Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các hệ thống truyền động điện công nghiệp và giao thông vận tải, động cơ điện một chiều (DC) kích từ độc lập giữ vai trò quan trọng nhờ đặc tính khởi động tốt, mô-men mở máy lớn và khả năng điều chỉnh tốc độ liên tục trong dải rộng. Để đáp ứng các yêu cầu công nghệ của máy sản xuất, việc cấp nguồn và điều khiển điện áp phần ứng động cơ đòi hỏi các bộ biến đổi bán dẫn có hiệu suất cao và độ tin cậy ổn định. Đồ án môn học Điện tử công suất với 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 Nguyễn Hoài Nam (Mã sinh viên: 1911505510227, Lớp học phần: 221DADTDCS2002 / 221DADTCS2002) dưới sự hướng dẫn của Th.S Võ Khánh Thoại tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng (hoàn thành ngày 20 tháng 5 năm 2022).

Nhiệm vụ trọng tâm của đề tài được xác định theo các nội dung kỹ thuật cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập và phân tích các phương pháp điều chỉnh tốc độ, trọng tâm là phương pháp thay đổi điện áp phần ứng.
  2. Khảo sát lý thuyết về mạch chỉnh lưu cầu ba pha (chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu điều khiển đối xứng và không đối xứng).
  3. Thiết kế và tính chọn chi tiết các phần tử của mạch động lực: lựa chọn van bán dẫn Thyristor, tính toán thiết kế máy biến áp động lực và tính toán cuộn kháng lọc san bằng dòng điện.
  4. Thiết kế và tính chọn các phần tử mạch điều khiển phát xung mở Thyristor theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính.
  5. Xây dựng mạch bảo vệ hệ thống và đưa ra kết luận.
  6. Xây dựng mô hình mô phỏng kiểm chứng hoạt động của hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink.
  7. Thực hiện bản vẽ tổng thể khổ A1 thể hiện sơ đồ nguyên lý mạch động lực, mạch điều khiển và mạch bảo vệ.

Đối tượng nghiên cứu là hệ truyền động chỉnh lưu cầu ba pha cấp nguồn cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập có các thông số kỹ thuật ban đầu:

  • Điện áp lưới nguồn xoay chiều ba pha: $220/380\text{ V}$, tần số $50\text{ Hz}$.
  • Công suất định mức của động cơ: $P_{\text{đm}} = 12\text{ kW}$.
  • Điện áp định mức phần ứng: $U_{\text{đm}} = 220\text{ V}$.
  • Tốc độ quay định mức: $n_{\text{đm}} = 1350\text{ vòng/phút}$.
  • Hiệu suất định mức: $\eta_{\text{đm}} = 0{,}85$.
  • Mô-men quán tính: $J = 0{,}45\text{ kg}\cdot\text{m}^2$.
  • Hệ số dự trữ điện áp lựa chọn: $K_u = 1{,}5 \div 1{,}8$.
  • Hệ số dự trữ dòng điện lựa chọn: $K_i = 1{,}1 \div 1{,}4$.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quy trình tính toán kỹ thuật giải tích mạch động lực, mạch từ, kết cấu dây quấn máy biến áp, cuộn kháng lọc và mạch điều khiển điện tử tương tự.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng lý thuyết máy điện một chiều, truyền động điện tự động và kỹ thuật biến đổi điện tử công suất. Động cơ điện một chiều làm việc ở chế độ động cơ khi sức điện động cảm ứng nhỏ hơn điện áp nguồn đặt vào ($E < U$), khi đó dòng điện phần ứng $I_ư$ đi ngược chiều với $E$. Phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng được xác lập:

$$U_ư = E_ư + (R_ư + R_f) I_ư$$

Trong đó:

  • $R_ư = r_ư + r_{\text{cf}} + r_{\text{cb}} + r_{\text{ct}}$ là tổng điện trở mạch phần ứng (gồm điện trở cuộn dây phần ứng, cực từ phụ, cuộn bù và tiếp xúc chổi than).
  • $R_f$ là điện trở phụ mắc thêm vào mạch phần ứng.
  • $E_ư = K \Phi \omega = \frac{p N}{2 \pi a} \Phi \omega$ là sức điện động phần ứng.
  • Mô-men điện từ sinh ra bởi động cơ: $M = K \Phi I_ư$.

Từ hệ phương trình trên, phương trình đặc tính cơ - điện và đặc tính cơ của động cơ được xác lập dưới dạng:

$$\omega = \frac{U_ư}{K \Phi_{\text{đm}}} - \frac{R_ư + R_f}{K \Phi_{\text{đm}}} I_ư$$

$$\omega = \frac{U_ư}{K \Phi_{\text{đm}}} - \frac{R_ư + R_f}{(K \Phi_{\text{đm}})^2} M$$

Chất lượng của hệ truyền động được đánh giá qua ba chỉ tiêu cơ bản:

  • Sai số tĩnh tốc độ: $s% = \frac{|\Delta \omega|}{\omega_0} \times 100$ (yêu cầu càng nhỏ càng tốt).
  • Tính liên tục (độ trơn điều chỉnh): đánh giá khả năng làm việc ổn định trên toàn bộ dải điều chỉnh.
  • Dải điều chỉnh tốc độ: $D = \frac{\omega_{\max}}{\omega_{\min}}$.

Tác giả so sánh ba phương pháp điều chỉnh tốc độ kinh điển:

  1. Mắc điện trở phụ vào mạch phần ứng ($R_f$): Giữ nguyên $U_ư$ và $\Phi_{\text{đm}}$, tăng $R_f$. Phương pháp này làm giảm độ cứng đặc tính cơ ($\beta = \Delta M / \Delta \omega$), đặc tính dốc hơn, chỉ điều chỉnh giảm tốc độ dưới mức định mức, tổn hao năng lượng trên $R_f$ lớn, điều chỉnh nhảy cấp, dải điều chỉnh hẹp ($D = 3:1$).
  2. Thay đổi từ thông kích từ ($\Phi$): Giữ nguyên $U_{\text{đm}}$, giảm dòng kích từ $I_{\text{kt}}$ để giảm $\Phi$. Tốc độ không tải lý tưởng tăng lên, đặc tính cơ mềm đi, điều chỉnh tốc độ phía trên tốc độ định mức với công suất không đổi, dải điều chỉnh đạt $D = 3:1$.
  3. Thay đổi điện áp đặt vào mạch phần ứng ($U_ư$): Giữ nguyên từ thông $\Phi_{\text{đm}}$, giảm điện áp $U_ư < U_{\text{đm}}$ thông qua bộ biến đổi. Độ cứng đặc tính cơ $\beta = \text{const}$, các đường đặc tính cơ dịch chuyển song song xuống phía dưới, giữ nguyên mô-men định mức, cho phép điều chỉnh trơn và liên tục với dải điều chỉnh đạt $D = 10:1$ đến $20:1$.

Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng được lựa chọn làm cơ sở cốt lõi để thiết kế hệ thống điều khiển kết hợp bộ biến đổi chỉnh lưu Tiristor.

Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đồ án là phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật kết hợp phân tích chuỗi Fourier sóng hài:

  • Tính toán chọn van bán dẫn theo điều kiện dòng điện, điện áp và chế độ tỏa nhiệt.
  • Tính toán mạch từ và kết cấu cuộn dây của máy biến áp chỉnh lưu và cuộn kháng lọc dựa trên hệ thống công thức giải tích máy điện tiêu chuẩn.
  • Phân tích chuỗi Fourier điện áp chỉnh lưu đập mạch ($p = 6$) để xác định thành phần sóng hài bậc một ($k = 1$), làm căn cứ tính toán điện cảm lọc $L_k$.
  • Phương pháp điều khiển phát xung tương tự dựa trên nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính dùng vi mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amp).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống truyền động bao gồm mạch lực và mạch điều khiển. Mạch lực nhận nguồn xoay chiều 3 pha $380\text{ V}$, hạ áp qua máy biến áp chỉnh lưu đấu $\Delta/Y$, cấp vào bộ chỉnh lưu cầu 3 pha gồm 6 Thyristor mắc đối xứng, nối tiếp qua cuộn kháng lọc cấp nguồn một chiều cho động cơ DC.

Bảng thông số tính chọn van động lực (Thyristor T60N600BOC)

Dựa trên điện áp ngược cực đại tính toán $U_{n\max} = 230{,}38\text{ V}$, điện áp ngược yêu cầu sau khi áp dụng hệ số dự trữ $K_{dtU} = 1{,}8$ là $U_{nv} \approx 415\text{ V}$; dòng điện tải qua động cơ $I_d = 64{,}17\text{ A}$, dòng hiệu dụng qua van $I_{hd} = 37{,}04\text{ A}$, tác giả lựa chọn 6 Thyristor loại T60N600BOC với các thông số định mức:

Thông số kỹ thuật của Thyristor Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Điện áp ngược cực đại $U_n$ 600 $\text{V}$
Dòng điện định mức của van $I_{\text{đm}}$ 60 $\text{A}$
Đỉnh xung dòng điện cho phép $I_{\text{pik}}$ 1400 $\text{A}$
Dòng điện xung điều khiển $I_{\text{đk}}$ 150 $\text{mA}$
Điện áp xung điều khiển $U_{\text{đk}}$ 1,4 $\text{V}$
Dòng điện tự giữ $I_h$ 200 $\text{mA}$
Dòng điện rò $I_r$ 25 $\text{mA}$
Sụt áp lớn nhất ở trạng thái dẫn $\Delta U$ 1,8 $\text{V}$
Tốc độ biến thiên điện áp $dU/dt$ 400 $\text{V/\mu s}$
Tốc độ biến thiên dòng điện $dI/dt$ 200 $\text{A/\mu s}$
Thời gian chuyển mạch $t_{cm}$ 180 $\mu\text{s}$
Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép $T_{\max}$ 125 $^\circ\text{C}$

Tính toán và thiết kế máy biến áp chỉnh lưu

Máy biến áp ba pha ba trụ kiểu khô, làm mát bằng không khí tự nhiên, sơ đồ đấu dây $\Delta/Y$:

  • Công suất biểu kiến: $S_{BA} = 14823{,}52\text{ VA}$ (với hệ số công suất $K_s = 1{,}05$).
  • Điện áp pha sơ cấp: $U_1 = 380\text{ V}$; Điện áp pha thứ cấp: $U_2 = 104{,}05\text{ V}$.
  • Dòng điện hiệu dụng pha: sơ cấp $I_1 = 14{,}34\text{ A}$, thứ cấp $I_2 = 52{,}39\text{ A}$.
  • Mạch từ: Lõi thép kỹ thuật điện 330 dày $0{,}5\text{ mm}$, tiết diện hiệu dụng trụ $Q_T = 52{,}25\text{ cm}^2$, đường kính trụ $d = 9\text{ cm}$, tỷ số chiều cao/đường kính $h/d = 2{,}3$. Tiết diện gông $Q_{bg} = 74{,}8\text{ cm}^2$. Mật độ từ cảm trong trụ $B_T = 1{,}1142\text{ T}$, trong gông $B_g = 0{,}797\text{ T}$.
  • Dây quấn bằng đồng cách điện cấp B:
    • Cuộn sơ cấp: Tiết diện dây $S_1 = 6\text{ mm}^2$, mật độ dòng $J_1 = 2{,}39\text{ A/mm}^2$, số vòng $W_1 = 287$ vòng (quấn thành 12 lớp).
    • Cuộn thứ cấp: Tiết diện dây $S_2 = 21{,}5\text{ mm}^2$, mật độ dòng $J_2 = 2{,}43\text{ A/mm}^2$, số vòng $W_2 = 78$ vòng (quấn thành 4 lớp).
  • Khối lượng vật liệu: Khối lượng sắt từ $M_{Fe} = 79{,}53\text{ kg}$; Khối lượng đồng $M_{Cu} = 38{,}181\text{ kg}$.
  • Thông số ngắn mạch và sụt áp quy đổi về thứ cấp ở $75^\circ\text{C}$: Điện trở $R_{BA} = 0{,}045\ \Omega$, điện kháng $X_{BA} = 0{,}108\ \Omega$, tổng trở ngắn mạch $Z_{BA} = 0{,}117\ \Omega$, điện cảm $L_{BA} = 0{,}34\text{ mH}$, điện áp ngắn mạch $U_n% = 5{,}88%$, dòng điện ngắn mạch xác lập $I_{2nm} = 889{,}31\text{ A}$. Tốc độ biến thiên dòng chuyển mạch đạt $di_c/dt = 0{,}36\text{ A/\mu s}$, nhỏ hơn nhiều so với giá trị cho phép $100\text{ A/\mu s}$.

Thiết kế cuộn kháng lọc san bằng dòng điện

Để hạn chế dòng đập mạch và tránh chế độ dòng điện gián đoạn ở dải điều chỉnh sâu ($D = 20:1$, tương ứng góc mở lớn nhất $\alpha_{\max} = 78{,}35^\circ$ và $U_{d\min} = 49{,}15\text{ V}$), biên độ sóng hài xoay chiều bậc 1 ($p=6$) được khống chế ở mức $I_{1m} \le 10% I_{\text{đm}} = 6{,}417\text{ A}$.

  • Điện cảm cuộn kháng yêu cầu: $L_k = 5{,}08\text{ mH}$.
  • Tổng trở cuộn kháng: $Z_k \approx X_k = 9{,}57\ \Omega$; Điện áp rơi trên cuộn kháng: $\Delta U = 43{,}42\text{ V}$.
  • Mạch từ: Thép lá kỹ thuật 330A dày $0{,}35\text{ mm}$, kích thước trụ $a \times b = 20\text{ mm} \times 25\text{ mm}$, mật độ từ cảm $B_T = 0{,}8\text{ T}$.
  • Dây quấn: Số vòng dây $W = 87$ vòng, tiết diện dây chữ nhật $S_k = 27{,}90\text{ mm}^2$ ($3{,}5\text{ mm} \times 8\text{ mm}$), mật độ dòng điện $j = 2{,}3\text{ A/mm}^2$.
  • Khối lượng vật liệu cuộn kháng: Khối lượng sắt $M_{Fe} = 0{,}475\text{ kg}$; Khối lượng đồng $M_{Cu} = 4{,}9\text{ kg}$.

Cấu trúc mạch điều khiển Thyristor

Mạch điều khiển được xây dựng theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính gồm các khối chức năng chính:

  • Khâu đồng pha: Nhận điện áp xoay chiều từ cực Anot của Thyristor qua biến áp đồng pha. Sử dụng Op-Amp A1 tạo xung chữ nhật đồng bộ cực tính, kết hợp Diode D1, Op-Amp tích phân A2 và tranzitơ Tr xả điện tích tụ C để tạo chuỗi điện áp tựa răng cưa $U_{rc}$ gián đoạn, có sườn dốc tuyến tính và độ chính xác cao trong nửa chu kỳ dương.
  • Khâu so sánh: Sử dụng Op-Amp so sánh điện áp răng cưa $U_{rc}$ với điện áp điều khiển một chiều $U_{\text{đk}}$. Tại thời điểm $U_{\text{đk}} = U_{rc}$, đầu ra khâu so sánh lật trạng thái tạo sườn xung kích mở van, cho phép điều chỉnh liên tục góc mở $\alpha$ từ $\alpha_{\min} = 10^\circ$ đến $\alpha_{\max} = 78{,}35^\circ$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập và các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ; phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Chương này trình bày cơ sở vật lý và nguyên lý cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm Stato (phần cảm) và Rôto (phần ứng, cổ góp và chổi than). Thiết lập phương trình cân bằng điện áp, phương trình đặc tính cơ - điện và đặc tính cơ tự nhiên. Phân tích chi tiết ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ: thay đổi điện trở mạch phần ứng, thay đổi từ thông kích từ và thay đổi điện áp phần ứng. Tác giả chứng minh phương pháp thay đổi điện áp phần ứng là tối ưu nhất vì giữ nguyên từ thông định mức, duy trì độ cứng đặc tính cơ cao và ổn định, cho phép điều chỉnh trơn trong dải rộng dưới tốc độ định mức và dễ dàng tự động hóa khi kết hợp với các bộ biến đổi chỉnh lưu điều khiển. Chương này cũng phân tích hiện tượng hãm tái sinh xảy ra khi giảm mạnh điện áp phần ứng từ $U_1$ xuống $U_3$, làm điểm làm việc chuyển ngang sang vùng hãm trước khi xác lập trạng thái mới.

Chương 2: Lý thuyết về chỉnh lưu cầu ba pha

Chương 2 khảo sát cấu trúc và nguyên lý vận hành của các sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha:

  • Chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển dùng 6 đi-ốt: phân tích giản đồ dẫn dòng ($120^\circ$ mỗi đi-ốt), biểu thức điện áp trung bình $U_{d0} = 2{,}34 U_{2f}$, điện áp ngược van $U_{ND} = \sqrt{6} U_{2f} = 2{,}45 U_{2f}$.
  • Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng gồm 6 Thyristor ghép từ hai nhóm: nhóm catot chung (T1, T3, T5) và nhóm anot chung (T2, T4, T6). Để van dẫn, mỗi thời điểm cần phát đồng thời hai xung điều khiển vào hai van thuộc hai nhóm khác nhau. Khi góc mở $\alpha > 60^\circ$ với tải có điện cảm nhỏ, điện áp tải chuyển sang trạng thái gián đoạn.
  • Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng gồm một nhóm van có điều khiển và một nhóm van không điều khiển, cho điện áp trung bình $U_{\text{tb}} = \frac{3\sqrt{3}}{2\pi} U_{\text{day}(\max)} (1 + \cos\alpha)$. Tuy mạch điều khiển đơn giản hơn nhưng sơ đồ này tạo ra thành phần sóng hài bậc cao lớn hơn. Tác giả kết luận sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng có chất lượng điện áp tốt nhất và hiệu suất sử dụng máy biến áp cao nhất ($S_{BA} = 1{,}05 U_d I_d$), do đó được chọn để thiết kế mạch động lực.

Chương 3: Thiết kế và tính chọn các phần tử mạch động lực

Chương 3 là phần tính toán trọng tâm của đồ án, bao gồm:

  1. Tính chọn van bán dẫn Thyristor loại T60N600BOC chịu điện áp $600\text{ V}$, dòng $60\text{ A}$ trên cơ sở tính toán dòng tải hiệu dụng $37{,}04\text{ A}$ và điện áp ngược $230{,}38\text{ V}$.
  2. Tính toán thiết kế toàn diện máy biến áp ba pha ba trụ kiểu khô ($380/104{,}05\text{ V}$, công suất $14{,}82\text{ kVA}$): tính toán kích thước hình học mạch từ, số vòng dây, tiết diện dây dẫn sơ/thứ cấp, kiểm nghiệm nhiệt độ và điện trở dây quấn ở $75^\circ\text{C}$, tính toán tổng trở ngắn mạch ($Z_{BA} = 0{,}117\ \Omega$) và kiểm tra tốc độ biến thiên dòng chuyển mạch $di_c/dt = 0{,}36\text{ A/\mu s} < 100\text{ A/\mu s}$.
  3. Tính toán thiết kế cuộn kháng lọc san bằng dòng điện: phân tích sóng hài điện áp tải theo chuỗi Fourier, tính chọn điện cảm $L_k = 5{,}08\text{ mH}$, thiết kế kết cấu lõi thép chữ nhật $20 \times 25\text{ mm}$, quấn 87 vòng dây đồng chữ nhật $3{,}5 \times 8\text{ mm}$ bảo đảm biên độ sóng hài bậc một không vượt quá 10% dòng tải định mức.

Chương 4: Thiết kế và tính chọn các phần tử mạch điều khiển

Chương 4 tập trung vào hệ thống phát xung mở Thyristor. Trình bày lý thuyết kích mở van bằng xung dòng dương cực điều khiển và so sánh hai nguyên tắc điều khiển: nguyên tắc điều khiển nằm ngang và nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Lựa chọn phương pháp thẳng đứng tuyến tính nhờ độ tuyến tính cao giữa góc mở $\alpha$ và điện áp điều khiển $U_{\text{đk}}$. Thiết kế chi tiết sơ đồ nguyên lý của khâu đồng pha (dùng Op-Amp A1 tạo xung chữ nhật, Op-Amp tích phân A2 kết hợp mạch xả tranzitơ tạo điện áp răng cưa $U_{rc}$) và khâu so sánh (Op-Amp so sánh $U_{rc}$ với $U_{\text{đk}}$ để xác định chính xác thời điểm xuất xung kích).

Chương 5: Mạch bảo vệ và kết luận

Theo nhiệm vụ đồ án được giao, chương này đảm nhiệm việc thiết kế các khối bảo vệ mạch động lực và mạch điều khiển (bảo vệ quá dòng, quá áp cho Thyristor bằng mạch RC, bảo vệ ngắn mạch bằng cầu chì tác động nhanh) và tổng kết toàn bộ nội dung tính toán thiết kế của đồ án.

Chương 6: Mô phỏng mạch trên Matlab/Simulink

Chương này thực hiện mô hình hóa hệ thống truyền động trên môi trường mô phỏng Matlab/Simulink theo đề cương nhiệm vụ, nhằm kiểm chứng các dạng sóng điện áp, dòng điện mạch động lực, quá trình chuyển mạch của các van bán dẫn và đặc tính khởi động, điều chỉnh tốc độ của động cơ DC.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành các mục tiêu kỹ thuật cụ thể với hệ thống số liệu tính toán chi tiết:

  • Xác lập cấu hình hệ truyền động chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng kết hợp cuộn kháng lọc cho động cơ điện một chiều $12\text{ kW}$.
  • Tính chọn thành công 6 van Thyristor T60N600BOC với hệ số dự trữ điện áp đạt trên 2,6 lần và hệ số dự trữ dòng điện đạt 1,6 lần so với chế độ làm việc danh định.
  • Hoàn thiện bộ thông số thiết kế máy biến áp chỉnh lưu ba pha công suất $14{,}82\text{ kVA}$, xác định tổng khối lượng đồng ($38{,}181\text{ kg}$) và thép từ ($79{,}53\text{ kg}$), bảo đảm sụt áp ngắn mạch $U_n% = 5{,}88%$ và tốc độ chuyển mạch dòng điện an toàn ($di_c/dt = 0{,}36\text{ A/\mu s}$).
  • Tính toán thành công thông số cuộn kháng lọc $L_k = 5{,}08\text{ mH}$ với $W = 87$ vòng quấn, khống chế độ đập mạch dòng điện $I_{1m} \le 6{,}417\text{ A}$ (dưới 10% $I_{\text{đm}}$) trên toàn dải điều chỉnh góc mở lên tới $78{,}35^\circ$.
  • Thiết kế mạch điều khiển tương tự dùng khâu tạo điện áp tựa răng cưa và khâu so sánh Op-Amp theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính, bảo đảm điều chỉnh góc mở liên tục.

Về mặt học thuật và kỹ thuật, đồ án đóng góp một quy trình thiết kế hoàn chỉnh, tường minh từ khâu phân tích phụ tải cơ điện, tính chọn linh kiện bán dẫn đến tính toán thiết kế chi tiết kết cấu hình học và tham số điện từ của máy biến áp và cuộn cảm lọc san bằng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù đã hoàn thành các nội dung tính toán thiết kế theo nhiệm vụ, đồ án bộc lộ một số giới hạn dựa trên phân tích phạm vi nghiên cứu:

  • Hệ thống truyền động được thiết kế ở dạng cấu trúc hở. Như tác giả đã chỉ ra ở Chương 1, hệ hở có độ sụt tốc tương đối lớn nhất tại vùng đặc tính cơ thấp nhất, do đó dải điều chỉnh bị giới hạn (thường không vượt quá $D = 10:1$ khi duy trì sai số tĩnh cho phép) và không thể tự động bù sụt áp khi phụ tải thay đổi đột ngột.
  • Ở góc mở lớn ($\alpha > 60^\circ$), điện áp tải có nguy cơ bị gián đoạn nếu thành phần điện kháng lọc không đủ lớn, làm xấu chế độ chuyển mạch của cổ góp chổi than.
  • Các sóng hài điện áp và dòng điện bậc cao sinh ra từ bộ biến đổi vẫn tồn tại, gây tổn hao phụ dưới dạng nhiệt trên động cơ.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được văn bản đề xuất hoặc định hướng:

  • Thiết kế khép kín vòng điều khiển tốc độ và dòng điện (hệ truyền động vòng kín hai mạch vòng điều khiển PI/PID) để nâng cao độ cứng đặc tính cơ và mở rộng dải điều chỉnh tốc độ.
  • Hoàn thiện mô hình mô phỏng chi tiết trên Matlab/Simulink nhằm khảo sát các trạng thái động học (khởi động, hãm tái sinh, đảo chiều và đột biến tải).
  • Triển khai thi công chế tạo mô hình thực nghiệm mạch động lực và mạch điều khiển dựa trên bản vẽ nguyên lý A1.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án môn học này là tài liệu tham khảo kỹ thuật cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa khi thực hiện đồ án môn học Điện tử công suất hoặc đồ án Truyền động điện.
  • Giảng viên và người học cần tài liệu tra cứu quy trình giải tích tính toán máy biến áp chuyên dụng cho bộ biến đổi và cuộn kháng lọc dòng điện một chiều.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống điều khiển tương tự cho các bộ chỉnh lưu Thyristor công suất vừa và nhỏ.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lựa chọn phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng thay vì điều chỉnh từ thông kích từ?
Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng cho phép giữ nguyên từ thông ở giá trị định mức, do đó duy trì độ cứng đặc tính cơ không đổi trong toàn dải điều chỉnh. Phương pháp này cho phép điều chỉnh trơn từ tốc độ định mức trở xuống với mô-men không đổi và dải điều chỉnh rộng ($D = 10:1$ đến $20:1$), trong khi phương pháp giảm từ thông chỉ điều chỉnh được ở vùng tốc độ phía trên tốc độ định mức và làm giảm độ cứng đặc tính cơ.

2. Thông số định mức của van Thyristor T60N600BOC được chọn như thế nào so với yêu cầu tính toán?
Van T60N600BOC có điện áp ngược cực đại $U_n = 600\text{ V}$ (yêu cầu tính toán với hệ số dự trữ là $415\text{ V}$) và dòng điện định mức $I_{\text{đm}} = 60\text{ A}$ (dòng hiệu dụng làm việc của van là $37{,}04\text{ A}$), đáp ứng đầy đủ các điều kiện dự trữ điện áp và dòng điện khi làm mát tự nhiên có cánh tản nhiệt.

3. Cuộn kháng lọc trong mạch động lực có vai trò gì và được tính chọn dựa trên tiêu chí nào?
Cuộn kháng lọc có nhiệm vụ san bằng dòng điện một chiều, hạn chế vùng dòng điện gián đoạn khi góc mở $\alpha$ lớn và triệt tiêu các thành phần sóng hài bậc cao gây nóng máy và ảnh hưởng đến vành góp động cơ. Cuộn cảm được tính chọn tại góc mở lớn nhất $\alpha_{\max} = 78{,}35^\circ$ với tiêu chí biên độ sóng hài dòng điện xoay chiều bậc một không vượt quá 10% dòng định mức ($I_{1m} \le 6{,}417\text{ A}$), cho ra giá trị điện cảm yêu cầu là $5{,}08\text{ mH}$.

4. Mạch điều khiển van Thyristor hoạt động theo nguyên tắc nào?
Mạch điều khiển hoạt động theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. Khâu đồng pha dùng Op-Amp và mạch tích phân tạo ra chuỗi điện áp tựa răng cưa $U_{rc}$ đồng bộ với điện áp pha của lưới điện. Sau đó, khâu so sánh Op-Amp sẽ so sánh $U_{rc}$ với điện áp điều khiển một chiều $U_{\text{đk}}$; tại thời điểm $U_{\text{đk}} = U_{rc}$, mạch sẽ tạo xung kích mở cấp đến cực điều khiển của Thyristor.

Kết luận

Đồ án môn học của sinh viên Nguyễn Hoài Nam đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng cấp nguồn cho động cơ DC kích từ độc lập công suất $12\text{ kW}$. Báo cáo cung cấp đầy đủ các cơ sở lý thuyết, quy trình giải tích tính chọn van bán dẫn T60N600BOC, thiết kế chi tiết kết cấu máy biến áp $14{,}82\text{ kVA}$, cuộn kháng lọc $5{,}08\text{ mH}$ và mạch phát xung điều khiển tương tự theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. Công trình là tài liệu kỹ thuật có tính hệ thống cao, phản ánh sát thực tế yêu cầu tính toán thiết kế phần cứng trong lĩnh vực Điện tử công suất và Truyền động điện.