•
ĐỒ ÁN MÔN
HỌC TỔNG
HỢP HỆ
ĐIỆN CƠ


MC LC
a . Cấu trúc hệ F-Đ..............................................................................11
b . Đặc điểm của hệ F-Đ......................................................................12
a . Hệ truyền động thyristor-động cơ (T-Đ)........................................13
b . Đặc tính cơ của hệ T-Đ.....................................................................13
c . Đặc điểm hệ truyền động Thyristor - động cơ...................................14
Điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ..................................................21
Bảo vệ cắt khẩn cấp trên mạch động lực: Nh ngắn mạch ở bộ biến đổi
hệ thống truyền động, mất kích từ động cơ, quá tốc độ, quá dòng, quá
điện áp phần ứng, đánh lửa gây ngắn mạch ở vành góp, ngắn mạch một
số vòng dây của máy biến áp nguồn... Mạch bảo vệ thực hện cắt khẩn
cấp bằng các thiết bị đóng cắt truyền thống nh cầu chì, áptômát, rơle..
kết hợp với bảo vệ ở mạch điều khiển nh khoá thyristor, cắt nguồn nuôi,
khoá các bộ điều chỉnh...........................................................................29
Bảo vệ cắt có thời gian: Quá tải , cách điện giảm , quá nhiệt v.v . Mạch
bảo vệ phát hiện và phát tín hiệu cảnh báo trong lúc đó mạch điều chỉnh
sẽ tự động thay đổi tham số điều khiển để thoát khỏi sự cố hoặc ngời
vận hành trực tiếp điều chỉnh . Nếu sau một thời gian quy định mạch bảo
vệ sẽ tác động cắt hệ thống , ngừng làm việc để giải quyết sự cố ........29
Trong các hệ truyền động hiện đại điều khiển số dùng vi xử lý hay vi tính
có trang bị chơng trình kiểm tra trạng thái của hệ để phát tín hiệu cảnh
báo hoặc dự báo sự cố xảy ra cắt kịp thời để tránh gây h hỏng ............30
b . Bảo vệ trong bộ biến đổi...................................................................30
Bảo vệ quá nhiệt : Khi thyristor đợc điều khiển mở cho dòng chảy qua

+ Đờng kính trục 300 mm
+ Hộp số i = 10 ; = 80%
- Yêu cầu :
+ Nêu yêu cầu công nghệ của truyền động
+ Tính chọn công suất động cơ
+ Chọn phơng án truyền động
+ Xây dựng sơ đồ điều khiển
+ Tổng hợp hệ
Chơng I
Mô tả quá trình công nghệ và yêu cầu đối với hệ truyền
động cân băng định l ợng
1 . Mô tả quá trình công nghệ của cân băng định
lợng

Động cơ

Cân băng định lợng là cơ cấu tác động liên tục thuộc nhóm máy
nâng vận chuyển. Là thiết bị vận tải liên tục dùng để chuyên chở hàng dạng
hạt, cục ( cát, đá dăm, than, thóc gạo ...) hoặc các vật liệu thể rắn ( gỗ ,
hòm , thép thỏi ) theo phơng nằm ngang hoặc theo mặt phẳng nghiêng ( góc
nghiêng không lớn hơn 30
o
). Nó đóng vai trò quan trọng trong quá trình
sản xuất, là cầu nối giữa các hạng mục, công trình sản xuất riêng biệt giữa
các phân xởng trong một nhà máy, giữa các máy sản xuất trong một dây
chuyền sản xuất.
Hệ truyền động cân băng định lợng gồm có:
+ Động cơ
+ Hộp số
+ Puli chủ động

10..

S
=
trong đó:
: khối lợng riêng của vật liệu [ tấn/m
3
]
S : tiết diện cắt ngang của vật liệu trên băng [ m
2
]
2 . Các thông số kỹ thuật, đặc điểm công nghệ và
yêu cầu đối với hệ truyền động băng tải phối liệu
2.1 . Các thông số kỹ thuật
Hệ truyền động sử dụng động cơ điện một chiều.
Lực kéo 600 N
Tốc độ cực đại 1,5 m/s
Tốc độ cực tiểu 0,075 m/s
Đờng kính trục 300 mm
Hộp số i = 10 ; = 80%


2.2.Đặc điểm công nghệ và yêu cầu đối với hệ
truyền động
a . Loại phụ tải
Đặc tính cơ của máy sản xuất thờng có dạng
( )





w

w
max
P
c

M
c

w
min
P
max
M
c
,P
c

b . Chiều quay của băng
Băng tải nhận vật liệu từ phễu và vận chuyển đến nơi phối liệu nên
chuyển động của nó là theo một chiều bắt buộc và không có đảo chiều
quay. Nếu đảo chiều quay của băng tải thì do quán tính nguyên vật liệu sẽ
rơi vãi, không bảo đảm đợc yêu cầu phối liệu. Ngoài ra khi đảo chiều thì có
một số phần của vật liệu không chuyển qua đợc thiết bị cảm biến để cân
chính xác.

R
v
w
===
===
Vận tốc của trục quay qui đổi với i = 10

)/(510.5,0.'
)/(10010.10.'
minmin
maxmax
sradiww
sradiww
===
===
Từ phơng trình động học của truyền động điện

dt
dw
JMM
c
+=
ta có giản đồ phụ tải
+ Đoạn 01 là đoạn băng tải đợc khởi động. Vì băng tải làm việc ở
chế độ dài hạn, số lần đóng cắt ít. Các yêu cầu về khởi động động cơ
là không nặng nề. Ta có thể cho băng tải khởi động đến tốc độ làm
việc và ổn định ở tốc độ đó rồi mới cho nguyên vật liệu rơi xuống
băng từ phễu.
+ Đoạn 12 là đoạn băng tải làm việc với tải M
c

2- Hộp tốc độ
3- Trục chính để lắp vào máy quay băng tải
g . Hệ truyền động nhiều động cơ
Khi có nhiều băng tải làm việc nối tiếp trong một dây truyền đòi hỏi
phải đồng bộ hoá tốc độ của các động cơ truyền động và đặt các khoá liên
động cần thiết bảo đảm thứ tự tác động. Khi đó tốc độ động cơ phải bằng
nhau trong mọi trờng hợp để tránh các lực đàn hồi trên băng.
h . Độ chính xác
Độ chính xác về tốc độ là yêu cầu quan trọng , đợc đánh giá bởi sai lệch
tĩnh:

%100%100
%
d
td
dm
w
ww
w
w

=

=
i . Dải điều chỉnh

1:20075,0:5,1:
minmax
===
wwD

2 .Tính công suất động cơ
Để tính chọn công suất động cơ trong trờng hợp truyền động có điều
chỉnh tốc độ, ta cần xác định các yêu cầu cơ bản sau:
Đặc tính phụ tải truyền động P
c
(), M
c
(): Phụ tải truyền động yêu
cầu điều chỉnh tốc độ với M = const. Khi đó, công suất yêu cầu cực đại P
max
= M
đm
.
max
M
c
0

min

max

M
c
= const
Đặc tính phụ tải
Phạm vi điều chỉnh tốc độ
max
và
min

4
Dòng từ hoá i
sd
5A
Từ thông định mức
đm
0,25Wb
Điện trở stato R
s
1,26
Điện trở roto R
r
0,2
Điện cảm từ hoá L
m
50mH
Mômen quán tính J 0,017 kgm
2
Điện cảm rò phía stato L
s

4,7mH
Điện cảm rò phía roto L
r

4,7mH
Xác định các thông số động cơ
Điện cảm phần ứng
L =
220

Mômen quán tính phần ứng : J = 0,125(kg.m
2
)
Hằng số thời gian cơ học T
c
=


2 2
.
(2,49 0,182).0,125
0,412( )
( ) (0,9)
dm
R J
s
k
+
= =

Hằng số thời gian mạch phần ứng T =
ư
0,0345
0,014( )
2,49
L
s
R
= =
Phơng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

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
băng tảI và nhiệm vụ thiết kế (dùng động cơ đIện một chiều), để điều chỉnh
tốc độ động cơ quay puli chủ động, 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).
1 . Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (F-Đ)
a . Cấu trúc hệ F-Đ
Hệ thống máy phát - động cơ (hệ F-Đ hay Ward-Léonard) là hệ
truyền động điện mà bộ biến đổi điện là máy phát điện một chiều kích từ
độc lập. Máy phát điện này thờng do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha
ĐK quay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi.


U
kF
U
đku
~
i
KF
F
ĐK
F

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.
2.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: gọn nhẹ, tổn
hao ít, quán tính nhỏ, tác động nhanh, công suất khống chế nhỏ... Trong hệ
thống truyền động chỉnh lu điều khiển - động cơ một chiều (CL-Đ), bộ biến
đổi có sức điện động E
đ
phụ thuộc giá trị của pha xung điều khiển (góc điều
khiển ). Chỉnh lu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng
hoặc dòng kích từ động cơ. Tùy theo yêu cầu cụ thể của truyền động mà có
thể dùng các sơ đồ chỉnh lu thích hợp (chỉnh lu cầu, chỉnh lu tia ...). Các bộ
chỉnh lu thyristor dùng trong truyền động điện một chiều tạo thành hệ
thống truyền động Thyristor - Động cơ (hệ T-Đ).

dm dm
E
R
M
k k
a
w= -
F F


Độ cứng của đặc tính cơ là
2
dm
k
R
b
ổ ử
F
ữ
ỗ
=
ữ
ỗ
ữ
ữ
ỗ
ố ứ
trong đó R là tổng trở toàn
mạch phần ứng động cơ (gồm điện trở phần ứng động cơ R và điện trở các
phần tử trong mạch nối tiếp với phần ứng động cơ).

Trong thực tế tính toán hệ T-Đ, ta chỉ cần xác định biên giới vùng
dòng điện gián đoạn, là đờng 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 đ-
ờng ellipse với các trục là các trục toạ độ của đặc tính cơ:
2 2
2 2
( ) ( ) 1
sin sin cos
e
m m
E IL
p
U U
p p p
w
p p p
p
+ =
-
Dễ dàng nhận thấy độ rộng của vùng dòng điện gián đoạn sẽ giảm
nếu ta tăng giá trị điện cảm L và tăng số pha chỉnh lu p. Song khi tăng số
xung p thì mạch lực chỉnh lu cũng tăng độ phức tạp và cả mạch điều khiển
cũng phức tạp hơn. Còn khi tăng trị số L sẽ dẫn tới làm xấu quá trình qúa
độ (tăng thời gian quá độ) và làm tăng trọng lợng, kích thớc của hệ thống.
Biên giới này đợc mô tả bởi đờng cong nét đứt trên hình 4-3.
c . Đặc điểm hệ truyền động Thyristor - động cơ
Ưu điểm nổi bật nhất của hệ T-Đ là độ tác động nhanh cao, không
gây ồn và dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất
rất cao. Điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều
chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lợng các đặc tính tĩnh và các đặc tính

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
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
+
==

to bằng các van bán dẫn.
Ưu điểm của phơng pháp này là dễ tự động hoá việc điều chỉnh.
Điện trở trong mạch rô to của động cơ KĐB :
R
r
= R
rd
+ R
f
Trong đó : R
rd
: điện trở dây quấn rô to
R
f
: điện trở ngoài mắc thêm vào mạch stato
Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rô to thì mô men tới hạn của động cơ
không thay đổi và độ trợt tới hạn tỉ lệ bậc nhất với điện trở
Mô men
i
rd
2
r
S
RI3
M

=
S
i
: Độ trợt khi điện trở mạch rô to là R

d
và
thời gian ngắt t
n
của một khoá bán dẫn cho phép một điện trở R
0
vào mạch
hay không .
c. Phơng pháp điều chỉnh công suất trợt
Đối với các hệ truyền động công suất lớn, tổn hao P
s
là lớn. Vì vậy
để diều chỉnh đợc tốc độ vừa tận dụng đợc công suất trợt ngời ta dùng các
sơ đồ điều chỉnh công suất trợt.

( )
dt
s
dt1c1cs
P
P
s
sPsM.MP

=
===
5. Hệ truyền động điện động cơ KĐB dùng ph ơng pháp điều chỉnh tần
số
Động cơ không đồng bộ ba pha (KĐB) đợc sử dụng rộng rãi trong công
nghiệp từ công suất nhỏ đến công suất trung bình và chiếm tỷ lệ rất lớn so

ba pha.
3.1 Biến tần trực tiếp (cycloconverter)
Có sơ đồ cấu trúc đơn giản hình 2.5 a. 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 của biến tần trực tiếp với dạng sóng điện áp gần
hình sin. Tuy nhiên, sơ đồ mạch van khá phức tạp, số lợng van lớn đối với
mạch ba pha. Việc thay đổi tần số ra f
2
khó khăn và phụ thuộc vào tần số
vào f
1
, số pha đầu vào của nguồn và số khoảng dẫn của các van ở mỗi nhóm
van.
Vì thế, hiện nay chủ yếu sử dụng loại biến tần này với phạm vi điều
chỉnh tần số f
2
f
1
. Mặc dù về nguyên tắc, có thể tạo biến tần với f
2
f
1
nh-

~
U
2
, f
2
U
=
U
=


Hình 2. 5. Cấu trúc biến tần trực tiếp (a) và Biến tần gián tiếp(b)
3.2. Biến tần gián tiếp (có khâu trung gian ) nghịch lu độc lập
Sơ đồ cấu trúc đợc trình bày trên hình 2.5b. Trong loại biến tần này,
điện áp xoay chiều đầu tiên đợc chuyển thành điện áp một chiều nhờ bộ
chỉnh lu, sau đó đi qua bộ lọc rồi mới trả về điện áp xoay chiều với tần số
f
2
. Việc biến đổi năng lợng hai lần làm giảm hiệu suất biến tần. Song, loại
biến tần này cho phép thay đổi dễ dãng tần số ra f
2
không phụ thuộc vào tần
số vào f
1
trong một dải rộng cả trên và dới f
1
vì tần số ra chỉ phụ thuộc vào
mạch điều khiển. Hơn nữa, với sự ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kỹ thuật
vi xử lý và dùng van lực là các loại transistor đã cho phép phát huy tối đa
các u điểm của loại biến tần này. Vì vậy, đa số các biến tần hiện nay là biến

muốn giũ mômen không đổi thì phải tăng dòng điện lên,làm cho động cơ
quá tải về dòng.Ngợc lại hi giảm tần số thì từ thông trong trong máy tăng
len và mạch từ bị bão hoà,điều đó dẫn đến tăng dòng từ hoá ,tăng tổn hao
sắt từ và đốt nóng máy điện.
Vì vạy khi điều chỉnh tần số cần phải điều chỉn cả điện apsddawtj vào dây
quấn stato để đạt đợc chế độ làm việc tối u.Đối với hệ thống biến tần ngồn
áp thờng có yeu cầu giữ cho khả năng quá tải về momen là không đổi:

th
M
M
l = =
conts
Với đặc tính cơ can máy sản xuất là:
0
0
c
dm
dm
w
M M
w
ổ ử
ữ
ỗ
ữ
=
ỗ
ữ
ỗ

Phơng pháp điều khiển véc tơ mà ta chọn làm phơng án thiết kế sẽ đáp úng
đợc mọi điều kiện vơi chế độ làm việc tối u nhất
Kết luận :
Trong hệ thống truyền động điện điều khiển tần số, phơng pháp
điều khiển theo từ thông rôto có thể tạo ra cho động cơ các đặc tính
tĩnh và động tốt. Các hệ thống điều khiển điện áp/ tần số và dòng điện/
tần số trợt đã đợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệ
Để truyền động cho hệ thống cân băng định lợng ta sử dụng phơng pháp
điều chỉnh tần số cho động cơ điện KĐB roto lồng sóc bằng thiết bị biến
tần nguồn áp
Điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ
Một số hệ thống yêu cầu chất lợng điều chỉnh động cao thì các ph-
ơng pháp điều khiển kinh điển khó đáp ứng đợc. Hệ thống điều khiển
định hớng theo từ trờng còn gọi là điều khiển vectơ, có thể đáp ứng các
yêu cầu điều chỉnh trong chế độ tĩnh và động.Nguyên lý điều khiển
vectơ dựa trên ý tởng điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ tơng tự
nh điều khiển động cơ một chiều. Phơng pháp này đáp ứng đợc yêu
cầu điều chỉnh của hệ thống trong quá trình quá độ cũng nh chất lợng
điều khiển tối u mômen. Việc điều khiển vectơ dựa trên định hớng
vectơ từ thông rôto có thể cho phép điều khiển tách rời hai thành phần
dòng stator, từ đó có thể điều khiển độc lập từ thông và mômen động
cơ. Kênh điều khiển mômen thờng gồm một mạch vòng điều chỉnh tốc
độ và một mạch vòng điều chỉnh thành phần dòng điện sinh mômen.
Kênh điều khiển từ thông thờng gồm một mạch vòng điều chỉnh dòng
điện sinh từ thông. Do đó hệ thống truyền động điện động cơ không
đồng bộ có thể tạo đợc các đặc tính tĩnh và động cao, có thể so sánh
đợc với động cơ một chiều.
Nguyên lý điều khiển vectơ:
Dựa trên ý tởng điều khiển động cơ không đồng bộ tơng tự nh điều khiển
động cơ một chiều. Động cơ một chiều có thể điều khiển độc lập dòng điện

phần dòng điện trên hai trục vuông góc của hệ tọa độ quay đồng bộ
với vectơ từ thông rôto Lúc này vấn đề điều khiển động cơ không đồng
bộ tơng tự điều khiển động cơ điện một chiều. ở đây thành phần dòng
điện I
ds
đóng vai trò tơng tự nh dòng điện kích từ động cơ một chiều (I
kt
)
và thành phần dòng I
qs
tơng tự nh dòng phần ứng động cơ một chiều (I)
. Các thành phần có thể tính đợc nhờ sử dụng khái niệm vectơ không
gian. Với ý tởng định nghĩa vectơ không gian dòng điện của động cơ đ-
ợc mô tả ở hệ tọa độ quay với tốc độ w
s
, các đại lợng dòng điện điện
áp, từ thông sẽ là các đại lợng một chiều.

Mạch
điều khiển
và
nghịch lưu
I
ư
I
ư
U
ư
ĐM
CKT

s2

s2
I
qs
I
qs1
i
s1

r
I
ds
q
d

s1
i
s2

s2
I
qs2

+ Khối lọc: tụ C, cuộn cảm L.
1.Tính chọn van điều khiển:
Dùng kiểu điều khiển khi góc dẫn là 180 độ, tải là động cơ đấu sao.
Đồ thị dẫn của van và dạng dòng, áp ra tải nh sau:
Tải đấu sao, góc dẫn của van là 180 độ, tại bất kỳ thời điểm nào cũng có
ba van dẫn.



97,0
89,16
38,16
===
R
L
Q


0,97
3 3
0,362
Q
a e e
p p
- -
= = =
Dòng điện cơ sở :

6 0 1 2 0 1 8 0
2 4
0
3 0
0
3 6
0
T 1
T 2

Trị số hiệu dụng dòng điện pha:

0
2 2
. 27,63.0,69 9( )
3 3
pha
I I A A= = ằ

Dòng điện trung bình tiêu thụ từ nguồn:

2 2
0
0,69
2 2.27,63. 8,77( )
3 3
d
A
I I A= = =
a.Đối với mạch chỉnh lu:
Coi bộ sụt áp trên bộ lọc bằng 0.
Dòng điện đầu ra của bộ chỉnh lu I
d
=8,77 A
Điện áp ra của bộ chỉnh lu: U
d
= E
n
=466,7 V
Do mạch cầu ba pha nên dòng trung bình qua các Thyristor là

A/às
C15
25ữ600
5,1 30 60
b.Đối với nghịch lu:
Ta có dòng điện pha A:
+ = 0 ữ /3
/ 1,03
3
(1 )(2 )
1 9,21 1 2,864
3 1
Q
N
A
E
a a
i e e
R a
q q- -
ộ ự
+ -
ộ ự
= - = -
ờ ỳ
ở ỷ
ờ ỳ
+
ở ỷ
+ = /3 ữ 2/3