V}$, can thiệp vào hệ thống theo các mốc:

  • Điểm ngắt dòng: Bắt đầu tác động khi dòng phần ứng đạt $I_{ng} = 1{,}2 I_{đm} = 71{,}4\text{ A}$. Dưới ngưỡng này, khâu phản hồi dòng điện chưa làm việc.
  • Điểm bão hòa phản hồi tốc độ: Tại dòng điện $I_{bh} = 77{,}1\text{ A}$, khâu phản hồi tốc độ bị bão hòa hoàn toàn.
  • Giới hạn dòng khởi động tối đa: Tại điểm dừng tốc độ $n = 0$, dòng điện bị chặn ở mức ngắn mạch/khởi động an toàn $I_{kđ} = 130{,}9\text{ A}$ (tương đương $2{,}2 I_{đm}$), bảo vệ an toàn cho bộ biến đổi và cổ góp động cơ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Đỗ Thị Ly đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật hệ truyền động Tiristor – Động cơ một chiều kích từ độc lập công suất $11\text{ kW}$ sử dụng sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha và hệ thống điều khiển khống chế pha đứng. Các kết quả tính toán giải tích mạch động lực, mạch điều khiển, mạch phản hồi và đặc tính cơ điện đều thỏa mãn chặt chẽ các chỉ tiêu kỹ thuật đặt ra về dải điều chỉnh ($D = 80/1$) và sai lệch tĩnh ($s_t = 0{,}05% \le 5%$). Đồng thời, công trình thể hiện rõ nét tính đặc thù của ngành Sư phạm Kỹ thuật khi kết hợp nhuần nhuyễn nội dung thiết kế kỹ thuật chuyên sâu với hệ thống giáo án giảng dạy lý thuyết và bài học tích hợp nghề nghiệp theo mô đun đào tạo thực tế.