Đồ án môn học Tổng hợp hệ điện cơ
lời nói đầu
Trong mọi ngành sản xuất hiện nay, các công nghệ tiên tiến, các dây chuyền và thiết bị
hiện đại đang từng ngày, từng giờ đợc ứng dụng vào nớc ta. Với chính sách mở cửa của Đảng
và Nhà nớc ta hiện nay, chắc chắn các công nghệ tiên tiến và hiện đại của thế giới sẽ ngày
càng đợc áp dụng hiệu quả vào Việt Nam với quy mô, số lợng, chất lợng một cách nhanh
chóng. Tác dụng của các công nghệ mới và dây chuyền sản xuất hiện đại đã góp phần thúc
đẩy sự nghiệp Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nớc mà Nghị quyết Đại hội Đảng toàn quốc
lần thứ VIII và lần thứ IX đã đề ra.
Sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia phụ thuộc rất nhiều vào mức độ cơ giới hoá và tự
động hoá các quá trình sản xuất. Với vai trò là mũi nhọn của kỹ thuật hiện đại, lĩnh vực tự động
hoá đang phát triển với tốc độ ngày càng cao. Những thành tựu của lý thuyết Điều khiển tự
động, Tin học công nghiệp, Điện tử công suất, Kỹ thuật đo lờng.... đã và đang đợc triển khai
trên quy mô rộng lớn, tạo nên những thiết bị và dây chuyền công nghiệp sản xuất tự động với
năng suất cao và chất lợng tốt. Trong quá trình sản xuất, việc tự động hoá một dây chuyền sản
xuất đóng vai trò rất quan trọng. Nó là cầu nối giữa các hạng mục sản xuất, giữa các phân x-
ởng trong nhà máy, giữa các máy công tác trong một dây chuyền. Việc điều khiển hoạt động
của các dây chuyền hiện đại, tiên tiến cũng ngày càng đa dạng và phức tạp.
Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản
xuất. Đặc biệt trong dây chuyền sản xuất tự động hiện đại, truyền đồng điện đóng góp vai trò
quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lợng sản phẩm. Vì vậy, các hệ truyền động
điện luôn luôn đợc quan tâm nghiên cứu nâng cao chất lợng để đáp ứng các yêu cầu công
nghệ mới với mức độ tự động hoá cao. Việc tăng năng suất máy sản xuất và giảm giá thành
thiết bị điện của máy là hai yêu cầu cần chủ yếu đối với hệ thống truyền động điện và tự động
hoá sản xuất nhng chúng lại mâu thuẫn nhau. Một bên đòi hỏi sử dụng các hệ thống phức tạp,
một bên lại yêu cầu hạn chế số lợng thiết bị chung trên máy và số thiết bị cao cấp. Vậy việc
lựa chọn một hệ thống truyền động diện và tự động hoá thích hợp cho cơ cấu sản xuất là một
bài toán khó.
Với việc ứng dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử - tin học, các hệ truyền
động điện đợc phát triển và có thay đổi đáng kể. Đặc biệt, do công nghệ sản xuất các thiết bị
điện tử công suất ngày càng hoàn thiện nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền

Máy mài công nghiệp
Máy mài trònMáy mài phẳng Các loại khác
Máy
mài
tròn
ngoài
Máy
mài
tròn
trong
Máy
mài
bằng
biên
đá
Máy
mài
mặt
đầu
Máy mài vô tâm
Máy mài rãnh
Máy mài cắt
Máy mài răng
Hình 1-1. Sơ đồ phân loại máy mài công nghiệp
Máy mài tròn có hai loại: máy mài tròn ngoài và máy mài tròn trong. Sơ đồ biểu diễn
công nghệ mài tròn đợc biểu diễn trên hình 1-2.
a. Máy mài tròn ngoài
b. Máy mài tròn trong
Đá mài
Chi tiết

điều chỉnh tốc độ D = (20 ữ 25)/1 còn truyền động ăn dao ngang sử dụng thuỷ lực.
1.4. Truyền động phụ
Sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc.
3. Đặc tính cơ của máy mài
Đặc tính của cơ cấu sản xuất đợc khái quát bằng phơng trình:
q
dm
odmoc
))(MM(MM


+=
trong đó:
M
co
- Mômen ứng với tốc độ =0
M
dm
- Mômen ứng với tốc độ định mức
dm
M
c
- Mômen ứng với tốc độ
q - số mũ phụ thuộc vào loại cơ cấu sản xuất. Với máy mài nói riêng và máy cắt
gọt kim loại nói chung, q thờng nhận hai giá trị q=1 (ứng với truyền động chính

=
1
M
c

bị hạn chế bởi chiều sâu cắt tới
hạn t. Trong vùng này, khi tốc độ ăn dao giảm, lực ăn dao và mômen ăn dao cũng giảm
theo. ở vùng tốc độ cao, tơng ứng với tốc độ v
z
của truyền động chính cũng phải lớn, nếu
giữ F
ad
lớn nh cũ thì công suất truyền động sẽ quá lớn. Do đó, cho phép giảm nhỏ lực ăn
dao trong vùng này, mômen truyền động ăn dao cũng giảm theo.
v
F
z
v
z
v
gh
0
F
ad
v
ad
v
1
0
v
2
b. Truyền động ăn dao
a. Truyền động chính
Hình 3-1. Đồ thị đặc tính phụ tải của máy mài
Một hệ thống truyền động điện có điều chỉnh gọi là tốt nếu đặc tính điều chỉnh của nó

min

gh

max

P
M
Hình 3-2. Quan hệ M() và P() của
động cơ một chiều kích từ độc lập
thiết kế hệ truyền động
4. Các ph ơng án truyền động
Chọn phơng án truyền động là dựa trên các yêu cầu công nghệ và kết quả tính chọn
công suất động cơ, từ đó tìm ra một loạt các hệ truyền động có thể thoả mãn yêu cầu đặt
ra. Bằng việc phân tích, đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật các hệ truyền động này,
kết hợp tính khả thi cụ thể mà ta có thể lựa chọn đợc một vài phơng án hoặc một phơng
án duy nhất để thiết kế.
Lựa chọn phơng án truyền động tức là phải xác định đợc loại động cơ truyền động một
chiều hay xoay chiều, phơng pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặc tính tải, sơ đồ nối
bộ biến đổi đảm bảo yêu cầu truyền động.
Từ những phân tích về đặc điểm công nghệ, yêu cầu truyền động của máy mài tròn và
nhiệm vụ thiết kế, để điều chỉnh tốc độ động cơ quay chi tiết máy mài tròn, ta phải điều
chỉnh điện áp phần ứng động cơ, giữ từ thông không đổi.
Với phơng án điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp phần ứng và giữ từ thông
động cơ không đổi thì ta có các phơng án truyền động sau:
Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (Hệ F-Đ).
Hệ thống truyền động chỉnh lu điều khiển thyristor- động cơ một chiều ( Hệ T-Đ).
Hệ thống điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều ( Hệ XA-Đ).
Hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ dùng phơng pháp điều chỉnh
tần số (Hệ Biến tần - Động cơ)

Sơ đồ nguyên lý một hệ F-Đ đợc thể hiện trên hình 4-1. Động cơ Đ truyền động quay
chi tiết của máy mài M đợc cấp điện từ máy phát F. Động cơ sơ cấp kéo máy phát F với
tốc độ không đổi là động cơ điện không đồng bộ ĐK. Khi điều chỉnh dòng điện kích từ
máy phát i
KF
thì điều chỉnh đợc tốc độ không tải của hệ thống còn độ cứng đặc tính cơ đ-
ợc giữ nguyên.
1.5.2. Đặc điểm của hệ F-Đ
Các chỉ tiêu chất lợng của hệ truyền động F-Đ về cơ bản tơng tự nh các chỉ tiêu hệ
điều chỉnh điện áp dùng bộ biến đổi nói chung. Ưu điểm nổi bật nhất của hệ F-Đ là sự
chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn. Do vậy thờng sử dụng
hệ F-Đ ở các máy khai thác trong công nghiệp mỏ.
Nhợc điểm quan trọng nhất của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quay, trong đó ít nhất
là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, hiệu suất thấp (không quá 75%), công suất lắp đặt
máy ít nhất gấp ba lần công suất động cơ chấp hành. Ngoài ra, do các máy phát một
chiều có từ d, đặc tính từ hoá có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ. Với những hệ truyền
động điện đòi hỏi dải điều chỉnh rộng hơn và cần điều chỉnh sâu hơn, ổn định tốc độ tốt
hơn thì phải thay máy phát F bằng các nguồn áp máy điện khác nh các máy điện khuếch
đại (MKĐ) và có các phản hồi nâng cao chất lợng.
Các đặc điểm khác:
Phạm vi điều chỉnh tốc độ đợc nâng lên (cỡ 30:1). Điều chỉnh tốc độ bằng phẳng
trong phạm vi điều chỉnh. Việc điều chỉnh tiến hành trên mạch kích từ máy phát nên tổn
hao nhỏ. Hệ điều chỉnh đơn giản, có thể thực hiện hãm điện dễ dàng.
Vốn đầu t ban đầu và diện tích lắp đặt lớn.
1.6. Hệ thống truyền động chỉnh lu điều khiển - động cơ một chiều
Tốc độ động cơ điện một chiều có thể đợc điều chỉnh trong phạm vi rộng và bằng
phẳng nhờ hệ chỉnh lu - động cơ (hay hệ truyền động van một chiều) trong đó các bộ
chỉnh lu là điều khiển đợc. Các van điều khiển có thể là đèn thyraton, đèn thuỷ ngân,
thyristor. Hiện nay, do công nghệ chế tạo bán dẫn công suất phát triển nên các thyristor
đợc sử dụng rộng rãi để tạo ra các bộ chỉnh lu có điều khiển bởi những tính chất u việt:

chỉnh lu thờng là cuộn kích từ (L-R) hoặc mạch phần ứng động cơ (L-R-E).
Phơng trình đặc tính cơ cho hệ T-Đ ở chế độ dòng điện chỉnh lu liên tục:
M
)k(
R
k
cosE
2
dm
dm
do




=
Độ cứng của đặc tính cơ là
2
dm
R
k







=
trong đó R là tổng trở toàn mạch phần ứng

định biên giới vùng dòng điện gián đoạn, là đ-
ờng phân cách giữa hai vùng dòng điện liên tục
và gián đoạn. Biên giới giữa vùng dòng điện
gián đoạn và liên tục có dạng đờng ellipse với
các trục là các trục toạ độ của đặc tính cơ:
1)
p
cos
p
sinU
IL
()
p
sin
p
U
E
(
2
m2
e
2
m2
=




+


làm việc với nguồn xoay chiều. Do đó, buộc phải có một mạch chuyên dụng để khoá
thyristor gọi là "mạch khoá cỡng bức", gây nhiều khó khăn trong thực tế. Vì vậy, hiện
nay ta cố gắng sử dụng các loại van điều khiển cả đóng và ngắt nh transistor bipolar,
MOSFET và IGBT ở những dải công suất mà các van này chịu đợc. Riêng với mạch công
suất lớn vẫn phải dùng thyristor.
Trong hệ truyền động điện, các bộ điều chỉnh xung áp một chiều chủ yếu áp dụng cho
các động cơ điện một chiều có phụ tải dạng kéo (tàu điện, xe điện...).
Đ
Điều khiển
U
ng
U
đk
Hình 4-4. Sơ đồ nguyên lý một hệ truyền động XA-Đ.
Nguyên tắc của các hệ truyền động XA-Đ là thay đổi tốc độ động cơ qua điện áp đặt
vào phần ứng động cơ một chiều. Điện áp này là một điện áp ra của bộ XA tính theo giá
trị trung bình : U

= U
ng
, trong đó: U là điện áp phần ứng động cơ,U
ng
là điện áp một
chiều cần băm , là hệ số lấp đầy xung:
kt
tt
tt
t
T
t

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi tần số nguồn cho phép mở
rộng phạm vi sử dụng động cơ KĐB trong nhiều
ngành công nghiệp. Nó cho phép mở rộng dải điều
chỉnh tốc độ và nâng cao tính chất động học của hệ
thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói
chung và động cơ KĐB nói riêng, có thể ứng dụng
cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ
cùng một lúc nh các truyền động của nhóm máy dệt,
băng tải, bánh lăn ... hoặc cho cả các thiết bị đơn lẻ
nhất là những cơ cấu có yêu cầu tốc độ cao nh máy ly
tâm, máy mài... Đặc biệt là hệ thống điều chỉnh tốc
độ động cơ bằng cách biến đổi nguồn cung cấp sử
dụng cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc sẽ có
kết cấu đơn giản vững chắc, giá thành hạ và có thể
làm việc trong nhiều môi trờng. Nhợc điểm cơ bản của hệ thống này là sơ đồ mạch điều
khiển rất phức tạp. Đối với hệ thống này, động cơ không nhận điện từ lới chung mà từ
một bộ biến tần. Bộ biến tần này có khả năng biến đổi tần số và điện áp ra một cách độc
lập với nhau. Thờng sử dụng hai loại biến tần trong việc điều chỉnh tốc độ là biến tần trực
tiếp và biến tần gián tiếp (có sử dụng khâu trung gian một chiều). Hệ truyền động điện có
thể sử dụng bộ biến tần trực tiếp hoặc gián tiếp ba pha, cũng có thể dùng bộ biến đổi một
chiều-xoay chiều thay đổi tần số một pha hay ba pha.
a. Biến tần trực tiếp (cycloconverter): Có sơ đồ cấu trúc đơn giản (hình 4.6a). Điện áp
vào xoay chiều u
1
(tần số f
1
) chỉ cần qua một mạch van là chuyển ngay ra tải với tần số
khác. Vì vậy, loại biến tần này có hiệu suất biến đổi năng lợng cao do chỉ có một lần
biến đổi điện năng và cho phép thực hiện hãm tái sinh năng lợng mà không cần có mạch
điện phụ. Đồng thời, cũng có thể dễ dàng thực hiện điều chỉnh điện áp và tần số đầu ra

, f
1

~
Mạch van
~
U
2
, f
2
a)
b)
U
1
, f
1

~
Chỉnh
lưu
Lọc
Nghịch lưu
độc lập
~
U
2
, f
2
U
=

Biến tần nguồn dòng: Trong các hệ truyền động điện điều chỉnh động cơ xoay
chiều, nguồn dòng thờng đợc sử dụng cho các hệ thống công suất lớn và có sơ đồ cầu ba
pha, trong đó các van bán dẫn là các van điều khiển hoàn toàn. Sơ đồ đơn giản, làm việc
tin cậy, đợc sử dụng rộng rãi để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha rotor lồng
sóc.Biến tần nguồn dòng có u điểm là tăng đợc công suất đơn vị máy, mạch lực đơn giản
mà vẫn thực hiện hãm tái sinh động cơ. Khi làm việc với tải là động cơ xoay chiều thì
điện áp tải có xuất hiện các xung nhọn tại các thời điểm chuyển mạch dòng điện chuyển
mạch giữa các pha. Trong thực tế, thờng sử dụng các van điều khiển không hoàn toàn, vì
vậy cần có các mạch khoá cỡng bức các van đang dẫn, bảo đảm chuyển mạch dòng điện
giữa các pha một cách chắc chắn trong phạm vi điều chỉnh tần số và dòng điện đủ rộng.
Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lu phải là nguồn dòng điện, tức là dòng điện
không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển. Nguồn dòng thờng đ-
ợc tạo ra bằng một bộ chỉnh lu có đầu ra nối tiếp với điện cảm có giá trị lớn.
Mặc dù động cơ không đồng bộ ba pha có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vận hành an
toàn và sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lới điện xoay chiều ba pha, nhng về phơng diện
điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều u việt hơn so với các loại động cơ
khác: có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn
giản hơn và đạt chất lợng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Chính vì vậy,
ta sẽ chọn phơng án thiết kế hệ truyền động chỉnh lu Thyristor - động cơ một chiều
kích từ độc lập.
5. Xác định các thông số động cơ truyền động
Các thông số kỹ thuật hệ thống
- Mômen cực đại (M
max
): 25 (Nm)
- Tốc độ quay chi tiết (n): 20 ữ1000 (Vòng/phút)
- Tỷ số truyền (i): 3
- Hiệu suất (): 0,8
- Mômen quán tính cơ cấu (J): 0,008 (kgm
2

min
.

min
= i.
cmin
= i.
60
2.n
minc

=3.
60
2.20

= 6,283 (rad/s) hay n
min
= 60(vòng/phút)

max
= i.
cmax
= i.
60
2.n
maxc

=3.
60
2.1000

đm
.
max
=

1
.M
cmax
.
cmax
=
8,0
1
.25.


60
2.1000
3272,5 (W)

3,3 (kW)
Ta chọn loại động cơ 31 của Nga với các thông số sau:
P
đm
= 3,3 (kW)
U
đm
= 220 (V)
I
đm

L
0,0235(H) = 23,5 (mH)
trong đó k
L
là hệ số lấy giá trị 5,5 ữ 5,7 đối với máy không bù và k
L
= 1,4 ữ 1,9 đối với
máy có bù; p là số đôi cực.
k
đm
=
=
100
642,0.5,17220
=

R.I.U
mđ
mđmđ

0,67
Mômen quán tính J = J
đ
+ J
c
= 0,09 + 0,008 = 0,098 (kg.m
2
)
Hằng số thời gian cơ học T
c

k
U
22
ư
=



=
= 328,36 1,43M
Phơng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
ưư
ư
I
67,0
642,0
67,0
220
I
k
R
k
U
=



=
= 328,36 0,96I
6. Thiết kế bộ biến đổi chỉnh l u Thyristor

3
U
.
23
U
do
2

=
= 100 (V)
Tỷ số máy biến áp: k =
100
380
U
U
2
1
=
= 3,8
Dòng thứ cấp máy biến áp: I
2
=
d
I.
3
2
= 14,3(A)
Công suất máy biến áp: P = 3.U
2
.I

ngmax
= 1,6 . 245 = 392 (V)
- I
t
1,5. I
max
= 1,5.17,5 = 26,25 (A)
Ta có thể chọn van T50 của Liên Xô(cũ) để chịu đợc các điều kiện dòng và áp trong
mạch. Các thông số của van đợc cho trong bảng sau:
I
tb
U
tm
U
t
off
I
g
U
g
dt
di
dt
du
A V V
às
A V
A/às V/às
50 400 1 100 0,3 7 50 250