Đồ án tổng hợp hệ điện cơ Svtk: Phm c
Dng
`Mục lục
STT NộI DUNG TRANG
1 Lời nói đầu 2
2 Phần I : Phân tích hệ truyền động với
các mạch vòng phản hồi
4
3 Phần II : Phân tích lựa chọn phơng án
truyền động điện
12
4 Phần III : Tính chọn một số thiết bị 76
5 Phần IV : Xây dựng đặc tính tĩnh và
kiểm tra chất lợng tĩnh
93
6 Phần V : Thuyết minh sơ đồ nguyên lý 101
7 Tài liệu tham khảo 104
Lời nói đầu
Trong công cuộc công nghiệp hoá và hiện đại hoá hiện nay, ngành tự
động hoá đóng một vai trò hết sức quan trọng. Việc áp dụng các hệ thống
truyền động theo vòng kín nhằm tăng năng suất và tăng hiệu quả kinh tế.
Một hệ thống làm việc ổn định thì sẽ cho ra những sản phẩm đảm bảo chất
lợng cao.
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, đặc biệt là ngành
điện tử công suất. Với việc phát minh ra các linh kiện bán dẫn đã và đang
ngày càng đáp ứng đợc các yêu cầu của các hệ thống truyền động. Ưu điểm
của việc sử dụng các linh kiện bán dẫn mà làm cho hệ thống trở nên gọn
nhẹ hơn, giá thành thấp hơn và có độ chính xác tác động cao hơn. Với nhu
Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp
1
Đồ án tổng hợp hệ điện cơ Svtk: Phm c

Sinh viên thiết kế
Phan Anh Hải

Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp
2
Đồ án tổng hợp hệ điện cơ Svtk: Phm c
Dng
Phần I : Phân tích hệ truyền động với các
mạch vòng phản hồi
Nh chúng ta đã biết với những hệ điều tốc điều khiển mạch vòng hở ,
nếu không yêu cầu cao đối với chất lợng tĩnh và động thì nó cũng có thể
thực hiện điều tốc vô cấp trong một phạm vi nhất định. Tuy nhiên ngày nay
ngời ta thờng ít sử dụng hệ hở bởi những nhợc điểm của chúng là rất lớn
không thể đáp ứng đợc yêu cầu công nghệ , yêu cầu về chất lợng sản phẩm .
Để khắc phục điều đó ngời ta sử dụng hệ kín .
Theo lý thuyết điều khiển tự động , hệ thống điều tốc mạch vòng kín điều
khiển phản hồi là dựa vào độ chênh lệch của đại lợng bị điều khiển thực
hiện hệ thống điều khiển . Chỉ cần lợng điều khiển bị xuất hiện độ chênh
lệch là nó sẽ tự động tạo ra chức năng để cải chính độ chênh lệch . Lợng
giảm tốc độ quay chính là độ chênh lệch tốc độ quay do phụ tải gây ra.
Hiển nhiên hệ thống điều tốc mạch vòng kín càng có khả năng giảm mạnh
độ giảm vận tốc .
Sau đây ta sẽ xét đến cấu tạo của hệ thống điều tốc mạch vòng kín và
đặc tính tĩnh của nó.
Trên trục động cơ lắp đặt một sensin TG từ đó dẫn ra một điện áp phản hồi
Un tỉ lệ thuận với đại lợng đo tốc độ quay , sau khi so sanh với điện áp U
*
n
ứng với tốc độ quay cho trớc sẽ tồn tại chênh lệch điện áp Un , qua bộ
khuếch đại A sinh ra điện áp điều khiển Uet của bộ phát xung GT dùng để

UnnUUn =
*
- Bộ khuếch đại :
UnKpUet = .
- Bộ chỉnh lu và bộ phát xung :
UetKsUdo .=
- Đặc tính cơ vòng hở của hệ thống.
Ce
RIdUdo
n
.
=
- Sensin :
nUn .

=
Trong đó : Kp : hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại .
Ks : hệ số khuếch đại của bộ biến đổi .
: Hệ số phản hồi đo tốc độ .
Từ các phơng trình trên ta tìm đợc phơng trình đặc tính cơ của hệ kín nh sau
:
)1.(
.
)1(

)/ 1.(

**
KCe
RId

e

1/c
e
k
p
k
s
1/c
e

u
n
*

u
n
u
n
( - )
n
n
i
d.
r
( - )
u
n

u

đợc bố trí bộ khuếch đại .
Trên đây ta chỉ phân tích hệ thống kín với một mạch vòng phản hồi . Ngày
nay hệ thống trang bị đòi hỏi chất lợng rất cao vì vậy ngời ta không chỉ
dừng lại ở hệ kín với một mạch vòng phản hồi mà sử dụng nhiều mạch vòng
phản hồi .
Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp
5
Đồ án tổng hợp hệ điện cơ Svtk: Phm c
Dng
Điều khiển nhiều mạch vòng là điều khiển hệ thống có từ hai mạch vòng trở
lên, vòng này đan xen lồng vào vòng kia tạo nên, tơng đơng hệ thống nối
cực trong quá trình điều khiển.
Phổ biến hiện nay là sử dụng hệ thống phản hồi với hai mạch vòng
phản hồi là âm tốc độ và âm dòng. Để khởi động nhanh nhất trong điều
kiện cho phép , mấu chốt là ở chỗ cần phải nhận đợc một quá trình có dòng
điện không đổi cực đại I
đm
. Theo quy luật điều khiển phản hồi , dùng phản
hồi âm một đại lợng vật lý nào đó là có thể giữ cho đại lợng ấy cơ bản bất
biến , thế thì dùng phản hồi âm dòng điện thì có thể nhận đợc quá trình
dòng điện gần nh không đổi . Vấn đề là yêu cầu trong quá trình khởi động
yêu cầu chỉ có phản hồi âm dòng điện mà không thể đồng thời có thêm
phản hồi âm tốc độ. Sau khi đạt tới tốc độ quay trạng thái ổn định, lúc này
yêu cầu lại chỉ có phản hồi âm tốc độ quay mà không có phản hồi âm dòng
điện. Làm sao có thể thực hiện đợc tác dụng của hai loại phản hồi vừa cả
âm tốc độ quay và cả âm dòng điện , lại vừa có thể làm cho chúng chỉ gây
tác dụng riêng biệt trong những giai đoạn khác nhau ? Hệ thống điều khiển
tốc độ hai mạch vòng kín chính là dùng để giải quyết vấn đề này.
Có thể xây dựng trên hai sơ đồ cấu trúc :
+ Có hai mạch vòng phản hồi nhng chỉ có một bộ điều chỉnh .

=
Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp
6
Đồ án tổng hợp hệ điện cơ Svtk: Phm c
Dng
Khi khởi động : Dòng lớn khâu phản hồi âm dòng có ngắt tham gia vào
hạn chế dòng điện khởi động Eđc không lớn lắm sinh ra dòng điện chạy
trong động cơ (Id) sau đó tốc độ tăng lên dòng có xu hớng giảm .
Khi I<Ing thì phản hồi âm dòng ngừng tác động chỉ có phản hồi âm tốc độ
tham gia
nUU
cdv

=
đặc tính cơ cứng => I = Iđm động cơ làm việc xác
định .
I
đm
I
ng
I
d
I
n

n

0

n,

đ
r
bbđ+
r
s
r
Ư


I
ng
I
Ư
u
cđ
n
Từ sơ đồ cấu trúc ta tìm đợc
+ Khi I<Ing thì :
Du
DBBDkd
uSBBD
DBBDkd
DBBDkdcd
KI
KKK
RRR
KKK
KKKU
n .
1 1

hiệu phản hồi tốc độ biến thiên chậm gây sự bão hoà cho bộ khuếch đại .
* Có hai mạch vòng phản hồi và có hai bộ điều chỉnh độc lập.
Với hệ này đặc tính cơ có thể xảy ra ba trờng hợp sau :

n

0
n
II
d
I
bh
I
đm
I
ng

n,

I

0

I

0
0


I


0
n
II
d
I
đm
I
ng

I

0
0
Trờng hợp 3
Sơ đồ khối của hệ thống nh sau :
u
r
s
ft
đ
Ki
Kbbđ
K
n
u
cđ

n


+ Khi I<Ing thì chỉ có mạch vòng phản hồi âm tốc độ tham gia .
Du
DBBDIn
uSBBD
DBBDIn
DBBDIncd
KI
KKKK
RRR
KKKK
KKKKU
n .
1 1


+
++

+
=
+ Khi Ibh<I<Ing thì cả hai mạch vòng cùng tham gia
Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp
9
Đồ án tổng hợp hệ điện cơ Svtk: Phm c
Dng
DBBDIn
BBDInguuuSBBD
DBBDIn
DBBDIncd
KKKK

phải căn cứ vào đặc điểm công nghệ của nó, căn cứ vào chỉ tiêu chất lợng
mà đa ra phơng án hợp lý. Với mỗi một đối tợng truyền động có thể thực
hiện bằng các truyền động khác nhau. Mỗi phơng án đều có những u nhợc
điểm của nó, nói chung phơng án đa ra cần đảm bảo các yêu cầu của đối t-
ợng cần truyền động. Phải đảm bảo đợc các chỉ tiêu về mặt kỹ thuật cũng
nh về mặt kinh tế, trong đó chỉ tiêu kỹ thuật là quan trọng hàng đầu. Thông
thờng một hệ thống tốt hơn về mặt kỹ thuật cũng nh tốn kém hơn về mặt
kinh tế. Do vậy tuỳ thuộc yêu cầu chất lợng và độ chính xác của sản phẩm
Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp
10
Đồ án tổng hợp hệ điện cơ Svtk: Phm c
Dng
ta cho chọn hệ thống truyền động điện nhằm đa ra một hệ thống đảm bảo
yêu cầu mong muốn.
* ý nghĩa:
- Việc lựa chọn phơng án truyền động điện có ý nghĩa rất quan trọng.
Nó liên quan đến chất lợng sản phẩm cũng nh ảnh hởng đến hiệu quả kinh
tế của sản xuất. Nếu nh lựa chọn đúng thì chúng ta có thể tăng năng xuất
làm việc, hạn chế đợc những hành trình thừa, chất lợng sản phẩm sẽ tốt hơn,
do đó hiệu quả kinh tế sẽ cao hơn. Kết quả sẽ hoàn toàn ngợc lại nếu ta lựa
chọn không đúng và nó còn gây ra tổn thất không ngờ trớc.
* phơng án lựa chọn:
- Muốn chọn đợc hệ thống phù hợp với yêu cầu chúng ta phải đa ra
các phơng án có thể đáp ứng đợc yêu cầu kỹ thuật sau đó đánh giá những u
nhợc điểm mà chọn cho hợp lý.
I. chọn phơng án truyền động điện:
-Để thiết kế hệ thống truyền động điện ngời thiết kế phải đa ra nhiều
phơng án khác nhau. Rồi sau đó so sánh các phơng án trên hai phơng diện
kinh tế và kỹ thuật để chọn ra phơng án tối u nhất. Phơng án tối u nhất là
phơng án đáp ứng đợc yêu cầu đề ra đồng thời là phơng án đảm bảo về mặt

hành tin cậy trực tiếp dùng điện lới không cần dùng các thiết bị biến đổi
khác nhợc điểm là điều khiển và khống chế các quá trình quá độ khó khăn,
với động cơ lồng sóc thì chỉ tiêu khởi động xấu hơn.

đc
r
f

hình 1
i
1
i
2
u
f
i
à
x
1
r
1
x
2
r'
2
/
s
x
à
r

,
,R
1
: là điện trở rô to và stato đã quy đổi
S : hệ số trợt của động cơ
Hệ số trợt tới hạn
X
nm
=X
1
+ X
2
: là điện kháng ngắn mạch là tổng trở của điện kháng
tản sta to và rô to đã quy đổi
Cũng có thể viết :
Stha
Sth
S
S
Sth
SthaMth
M
2
).1.(.2
++
+
=
Trong đó :
).(.2
.3

2
=
SX
S
R
R
s
R
U
M
nm
f








+








+

phải tăng lên I2 > I2đm . Nh vậy sẽ làm cho mạch từ non tải và dây quấn
roto quá tải .
+ Nếu điều chỉnh cho f < fcb : Từ (*) ta thấy khi f giảm thì tăng dòng từ
hoá I tăng mạch từ bão hoà , cos giảm , tổn hao lớn , nhiệt độ tăng quá
nhiệt độ cho phép .
Do vậy khi điều chỉnh tần số ( dùng bộ biến tần ) ngời ta thờng đi kèm với
việc thay đổi điện áp để giữ cho = const điều này rất phức tạp .
b. Thay đổi điện áp U khi f = const .
đc
r
f
đaxc
n
m
m
th
r
f = 0
r
f
#

0
n
1
m
th1
m
th2
Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp

S = Si.Rr/Rrd
Trong đó : S : Độ trợt khi điện trở mạch roto là Rr .
Si : : Độ trợt khi điện trở mạch roto là Rrd .
Mặt khác :
Si
RrdI
Rrd
Rr
Si
RrrI
S
RrrI
M
.
3

.3
.
.3
1
2
1
2
1
2



===
Khi thay đổi điện trở mạch roto thì mômen thay đổi => tốc độ thay đổi .

Tuy nhiên việc thay đổi p sẽ làm cho tốc độ bị nhảy cấp và việc điều chỉnh
là không trơn.
I.1.1.2: Động cơ đồng bộ .
- Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ nh hình vẽ
- Hình 1 : sơ đồ nguyên lý
- Hình 2 : đặc tính cơ
đc
+
-

n
0
m
th
m
n
Hình 1 Hình2
Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp
16
Đồ án tổng hợp hệ điện cơ Svtk: Phm c
Dng
- Động cơ đồng bộ sử dụng cho hệ truyền động yêu cầu độ ổn định tốc độ
cao . Động cơ đồng bộ thờng dùng cho các máy bơm , quạt gió , các hệ
truyền động của nhà máy luyện kim .
- Ưu điểm là có độ ổn định tốc độ cao hệ số cos và hiệu suất lớn , vận
hành có độ tin cậy cao .
- Mạch stato tơng tự động cơ không đồng bộ , mạch roto có cuộn kích từ và
cuộn dây khởi động .
- Khi đóng điện động cơ làm việc với tốc độ không đổi và bằng tốc độ đồng
bộ .

Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp
17
Đồ án tổng hợp hệ điện cơ Svtk: Phm c
Dng
- Với động cơ một chiều kích từ nối tiếp ta có cuộn dây kích từ đợc ghép
nối tiếp với phần ứng .
- Phơng trình đặc tính cơ điện :
KC
R
IKC
U
=
.

Phơng trình đặc tính cơ .
2
KCIM
KC
R
KCM
U
=
=

Sơ đồ nguyên lý , đồ thị đặc tính cơ điện và đặc tính cơ cho nh trên hình vẽ .

đc
r
f
ckt

Dng
Vì từ thông phụ thuộc dòng điện nên khả năng chịu tải của động cơ không
chịu ảnh hởng của sụt áp lới .
I.1.2.2: Động cơ một chiều kích từ độc lập :
- Phơng trình đặc tính cơ điện :
I
K
R
K
U


=
- Phơng trình đặc tính cơ :
M
K
R
K
U
2
)(



=
Sơ đồ nguyên lý , đồ thị đặc tính cơ và đặc tính cơ điện cho nh hình vẽ :
u
Ư
-
+

r
f

n
o
n
m
n
1
n
2
m
dm = Mc
r
f = 0
r
f # 0
r
f # 0
a
b
c
- Khi động cơ làm việc định mức Mđm = Mc .
- Muốn thay đổi tốc độ ta đóng các điện trở phụ khi đó I giảm đột biến , do
quán tính cơ nên tốc độ cha kịp biến đổi . Trên hệ toạ độ (M) điểm làm
việc chuyển từ a sang b . Mômen giảm M<Mc => tốc độ giảm làm I lại
tăng lên và tiến tới làm việc xác lập tại c với tốc độ
2
<
1

u
Ư

n
a
'
a
b
'
a
''
b
''
tn

1

2
c
- Khi điều chỉnh từ thông ngời ta không đặt vấn đề tăng từ thông vì :
+ Không cho phép nâng dòng kích từ lớn hơn định mức . Hơn nữa nếu
= đm mà tiếp tục tăng thì mạch từ bão hoà từ thông không thể tăng đ-
ợc nữa . vì vậy khi điều chỉnh từ thông ngời ta sẽ giảm từ đm trở xuống .
M
xK
Ru
xK
Udm
I
xK

21
Đồ án tổng hợp hệ điện cơ Svtk: Phm c
Dng
Mnm = KI = var .
Ru
K
2
)(


=
Khi càng giảm thì đặc tính cơ càng dốc ( đây là
điều hoàn toàn không mong muốn vì sẽ làm cho St tăng )
* Nhận xét :
Khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông thì
- Vì công suất mạch kích từ nhỏ nên việc điều chỉnh là dễ dàng và tổn hao
công suất ít
- Khả năng tự động hoá cao .
- Độ cứng đặc tính cơ giảm mạnh khi từ thông giảm và tốc độ không tải lý
tởng tăng , sai lệch tĩnh tăng .
- Dải điều chỉnh khi thay đổi từ thông nói chung là không rộng .
- Khi giảm từ thông để tăng tốc độ thì điều kiện chuyển mạch cổ góp xấu đi
vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thờng thì phải đồng thời
giảm I => mômen cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh .
- Do điện cảm lớn nên hằng số thời gian lớn , thời gian quá độ dài .
c. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt lên phần
ứng động cơ .
- Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng cho nh hình
vẽ .
đc

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ Svtk: Phm c
Dng
dmK
Ux
x


=
0
cũng giảm khi U giảm .
R
K
2
)(


=
= const .
Dải điều chỉnh lớn :
1
1
max0


=
Kqt
Mdm
D



chọn phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp mạch phần
ứng vì những u điểm nổi bật của chúng .
I.2. Phân tích chọn bộ biến đổi :
Cấu trúc phần mạch lực của hệ thống truyền động điều chỉnh động
cơ bao giờ cũng cần có bộ biến đổi , các bộ biến đổi này cấp điện cho mạch
Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp
23
Đồ án tổng hợp hệ điện cơ Svtk: Phm c
Dng
phần ứng hoặc kích từ của động cơ . Cho đến nay trong công nghiệp sử
dụng 4 bộ biến đổi chính
- Bộ biến đổi máy điện gồm : Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc
máy khuếch đại .
- Bộ biến đổi điện từ : Khuếch đại từ
- Bộ biến đổi chỉnh lu bán dẫn : Chỉnh lu Tiristor hoặc Diôt
- Bộ biến đổi chỉnh lu không điều khiển + xung áp một chiều : Tranzitor
hoặc Tiristor
I.2.1 : Bộ biến đổi máy điện
- Bộ biến đổi này gồm máy phát một chiều kích từ độc lập phát ra điện áp
cung cấp cho mạch phần ứng động cơ , máy phát này thờng do động cơ sơ
cấp không đồng bộ 3 pha ĐK kéo quay và tốc độ quay của máy phát là
không đổi .
Sơ đồ nguyên lý nh sau :
bbđ
u
đk
u
kF
đ
đk

F
KFFF
UKE =
Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp
24
Đồ án tổng hợp hệ điện cơ Svtk: Phm c
Dng
Khi ta thay đổi U
KF
sẽ thay đổi đợc E
F
tức là thay đổi đợc điện áp đặt lên
động cơ
Nếu đặt R = R
F
+ R
D
Thì ta có phơng trình đặc tính của hệ nh sau :
I
K
R
U
K
K
KF
F


=
KD

+ Điện áp ra bằng phẳng gần nh không có sóng hài bậc cao .
+ Dải điều chỉnh D = 10/1ữ30/1 . Khi sử dụng các biện pháp ổn định tốc độ
dải điều chỉnh D có thể đạt D= 100/1ữ200/1
+ Có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp
+ Hệ thống làm việc linh hoạt ở bốn góc phần t
+ Thực hiện tốt việc đảo chiều và các chế độ hãm
+ Phù hợp với tải Mc = const
- Nhợc điểm
+Công suất lắp đặt của hệ thống lớn gấp 5 lần công suất tải
+ Việc gia công nền móng tốn kém , diện tích lắp đặt lớn
+ Bảo quản phức tạp , gây tiếng ồn lớn
+ Hiệu suất không cao do sử dụng nhiều máy điện .
I.2.2 : Bộ biến đổi điện từ :
Sơ đồ nguyên lý nh sau :
Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp
25