Đồ án chuyên môn tự động hóa

Th.s Nguyễn Đăng Toàn

BỘ CÔNG THƯƠNG

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN
CHUYÊN MÔN TỰ ĐỘNG HÓA
Báo cáo đề tài số 15:
“Xây dựng hệ truyền động điều khiển tốc độ động cơ từ
500v/p đến 1500v/p khi mang tải định mức và có đảo chiều”
Lớp

:Điện 4-K7

Giáo viên hướng dẫn

: Th.s Nguyễn Đăng Toàn

Các thành viên trong nhóm:
.Nguyễn Văn Huy
.Hoàng Ngọc Lâm

LỜI MỞ ĐẦU
SVTH: Nhóm 15


Trang:2


Đồ án chuyên môn tự động hóa

Th.s Nguyễn Đăng Toàn

MỤC LỤC
MỤC LỤC................................................................................................................ 3
CHƯƠNG I..............................................................................................................4
KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU ĐỘNG CƠ 1
CHIỀU...................................................................................................................... 4
1.1. Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều....................................................4
1.1.1 Khái quát về hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều.........................4
1.1.2 Giới thiệu sơ đồ................................................................................................5
1.1.3. Hoạt động của hệ thống..................................................................................5
1.1.4 Đánh giá chất lượng của hệ thống...................................................................7
CHƯƠNG II............................................................................................................9
TÍNH CHỌN MẠCH LỰC VÀ CÁC THIẾT BỊ LIÊN QUAN...........................9
2.1. Sơ đồ mạch động lực.............................................................................................9
2.2.Tính chọn các thiết bị liên quan............................................................................11
2.2.1Tính chọn công suất máy biến áp động lực....................................................11
2.2.2 Tính chọn thiết bị bảo vệ mạch động lực......................................................13
CHƯƠNG 3:..........................................................................................................14
THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ CHỈNH LƯU.14
3.1 Mạch điều khiển bộ chỉnh lưu..............................................................................14
3.2 Tính toán và lựa chọn mạch chỉnh lưu tia 3 pha..................................................14
3.2.1 Chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển..................................................................14
3.2.2. Phương án đảo chiều hai bộ chỉnh lưu.........................................................16

Th.s Nguyễn Đăng Toàn

CHƯƠNG I
KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU ĐỘNG CƠ
1 CHIỀU
1.1. Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều
1.1.1 Khái quát về hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều
Là bộ chỉnh lưu liên hệ nguồn xoay chiều với tải một chiều, nghĩa là đổi
điện áp xoay chiều của nguồn thành điện áp một chiều trên phụ tải.
Điện áp một chiều trên tải không được lý tưởng như điện áp của ắc quy
mà có chứa các thành phần xoay chiều cùng với một chiều.
Đầu ra của các sơ đồ chỉnh lưu được coi là một chiều nhưng thực sự là
điện áp đập mạch. Trị số điện áp một chiều, hiệu áp suất ảnh hưởng của chúng
do nguồn xoay chiều rất khác nhau.
Bộ biến đổi Thyristor với chuyển mạch tự nhiên có điện áp (dòng điện) ra
là 1 chiều là các thiết bị biến nguồn điện xoay chiều 3 pha thành điện áp 1 chiều
điều khiển ngược.
Hoạt động của mạch do nguồn điện xoay chiều quyết định vì nhờ đó mà
có thể thực hiện được các chuyện mạch dòng điện giữa các phần tử lực.
Việc phân loại chỉnh lưu phụ thuộc nhiều yếu tố:
- Theo số pha có: Chỉnh lưu 1 pha, chỉnh lưu 3 pha...
- Theo sơ đồ nối có: Chỉnh lưu nửa chu kỳ, chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ, chỉnh
lưu hình cầu, chỉnh lưu hình tia...
- Theo sự điều khiển có: Chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu có điều
khiển, chỉnh lưu bán điều khiển.

SVTH: Nhóm 15

Trang:4


Đồ án chuyên môn tự động hóa

Th.s Nguyễn Đăng Toàn

* Đặc tính cơ của hệ thống truyền động:
Chế độ dòng điện liên tục:
Dòng điện chỉnh lưu Id chính là dòng phần ứng.
Dựa vào sơ đồ thay thế (hình 2.2) viết được sơ đồ đặc tính.
n=

E do . cos α R + X K
−
I
K .φ dm
K .φ dm

n=

E do . cos α R + X K
−
M
K .φ dm
( K .φ dm ) 2

( Kφ dm ) 2
Đặc tính cơ có độ cứng β =
R+ XK

Xk : Đặc trưng cho sụt áp do chuyển mạch giữa các van.
Thay đổi góc điều khiển:

2

biến cơ năng của tải thành điện năng xoay chiều cùng tần số lưới và trả về lưới
điện. Động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh khi tải có tính thế năng.
Dòng điện trung bình của mạch phần ứng:
I=

E − Ed
R+ XK

Phương trình đặc tính:
ω=

E do . cos β R + X K
+
.I
Kφ dm
Kφ dm

- Chế độ dòng điện gián đoạn:
Trong thực tế tính toán hệ T - Đ chỉ cần xác định biên giới vùng dòng
điện gián đoạn, là đường phân cách giữa vùng dòng điện liên tục và dòng điện
gián đoạn. Trạng thái biên liên tục là trạng thái mà góc dẫn λ = 2π /p và góc
chuyển mạch µ = 0 .
Đường biên liên tục gần là đường elip.
Để giảm độ lớn của trục nhỏ elip, tăng số pha của chỉnh lưu. Tuy nhiên
khi tăng số pha chỉnh lưu sơ đồ sẽ phức tạp.
1.1.4 Đánh giá chất lượng của hệ thống
- Ưu điểm:
+ Tốc độ nhanh, không gây tiếng ồn và dễ tự động hoá do các van bán


Th.s Nguyễn Đăng Toàn

CHƯƠNG II
TÍNH CHỌN MẠCH LỰC VÀ CÁC THIẾT BỊ LIÊN QUAN
2.1. Sơ đồ mạch động lực
Mạch động lực bao gồm các phần tử: sơ đồ chỉnh lưu, cuộn kháng, máy
biến áp động lực, các phần tử R-C. Theo đề ra thì ta có sơ đồ sau:

Hình 2.1 Sơ đồ mạch lực

SVTH: Nhóm 15

Trang:9


Đồ án chuyên môn tự động hóa

Th.s Nguyễn Đăng Toàn

● Nguyên lý hoạt động
Ban đầu đưa hệ thống vào làm việc, ta đóng áptômát AB hệ thống được
cấp nguồn. Tuy nhiên lúc này động cơ chưa làm việc.
Giả sử BBĐ1(gồm các van: T1, T3, T5) khi làm việc ở chế độ chỉnh lưu
thì động cơ quay thuận; BBĐ2 (gồm các van: T2, T4, T6) khi làm việc ở chế
độ chỉnh lưu thì động cơ quay ngược. Khi ta phát xung đến mở cho các van ở
BBĐ1 với góc mở α1 < 900 và BBĐ2 với góc mở α2 > 900 với quan hệ góc mở:
α1 + α2 = 1800
Lúc này ở đầu ra của hai BBĐ có điện áp ra là: ud1 và ud2
ud1 = Ud0cosα1

Trang:10


Đồ án chuyên môn tự động hóa

Th.s Nguyễn Đăng Toàn

Như ta biết rằng cuộn kháng có R k nhỏ Lk lớn và dòng cân bằng là dòng
đập mạch. Như vậy cuộn kháng dễ dàng cho thành phần dòng một chiều I d đi
qua và cản hiệu quả dòng đập mạch icb.
2.2.Tính chọn các thiết bị liên quan
2.2.1Tính chọn công suất máy biến áp động lực.
Như ở phần thiết kế ta đã chọn máy biến áp động lực có tổ đấu dây Y/Y 0
ở phần này ta tính toán các thông số cho nó. Máy biến áp được chọn theo điều
kiện:
+ SđmBA ≥ Stt
+ I1fđm ≥ I1đm
+ I2fđm ≥ I2đm
+ U2fđm ≥ KuKRKαKaUđm
* Điện áp thứ cấp được chọn theo biểu thức:
U2đm ≥ KuKαKRKaUđm
Trong đó:
+ Uđm là điện áp định mức động cơ
+ Ku là hệ số xét tới ảnh hưởng khả năng ảnh hưởng dao động trong phạm
vi cho phép của điện áp lưới. thường lấy Ku = 1,05 ÷ 1,1 , ta chọn Ku = 1,1.
+ Kα là hệ số kể đến góc điều khiển nhỏ nhất (αmin) nhằm đảm bảo chắc
chắn hệ thống không rơi vào trạng thái lật nhào nghịch lưu, ta chọn:αmin = 100
U d min

⇒ αmax = arc cos( 2.34.U )


Th.s Nguyễn Đăng Toàn
88

⇒ αmax = arc cos( 2,34.234 ) = 80.750
⇒ Kα = 1/cosαmin = 1.015
+ KR là hệ số xét đến sụt áp trên điện trở thuần của máy biến áp,trên điện
cảm cuộn dây thứ cấp máy biến áp, do chuyển mạch, sụt áp trên dây nối và cuộn
kháng, trên các van. KR thường được chọn : KR = 1,15 ÷ 1,25, ta chọn: KR =
1,15.
Ka là hệ số phụ thuộc sơ đồ chỉnh lưu
Ka =

U 2 fdm
Ud0

=

U 2 fdm
3 6
U 2 fdm
2π

=

2π
= 0,85
3 6

Cuối cùng thay các giá trị hệ số vào ta được:

220

(V)
240

(KVA)
14437.5

(A)
55.62

(A)
36.08

SVTH: Nhóm 15

Trang:12


Đồ án chuyên môn tự động hóa

Th.s Nguyễn Đăng Toàn

2.2.2 Tính chọn thiết bị bảo vệ mạch động lực.
Ta biết rằng các tiristo là phần tử rất nhạy với sự biến thiên đột ngột của
điện áp hay dòng điện, đặc trưng cho những hiện tượng này là gia tốc dòng điện
và điện áp di/ dt và du/dt. Các nguyên nhân gây ra những hiện tượng này bao
gồm:
+ Quá gia tốc dòng, áp do quá trình chuyển mạch.
+ Quá gia tốc dòng, áp do cộng hưởng.


L : Là điện cảm quy đổi của toàn bộ mạch,tra đường cong ta được
C = 0,346 µF và R = 3,9 KΩ

SVTH: Nhóm 15

Trang:13


Đồ án chuyên môn tự động hóa

Th.s Nguyễn Đăng Toàn

CHƯƠNG 3:
THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ CHỈNH
LƯU
3.1 Mạch điều khiển bộ chỉnh lưu

Hình 3.1 Sơ đồ mạch chỉnh lưu
3.2 Tính toán và lựa chọn mạch chỉnh lưu tia 3 pha
3.2.1 Chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển

SVTH: Nhóm 15

Trang:14


Đồ án chuyên môn tự động hóa

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


θ

α

b)

α

α

α

Hình 3.2: Sơ đồ (a), đồ thị (b) chỉnh lưu Tiristor hình tia 3 pha
Đồ thị điện áp Ud của mạch chỉnh lưu này thể hiện trên hình 2.3b với góc
điều khiển α =300. Đây là góc đặc biệt.
+ Nếu α ≥ 30 0 , điện áp Ud sẽ có đoạn bằng 0, vì vậy khi tải thuần trở, dòng
điện tải Id sẽ gián đoạn, tức là có những đoạn i d = 0, và dòng điện qua van luôn
kết thúc khi điện áp pha về 0. Đồ thị Ud có dạng ở trên hình 2.4b , theo đó có:
2π

U dα

1
3
=
U
(
θ
)


]
(2.1)

1 + cos(α + 30 0 )
3

Trang:15


Đồ án chuyên môn tự động hóa

Th.s Nguyễn Đăng Toàn
120°

u

u

d

u

a

b

u

u


Hình 3.3: Dạng điện áp Ud mạch hình tia 3 pha
+ Nếu α
phần tử. Tuy nhiên, điều này có thể khắc phục bằng cách mắc thêm các cuộn
kháng cân bằng.
3.2.4 Tính chọn Tiristo
Tristo được chọn theo hai điều kiện chủ yếu sau:
+ Điều kiện về dòng điện: ITtb ≥ Ki ITtbmax
+ Điều kiện về điện áp:

Ungmax ≥ Ku 6 U2

a. Chọn theo điều kiện dòng điện
ITtb ≥ Ki ITtbmax
Trong đó: Ki là hệ số dự trữ dòng điện, ta lấy Ki = 3
ITtbmax = Iđm / 3
Như vậy ta có: ITtb ≥ 62.5(A)
b. Chọn theo điều kiện điện áp
Sơ đồ mạch chỉnh lưu của ta là hình tia do đó điện áp mà các van phải
chịu là điện áp dây có giá trị bằng 6 U2f
Ungmax ≥ Ku 6 U2f
Trong đó : Ku là hệ số dự trữ về điện áp , ta chọn Ku = 1,5
⇒ Ungmax ≥ 1,5. 6 . 220 = 808 (V)
Dựa trên cơ sở tính toán về điều khiện dòng điện và điện áp ta chọn tiristo
có các thông số sau:
SVTH: Nhóm 15

Trang:17


Đồ án chuyên môn tự động hóa

Th.s Nguyễn Đăng Toàn


π

d

sin 3nωt.dωt

0

n = 1, 2, 3, ...
6
b1 =
π

=

π

3

∫−

2u 2 sin 3ω sin 3nωt.dωt

0

3 2
1
4π 1
2π

Đồ án chuyên môn tự động hóa

Th.s Nguyễn Đăng Toàn

Ud2 =  (b2/ 2 ) = 73,72 (V)
Giá trị hiệu dụng của các thành phần dòng xoay chiều ( khi bỏ qua điện
cảm của động cơ và điện trở thuần ) là:
I1 =

U d1
3ω( LCK + LCK 1 )

I2 =

Ud2
6ω( LCK + LCK 1 )

CK, CK1là cuộn kháng cân bằng và san bằng.
* Tổng giá trị hiệu dụng của các thành phần dòng xoay chiều:
⇒ I xc = I 2d1 + I 2d 2
Ixc phải thoả mãn nhỏ hơn 10 % Iđm
2

LCK =

4U d 1 + 4U d 2
6ω.0,9

2


xung được đưa đến mở nên giảm tổn thất trong mạch điều khiển...Do đó hệ
thống này được sử dung rộng rãi.
3.3.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển theo pha đứng

Trong đó:
Khối 1: khối đồng bộ hoá và phát xung răng cưa. Khối này có nhiệm vụ
lấy tín hiệu đồng bộ hoá và phát ra sóng điện áp hình răng cưa để đưa vào khối
so sánh.
Khối 2: khối so sánh, có nhiệm vụ so sánh giữa tín hiệu điện áp tựa hình
răng cưa với điện áp điều khiển uđk để phát ra tín hiêu xung điện áp đưa tới
mạch tạo xung.
Khối 3: khối tạo xung, có nhiệm vụ tạo ra các xung điều khiển đưa tới
chân điều khiển của tiristo.

SVTH: Nhóm 15

Trang:20


Đồ án chuyên môn tự động hóa

Th.s Nguyễn Đăng Toàn

3.3.3 Mạch đồng bộ hoá
Để thực hiện chức năng đồng bộ hoá, ta có thể sử dụng mạch phân áp
bằng điện trở hay kết hợp giữa điện trở và điện dung, điện cảm.Tuy nhiên,
phương pháp này có nhược điểm là không cách ly được diện áp cao giữa mạch
điều khiển với mạch động lực, do vậy phương pháp này ít được dùng.
Phương pháp phổ biến hiện nay là sử dụng máy biến áp đồng bộ trong đó
cuộn sơ cấp nối vào lưới còn cuộn thứ cấp là điện áp đồng bộ. Góc lệch pha giữa

Z

ub
*

A

uc
*

b,y

eab
α = 30 0

x

y

z

a,y

c,z

Hình 3.3: Sơ đồ đấu dây và đồ thị véctơ mạch đồng bộ hóa
3.3.4 Mạch phát sóng răng cưa
Có rất nhiều sơ đồ có thể tạo ra sóng răng cưa. Tuy nhiên, để tạo ra được
quan hệ góc mở: α2 + α2 = 1800 ta cần có dạng điện áp răng cưa rất chính xác.
Ta sử dụng sơ đồ IC khuyếch đại thuật toán.


θ2

θ3

2π

θ4

θ5

3π

ωt

θ6

uA
0

ωt

uE
0

ωt

uNOR
0


Việc so sánh với điện áp răng cưa và điện áp điều khiển có thực hiện
bằng Tranrito hay vi mạch điện tử. Việc ghép nối các tín hiệu có thể là nối tiếp
hay song song miễn là đảm bảo tín hiệu răng cưa và tín hiệu điều khiển có tác
dụng ngược chiều nhau. Phương pháp so sánh nối tiếp có ưu điểm là chính xác
nhưng khi tín hiệu răng cưa có dạng xoay chiều thì việc so sánh gặp nhiều khó
khăn. Do đó ta chỉ sử dụng phương pháp so sánh song song. Trong đồ án này sử
dụng sơ đồ so sánh song song dùng vi mạch
+Ucc

R1

uRC

uRC

Urc
+Udk

-udk

_

R2

0

θ1

θ2


**

D2
Tr2

+Ucc

R1

IC

+

C1

D4

Tr1
D1

D5

T

Tr3
D3

-Ucc

Hình 3.4: Sơ đồ mạch tạo xung

uEB Tr2 -Tr1

ωt

0
UĐK
T1

SVTH: Nhóm 15

0

uD2-D3

ωt
Trang:25