ĐÁNH GIÁ 1 Điểm từng tiêu chí và điểm cuối cùng làm tròn đến 0,5 SV1 SV2 1 kế mạch lực, mạch điều khiển bộ biếnđổi công suất, hệ truyền động điện ứngdụng trong các công nghệ sản suất 5
QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ
Khái niệm, cấu tạo và nguyên lý chung của động cơ điện một chiều
1.1.1 Khái niệm Động cơ điện một chiều là loại máy điện một chiều biến điện năng dòng một chiều thành cơ năng Khi máy điện một chiều làm việc ở chế độ động cơ thì công suất đầu vào là công suất điện, công suất đầu ra là công suất cơ.
Hình 1.1: Một số loại động cơ điện một chiều
1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều
Động cơ điện một chiều gồm hai bộ phận chính là phần tĩnh và phần động, trong đó phần tĩnh thường là stator, còn phần động là rotor Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều giúp hoạt động hiệu quả và bền bỉ trong nhiều ứng dụng công nghiệp và dân dụng.
Hình 1.2: Cấu tạo động cơ 1 chiều
- Phần tĩnh hay stato hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường nó gồm có:
Mạch từ và dây quấn kích từ lồng ngoài mạch từ là thành phần quan trọng trong động cơ, đặc biệt khi được kích từ bằng nam châm điện Mạch từ thường được chế tạo bằng sắt từ như thép đúc hoặc thép đặc nhằm tạo ra từ trường mạnh mẽ và ổn định Dây quấn kích thích, còn gọi là dây quấn kích từ, được làm từ dây điện từ chất lượng cao và các cuộn dây này được mắc nối tiếp với nhau để đảm bảo nguồn từ trường đều và hiệu quả hoạt động của động cơ.
Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường, gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ được chế tạo từ những lá thép kỹ thuật điện hoặc thép cacbon dày từ 0,5 đến 1mm, ép lại và tán chặt, giúp tăng khả năng dẫn từ Trong các động cơ điện nhỏ, có thể sử dụng thép khối cho lõi sắt cực từ Cực từ được gắn chắc chắn vào vỏ máy bằng các bulông để đảm bảo ổn định Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng đã bọc cách điện, mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ lưỡng, tẩm sơn cách điện trước khi đặt onto các cực từ, và các cuộn dây này đều được nối tiếp với nhau để tạo thành mạch kích từ hiệu quả.
Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính của máy móc Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối chắc chắn, giúp tăng khả năng từ hóa Trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn giống như dây quấn của cực từ chính để tạo ra từ trường cần thiết Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy bằng các bulông chắc chắn, đảm bảo giữ vững vị trí và hoạt động ổn định của hệ thống từ.
Gông từ là bộ phận dùng để nối các cực từ trong động cơ điện, đồng thời đóng vai trò làm vỏ máy Trong các động cơ điện có kích thước nhỏ và trung bình, gông từ thường được chế tạo từ thép dày uốn và hàn lại nhằm đảm bảo độ bền và độ chính xác Đối với các máy điện lớn, thép đúc thường được sử dụng để làm vỏ máy, giúp tăng khả năng chịu lực và độ bền của cấu trúc Ngoài ra, trong các động cơ điện nhỏ, gang cũng có thể được dùng làm vỏ máy do đặc tính chịu lực tốt và dễ gia công.
Nắp máy đóng vai trò bảo vệ linh kiện bên trong khỏi các vật rơi vào gây hư hỏng dây quấn và đảm bảo an toàn cho người sử dụng, tránh tiếp xúc với điện nguy hiểm Trong các máy điện nhỏ và vừa, nắp máy còn có chức năng làm giá đỡ ổ bi, giúp ổ bi ổn định trong quá trình vận hành Thường thì nắp máy được làm bằng gang để đảm bảo độ bền và khả năng bảo vệ tốt nhất.
Cơ cấu chổi than đóng vai trò quan trọng trong việc truyền dòng điện từ phần quay ra ngoài Chổi than được đặt trong hộp chổi than, nhờ lò xo giữ chặt lên cổ góp để duy trì tiếp xúc ổn định Hộp chổi than cố định trên giá chổi than và cách điện với giá để đảm bảo an toàn điện Giá chổi than có thể quay để điều chỉnh vị trí chổi than phù hợp, sau khi điều chỉnh xong, người dùng cố định bằng vít để đảm bảo chổi than hoạt động chính xác.
- Phần quay hay rôto: Bao gồm những bộ phận chính sau
Phần sinh ra sức điện động gồm mạch từ làm bằng vật liệu sắt từ, như lá thép kỹ thuật, được xếp lại với nhau tạo thành từ trường ổn định Trên mạch từ còn có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng, nhằm tạo ra dòng điện cảm ứng hiệu quả.
Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bối dây nối theo quy luật nhất định, mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây và các đầu dây kết nối với các phiến đồng gọi là phiến góp Các phiến góp được cách điện với nhau và cách điện với trục, gọi là cổ góp hoặc vành góp Trên cổ góp, đặt cặp chổi than làm bằng than graphit, được ghép sát vào thành cổ góp nhờ lò xo, đảm bảo tiếp xúc tốt cho quá trình truyền điện.
Lõi sắt phần ứng chủ yếu dùng để dẫn từ, thường làm từ các tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại nhằm giảm tổn thất dòng điện xoáy Trên lá thép có hình dạng rãnh để đặt dây quấn sau khi ép, giúp tăng hiệu suất hoạt động của động cơ Trong các động cơ trung bình trở lên, còn có các lỗ thông gió dập trên lá thép để tạo điều kiện làm mát, giảm nhiệt và nâng cao độ bền của lõi sắt.
Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và dòng điện chạy qua, thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện Trong các máy điện nhỏ công suất dưới vài kilowatt, dây quấn phần ứng thường có tiết diện tròn, còn trong các máy điện vừa và lớn thì dùng dây có tiết diện chữ nhật để đảm bảo hiệu quả hoạt động Dây quấn được cách điện cẩn thận và đặt vào rãnh của lõi thép để tránh tiếp xúc chập chờn gây hỏng hóc Để tránh dây quấn bị văng ra khi quay do lực li tâm, người ta sử dụng nêm hoặc đai chặt ở miệng rãnh, với nêm thường làm bằng tre, gỗ hoặc bakelit, giúp cố định dây quấn chắc chắn hơn.
Cổ góp gồm nhiều phiến đồng đã được mạ cách điện bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm, tạo thành hình trục tròn chắc chắn Hai đầu trục tròn được giữ chặt bằng hai hình ốp chữ V ép chắc, trong khi phần vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica để đảm bảo an toàn và độ bền Đuôi của vành góp cao lên một chút để thuận tiện trong quá trình hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp, đảm bảo kết nối vững chắc và hiệu quả.
1.1.3 Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều
- Phân loại động cơ điện một chiều
Khi xem xét động cơ điện một chiều và máy phát điện một chiều, người ta thường phân loại dựa trên phương pháp kích thích từ của các thiết bị này Có bốn loại động cơ điện một chiều phổ biến được sử dụng trong thực tế: động cơ có chổi than, động cơ không chổi than, động cơ có phần kích thích riêng biệt và động cơ sử dụng dây quấn kích thích song song Các loại động cơ này được lựa chọn dựa trên yêu cầu về hiệu suất, độ bền và ứng dụng cụ thể trong các hệ thống điện.
+) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ
+) Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song song với phần ứng
+) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng
Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp gồm hai cuộn dây kích từ: một cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng, giúp nâng cao hiệu suất hoạt động của motor.
- Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
1.2.1 Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển Các thiết bị nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Udk Vì nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không Để đưa tốc động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặc hơn nữa.
Hình 1.5: Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống như sau:
Vì từ thông của động cơ được duy trì không đổi nên độ cứng đặc tính cơ bản cũng không thay đổi, còn tốc độ không tải tối ưu phụ thuộc vào điện áp điều khiển Uđk của hệ thống, cho phép phương pháp điều chỉnh này mang tính triệt để Để xác định giới hạn điều chỉnh tốc độ, chúng ta lưu ý rằng tốc độ tối đa của hệ thống bị hạn chế bởi đặc tính cơ bản tại điện áp phần ứng định mức, trong khi từ thông cũng duy trì ở mức định mức; tốc độ thấp nhất trong phạm vi điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và momen khởi động Khi tải đạt mức định mức, các giá trị tối đa và tối thiểu của tốc độ được xác định dựa trên đặc tính tải, đảm bảo đáp ứng được khả năng quá tải, trong đó đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch phù hợp để đảm bảo vận hành ổn định.
Trong đó KM là hệ số quá tải về mômen
Hình 1.6: Đồ thị đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng
Trong hệ thống máy cụ thể, các tham số như ω0max, Mdm, và KM được xác định rõ ràng, khiến phạm vi điều chỉnh D có mối quan hệ tuyến tính với độ cứng B Khi điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh, điện trở tổng mạch phần ứng thường gấp khoảng hai lần điện trở phần ứng của động cơ Do đó, có thể dự đoán sơ bộ phạm vi điều chỉnh bằng công thức ω0max ⋅ |β| / Mdm, giúp tối ưu hóa quá trình điều chỉnh hiệu quả hơn.
Tải có đặc tính mômen không đổi, do đó phạm vi điều chỉnh tốc độ thường không vượt quá 10, đảm bảo ổn định trong quá trình vận hành Tuy nhiên, đối với các máy yêu cầu cao về dải điều chỉnh và độ chính xác trong việc duy trì tốc độ làm việc liên tục, hệ thống hở như mô tả không phù hợp Việc sử dụng các hệ thống điều chỉnh tốc độ tự động, chính xác hơn sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của quá trình vận hành máy móc.
Trong phạm vi phụ tải cho phép, đặc tính cơ tĩnh của hệ truyền động một chiều kích từ độc lập có thể xem là tuyến tính Khi điều chỉnh điện áp phần ứng, độ cứng của hệ duy trì đặc tính gần như không đổi trên toàn dải, dẫn đến độ sụt tốc tương đối đạt giá trị lớn nhất tại điểm thấp nhất của dải điều chỉnh Điều này có nghĩa là nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh mà sai số tốc độ không vượt quá giới hạn cho phép, thì hệ sẽ hoạt động với sai số nhỏ hơn ngưỡng cho phép trong toàn bộ dải điều chỉnh Sai số tương đối của tốc độ tại đặc tính cơ thấp nhất được tính bằng công thức s = (ω\_min - ω\_min) / ω\_min = Δω / ω\_min, giúp đảm bảo hiệu quả và chính xác của hệ truyền động.
Các giá trị Mdm, ω omin, và Scp được xác định rõ ràng, cho phép tính toán chính xác giá trị tối thiểu của độ cứng đặc tính cơ mà sai số không vượt quá giới hạn cho phép Để thực hiện công việc này, hầu hết các trường hợp đều cần xây dựng hệ truyền động điện kiểu vòng kín nhằm đảm bảo hiệu suất và độ chính xác trong điều chỉnh hệ thống.
1.2.2 Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ
Giả thiết U = Uđm, Rư = const
Để thay đổi từ thông động cơ, ta có thể điều chỉnh dòng điện kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở vào mạch kích từ hoặc thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ Khi động cơ làm việc ở chế độ định mức với từ thông tối đa (ϕ = ϕ max), phương pháp này chủ yếu cho phép giảm từ thông ϕ, từ đó điều chỉnh tốc độ ở vùng trên tốc độ định mức Việc giảm ϕ dẫn đến tăng tốc độ không tải lý tưởng ω₀ = Udm / (kϕ), đồng thời giảm độ cứng đặc tính cơ β, giúp đạt được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên, nâng cao hiệu suất và khả năng điều chỉnh của động cơ.
Hình 1.7: Đồ thị đặc tính cơ khí thay đổi từ thông
Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông, dòng điện sẽ tăng và có thể vượt quá mức cho phép nếu momen không đổi Để giữ dòng điện không vượt quá giới hạn an toàn trong khi giảm từ thông, cần phải giảm mô men tải (Mt) cùng tỷ lệ với sự giảm từ thông, đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của động cơ.
*Đặc điểm của phương pháp:
+) Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng
+) Phương pháp này chỉ điều khiển ở vùng tải không quá lớn so với định mức, việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch
+) Việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông là phương pháp điều khiển với công suất không đổi
Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển cho thấy sai số tốc độ lớn và đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự nhiên của hệ thống Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy, cho phép điều chỉnh trơn trong phạm vi D = 3 : 1 Với công suất của cuộn dây kích từ nhỏ và dòng điện kích từ hạn chế, hệ thống có khả năng điều khiển liên tục với dòng điện kích từ ϕ phù hợp, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ DC bằng cách thay đổi dòng kích từ là một trong những phương pháp phổ biến và linh hoạt nhất Phương pháp này cho phép điều chỉnh liên tục tốc độ của động cơ một cách kinh tế, do việc điều chỉnh dòng kích từ thực hiện dễ dàng và nhanh chóng trong quá trình vận hành Nhờ đó, người vận hành có thể dễ dàng kiểm soát tốc độ phù hợp với yêu cầu công việc, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động và giảm thiểu chi phí vận hành.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều thường gặp phải hạn chế về tổn thất năng lượng do phần ứng Tuy nhiên, phương pháp này có ưu điểm là tổn hao điều chỉnh thấp, đặc biệt phù hợp khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển ban đầu Chính vì vậy, đây gần như là phương pháp duy nhất được lựa chọn để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều trong các ứng dụng cần yêu cầu mức độ điều chỉnh vượt quá giới hạn của tốc độ ban đầu.
=> Lựa chọn phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng
THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN CHO PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
Các hệ truyền động có thể điều chỉnh điện áp
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hệ máy phát F-Đ
Coi mạch từ máy phát chưa bão hoà:
KF : Hệ số kết cấu máy phát
C = ΔΦF /ΔiKF : Hệ số góc của đặc tính từ hoá
Phương trình đặc tính cơ: ω= E F
Như vậy, khi thay đổi UKF (hoặc iKF) thì ta sẽ được một họ đường đặc tính cơ song song nhau ở cả 4 góc phần tư.
Hệ F – Đ có đặc điểm nổi bật là khả năng điều chỉnh tốc độ linh hoạt và động cơ có thể tự động chuyển đổi qua các chế độ làm việc khi thay đổi tốc độ hoặc đảo chiều tốc độ Đặc điểm này giúp hệ F – Đ thích ứng tốt với các yêu cầu vận hành khác nhau, nâng cao hiệu quả làm việc Ưu điểm của hệ F – Đ bao gồm khả năng linh hoạt trong điều chỉnh tốc độ và chuyển đổi dễ dàng giữa các chế độ làm việc, giúp tối ưu hóa quá trình vận hành và tiết kiệm năng lượng.
- Điều chỉnh tốc độ đơn giản, ít tốn năng lượng vì chỉ thực hiện trong mạch kích từ
Việc dễ dàng đảo chiều quay bằng cách thay đổi chiều từ thông máy phát hoặc từ thông động cơ mang lại sự linh hoạt trong vận hành Tuy nhiên, trong thực tế, phương pháp phổ biến hơn là đảo chiều từ thông máy phát do không thể để từ thông động cơ bằng zero khi tốc độ ω tiến tới vô cực Nhược điểm của việc này là gì? Cần lưu ý các hạn chế liên quan đến việc điều chỉnh từ thông để đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Hệ F-Đ có nhược điểm chính là sử dụng nhiều máy điện quay, đặc biệt là ít nhất hai máy điện một chiều, gây tiếng ồn lớn và làm giảm hiệu suất hoạt động Việc lắp đặt máy điện chiếm tới gấp ba lần công suất của động cơ chấp hành, dẫn đến chi phí đầu tư tăng cao Do đó, hệ F-Đ dễ dẫn đến giá thành sản phẩm cao và hiệu suất làm việc không tối ưu.
Ngoài ra, do các máy phát một chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ.
Hình 2.3 thể hiện sơ đồ nguyên lý của hệ khuếch đại từ dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ Khi thay đổi dòng điều khiển khuếch đại từ (góc từ hoá αs), điện áp ra của khuếch đại từ sẽ thay đổi, giúp điều chỉnh tốc độ hoạt động của động cơ một cách linh hoạt Sử dụng hệ khuếch đại từ là phương pháp hiệu quả để kiểm soát tốc độ động cơ điện chính xác và ổn định.
Phương trình đặc tính cơ: ω = E KĐĐ −∆ U v
Các đặc tính cơ của hệ KĐT - ĐM gần giống đặc tính của hệ T - ĐM, phản ánh rằng trong vùng dòng điện liên tục, hệ có đặc tính cơ cứng hơn so với vùng dòng điện gián đoạn Vùng dòng điện gián đoạn bị giới hạn bởi đường elip bao quanh gốc toạ độ mặt phẳng đặc tính cơ, giúp xác định phạm vi hoạt động Việc điều chỉnh điện áp ra của khuếch đại từ và từ thông động cơ cho phép chúng ta kiểm soát tốc độ động cơ, bao gồm cả ở mức trên và dưới tốc độ cơ bản, đảm bảo linh hoạt trong vận hành.
Hình 2.4: Đặc tính cơ của hệ khuếch đại từ Ưu điểm:
Hệ truyền động khuếch đại từ mang lại hiệu suất cao nhờ vào thiết kế không có tiếp xúc cơ học giữa các bộ phận chuyển động, giúp giảm ma sát và giảm thiểu mất mát năng lượng Sử dụng công nghệ này giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống, nâng cao hiệu quả truyền động và giảm tiêu thụ năng lượng Chính vì vậy, hệ truyền động khuếch đại từ là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng.
Hệ truyền động hoạt động với tiếng ồn thấp nhờ không sử dụng các bộ phận cơ khí di chuyển trực tiếp như bánh răng hay cánh quạt Điều này giúp giảm tiếng ồn đáng kể, rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu yêu cầu môi trường yên tĩnh và thoải mái.
Hệ truyền động từ ít tiêu thụ bảo trì nhờ đặc điểm không có bộ phận ma sát, giúp giảm hao mòn và kéo dài tuổi thọ thiết bị Điều này làm cho hệ truyền động này trở thành lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng cần hiệu quả vận hành cao và tiết kiệm chi phí bảo trì so với các hệ truyền động cơ khí truyền thống.
Hệ truyền động khuếch đại từ có khả năng kiểm soát lực và tốc độ rất chính xác, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Khả năng điều khiển chính xác này đảm bảo phản hồi nhanh chóng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống.
Hệ truyền động từ có khả năng hoạt động hiệu quả trong các môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, bụi bẩn và độ ẩm lớn nhờ không có bộ phận chuyển động cơ khí tiếp xúc trực tiếp Đây là ưu điểm nổi bật giúp hệ truyền động từ duy trì hoạt động ổn định và bền bỉ trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.
Chi phí đầu tư cao của công nghệ truyền động từ là một yếu tố quan trọng, vì nó đòi hỏi khoản tiền lớn để trang bị ban đầu và duy trì vận hành Điều này có thể là một rào cản đối với các dự án hoặc ứng dụng có ngân sách hạn chế.
Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, hệ truyền động cần nguồn điện ổn định Việc thiếu nguồn điện ổn định hoặc gặp biến động về điện áp có thể gây khó khăn trong quá trình vận hành, ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống Do đó, cung cấp nguồn điện ổn định là yếu tố quan trọng để duy trì hoạt động liên tục và ổn định của hệ truyền động.
Hệ truyền động từ có hiệu suất cao nhưng có giới hạn chịu tải, đặc biệt trong các trường hợp tải nặng hoặc tác động mạnh, dẫn đến khả năng không đáp ứng như các hệ truyền động cơ khí truyền thống.
Hệ truyền động có thể gặp khó khăn trong việc duy trì độ chính xác khi vận hành ở tốc độ thấp hoặc khi yêu cầu điều khiển lực chính xác trong phạm vi nhỏ Khó khăn này đặc biệt xuất hiện ở các hệ truyền động từ, khiến việc điều khiển trở nên phức tạp hơn ở tốc độ thấp Điều này ảnh hưởng đến hiệu suất và độ chính xác của hệ thống trong các ứng dụng yêu cầu điều chỉnh chính xác trong phạm vi hạn chế.
Tác động của từ trường mạnh từ các hệ truyền động khuếch đại từ là yếu tố cần được chú ý, vì chúng có thể tạo ra từ trường rất mạnh Nếu không được thiết kế đúng cách, từ trường này có thể ảnh hưởng tiêu cực đến các thiết bị điện tử xung quanh và môi trường Do đó, việc kiểm soát và tối ưu hóa hệ truyền động là rất quan trọng để giảm thiểu tác động tiêu cực này.
2.1.3 Hệ chỉnh lưu điều khiển động cơ 1 chiều có đảo chiều
2.1.3.1 Các phương pháp chỉnh lưu.
- Các bộ chỉnh lưu đảo chiều dùng cho động cơ điện một chiều cần quay theo cả hai chiều với chế độ làm việc ở cả 4 góc điều chỉnh
Thiết kế mạch động lực
Hình 2.19: Sơ đồ mạch động lực
Bộ chỉnh lưu cho hệ truyền động điện một chiều có đảo chiều có các thông số:
• Công suất định mức động cơ: Pđm = 32 kW
• Điện áp phần ứng định mức: Uưđm = 400 V
• Dòng điện định mức: Iđm = 90 A
• Tốc độ định mức: nđm = 1800 vòng/phút
• Nguồn xoay chiều: 1 pha, 220 V, 50 Hz
2.2.2 Phân tích sơ đồ mạch chỉnh lưu
Hệ thống sử dụng sơ đồ mạch gồm hai cầu chỉnh lưu thyristor đối xứng, mỗi cầu gồm bốn thyristor, nhằm cấp nguồn ổn định cho động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu Tải gồm điện trở, cuộn cảm và suất điện động E, giúp điều chỉnh hoạt động của động cơ Các cầu chỉnh lưu được kích hoạt luân phiên để kiểm soát chiều quay của động cơ một cách chính xác và hiệu quả.
2.2.3 Tính chọn các linh kiện chính
• Điện áp thứ cấp yêu cầu: U2 ≈ 285 V (để đạt 400 V DC sau chỉnh lưu)
• Công suất: S = 285 × 100 = 28.5 kVA → chọn máy biến áp 35 kVA
• Dòng hiệu dụng: Ithy = Iđm / √2 ≈ 63.6 A
• Dòng chọn có dự phòng: ≥ 1.5 × 63.6 ≈ 95 A
• Điện áp ngược yêu cầu: ≥ 1.5 × √2 × 285 ≈ 605 V
• Để đảm bảo dòng liên tục: chọn L ≈ 10 – 20 mH
• Cầu chì bảo vệ thyristor: 100 A
• Cầu chì bảo vệ động cơ: 125 A
• Cầu chì bảo vệ máy biến áp: 160 A
→ Đảm bảo cắt nhanh khi ngắn mạch hoặc quá tải
Mạch snubber bảo vệ thyristor
• Dùng mạch RC mắc song song với mỗi thyristor để hạn chế quá áp khi chuyển mạch
Mạch lọc chống xung từ lưới
• Mắc thêm mạch RC song song tại đầu vào nguồn để hạn chế xung áp đột biến từ lưới
Thành phần Giá trị / Lựa chọn
Máy biến áp 1 pha, 220V/285V, ≥ 35 kVA
Mạch điều khiển 8 xung gate, điều chỉnh được α từ 0–150°, logic chọn cầu A/B
Cầu chì bảo vệ 125 A cho động cơ, 100 A cho thyristor, 160 A cho máy biến áp
RC snubber R = 10 Ω, C = 0.47 àF (mỗi thyristor)
Bảng 2.1: Tổng quát tính chọn thiết bị
Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển đối xứng sử dụng hai cầu thyristor điều khiển, được thiết kế để cung cấp nguồn cho động cơ DC nam châm vĩnh cửu công suất 32 kW Hệ thống điều chỉnh góc α giúp kiểm soát điện áp và hướng quay của động cơ một cách linh hoạt Thiết kế đã tính toán kỹ lưỡng các phần tử công suất, biến áp và mạch bảo vệ phù hợp với công suất và điều kiện vận hành, đảm bảo an toàn và độ tin cậy cho hệ thống.
Tính toán thiết kế mạch điều khiển
2.3.1 Các hệ điều khiển chỉnh lưu
- Có 2 hệ cơ bản là hệ đồng bộ và hệ không đồng bộ
Hệ đồng bộ đảm bảo góc điều khiển mở van α luôn xác định dựa trên một thời điểm cố định của điện áp mạch lực, chẳng hạn như điểm qua không của điện áp lực trong chỉnh lưu một pha Điều này tránh sai lệch pha và giúp mạch điều khiển hoạt động chính xác theo nhịp của điện áp lực Vì vậy, trong mạch điều khiển (MĐK) cần có khâu đồng bộ hay đồng pha để duy trì sự phối hợp phù hợp giữa các tín hiệu và đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Hệ đồng bộ có ưu điểm hoạt động ổn định và dễ thực hiện, tuy nhiên dễ nhạy nhiễu lưới điện do liên quan đến khâu đồng bộ của điện áp lực Trong khi đó, hệ không đồng bộ chống nhiễu tốt hơn nhưng lại kém ổn định, nên trong phân tích này, chúng tôi tập trung vào hệ đồng bộ để đảm bảo hiệu quả và tính ổn định trong vận hành hệ thống điện.
2.3.2 Các nguyên tắc điều khiển trong hệ đồng bộ
Trong các hệ thống điều khiển, có hai nguyên tắc chính là nguyên tắc điều khiển dọc và nguyên tắc điều khiển ngang Thực tế, hầu hết các mạch điều khiển đều áp dụng nguyên tắc điều khiển dọc để đảm bảo hiệu quả và độ ổn định cao.
- Nguyên tắc điều khiển dọc:
Hệ thống bao gồm sơ đồ cấu trúc và đồ thị minh họa, trong đó khâu Utựa tạo ra điện áp tựa có dạng cố định, thường là dạng răng cưa hoặc hình sin, theo chu kỳ do nhịp đồng bộ của Uđb Khâu so sánh SS xác định điểm cân bằng giữa hai điện áp Utựa và Uđk để kích hoạt khâu tạo xung TX Nguyên tắc hoạt động dựa trên sự thay đổi của trị số Uđk, làm thời điểm phát xung mở van hoặc góc điều khiển thay đổi, thể hiện qua sự di chuyển theo chiều dọc của trục biên độ trên đồ thị.
Hình 2.20: Cấu trúc nguyên tắc điều khiển dọc
Hình 2.21: Đồ thị minh họa nguyên tắc điều khiển dọc
2.3.3 Các khâu cơ bản của mạch điều khiển.
Khâu đồng pha (khâu đồng bộ hóa và phát sóng răng cưa)
- Khâu đồng bộ có nhiệm vụ sử dụng máy biến áp để :
Chuyển đổi điện áp từ mạch lực có giá trị cao xuống thấp phù hợp với mạch điều khiển thường là cần thiết để đảm bảo an toàn Theo các quy chuẩn về an toàn điện, điện áp điều khiển nên dưới 36V để hạn chế nguy cơ rò rỉ điện và tai nạn Việc giảm điện áp từ mạch lực sang mạch điều khiển giúp bảo vệ các thiết bị và người sử dụng hiệu quả hơn Do đó, các kỹ thuật chuyển đổi điện áp phù hợp là yếu tố quan trọng trong hệ thống điện tự động và điều khiển công nghiệp.
Cách ly hoàn toàn về điện áp giữa mạch lực và mạch điều khiển là yếu tố then chốt để đảm bảo an toàn cho người dùng và bảo vệ các linh kiện điện tử khỏi các rủi ro về điện Việc tách biệt này giúp phòng ngừa các hiện tượng chập cháy, đoản mạch và các tai nạn điện gây nguy hiểm Hơn nữa, cách ly hoàn toàn còn tăng độ tin cậy của hệ thống điều khiển, đồng thời duy trì hiệu suất hoạt động ổn định của toàn bộ thiết bị điện tử.
- Điện áp đồng pha được lấy trực tiếp với góc pha phù hợp (ở đây là lệch
180 o so với điện áp lực), thường được sử dụng cho mạch tạo răng cưa dùng transistor.
Để tạo nhịp phù hợp mà không bị phụ thuộc vào điện áp lưới, việc xác định chính xác điểm qua 0 của lưới điện đóng vai trò quan trọng Phương pháp này sử dụng dạng xung chữ nhật nhờ vào khuyếch đại thuật toán, giúp phát hiện điểm chuyển đổi dấu của điện áp nguồn một cách chính xác Việc này đảm bảo quá trình đồng bộ tín hiệu diễn ra chính xác, nâng cao hiệu quả của hệ thống điện.
Hình 2.22: Mạch đồng bộ sử dụng khuyếch đại thuật toán
Hình 2.23: Đồ thị xung đồng bộ
Khâu tạo xung răng cưa:
Khâu tạo điện áp răng cưa cung cấp tín hiệu phù hợp cho quá trình so sánh, đảm bảo vùng điều chỉnh đủ rộng để đáp ứng các yêu cầu về vùng điều khiển, độ chính xác và tính ổn định trong điều khiển xung, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống kiểm soát.
Hình 2.24: Mạch tạo điện áp tựa dạng răng cưa
Phần điện áp dương của điện áp chữ nhật Udb qua diode D1 được chuyển đổi thành điện áp tựa Urc thông qua khuếch đại thuật toán tích phân Trong khi đó, điện áp âm của Udb giúp mở thông tranzitor, dẫn đến hiện tượng ngắn mạch của khuếch đại thuật toán (với Urc bằng 0) khi Udb ở vùng âm.
Hình 2.25: Đồ thị điện áp tựa dạng răng cưa
Khâu so sánh có vai trò quan trọng trong việc so sánh điện áp răng cưa với điện áp điều khiển nhằm xác định thời điểm phát xung điều khiển Thông thường, điểm so sánh này xảy ra khi hai điện áp bằng nhau, giúp xác định góc điều khiển α chính xác Đây là bước quan trọng để điều chỉnh quá trình phát xung nhằm đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Để xác định thời điểm cần mở thyristor, quan trọng là so sánh hai tín hiệu Udk và Urc Việc so sánh này có thể được thực hiện hiệu quả bằng cách sử dụng tranzitor, giúp đảm bảo quá trình đóng cắt của thyristor chính xác và tối ưu.
Hiệu Udk ± Urc ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ mở của Tr trong mạch, khi hiệu này nằm trong vùng điện áp nhỏ hàng vài mV khiến Tr không hoạt động đúng chế độ đóng cắt mong muốn Điều này dẫn đến thời điểm mở của thyristor bị lệch xa so với điểm lý tưởng tại Udk = Urc Hiện tượng này phản ánh rằng, với mức hiệu Udk ± Urc nhỏ, việc điều chỉnh và kiểm soát thời điểm mở của thyristor gặp khó khăn, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu chính xác cao Do đó, cần xem xét kỹ các yếu tố ảnh hưởng để đảm bảo hoạt động ổn định của mạch trong phạm vi điện áp phù hợp.
Khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại vô cùng lớn, chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ (khoảng vài microvolt) ở đầu vào là đã có thể tạo ra đầu ra với mức điện áp ổn định, đảm bảo độ chính xác cao Điều này làm cho việc ứng dụng khuếch đại trong các mạch làm khâu so sánh là rất hợp lý và hiệu quả Ưu điểm nổi bật của các sơ đồ này là khả năng phát xung điều khiển chính xác tại điểm Udk = Urc, giúp nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống công nghiệp.
Hình 2.26: Sơ đồ so sánh 1 của cổng đảo của KĐTT
Hình 2.27: Đồ thị điện áp so sánh
Dạng xung chùm là dạng phổ biến nhất vì cho phép mở tối ưu van lực trong mọi tình huống, tải trọng khác nhau và các sơ đồ chỉnh lưu đa dạng Xung chùm là một chùm xung có tần số cao gấp nhiều lần tần số lưới điện (f= 6-12kHz), với độ rộng trong khoảng 100-130 độ điện, nhằm đảm bảo điện áp trên van lực chuyển đổi dấu hiệu một cách chính xác Để giảm dòng công suất trong tầng khuếch đại và tăng xác suất mở xung kích, người ta thường phát xung chùm cho các thyristor, đặc biệt trong các mạch chỉnh lưu Nguyên tắc phát xung chùm bao gồm việc chèn thêm một cổng AND (&) với tín hiệu đầu vào lấy từ tầng so sánh và bộ phát xung chùm trước khi vào tầng khuếch đại, giúp đảm bảo hoạt động chính xác và ổn định của hệ thống.
Hình 2.28: Sơ đồ phối hợp điều khiển chùm
- Vi mạch 555 tạo xung clock cho ta chất lượng xung khá tốt và sơ đồ cũng đơn giản Sơ đồ này thường hay gặp trong các mạch điều khiển.
- Trong thiết kế mạch điều khiển, khâu tạo xung chùm cũng có thể sử dụng khuếch đại thuật toán để đồng dạng về linh kiện
- Ngoài ra ta cũng có thể tạo xung chùm bằng cách sử dụng các IC logic.
Hình 2.29: Mạch tạo xung chùm bằng IC logic
Hình 2.30: Đồ thị xung chùm sử dụng IC logic
- Với nhiệm vụ điều khiển phù hợp để mở thyristor: Xung để mở Thyristor có yêu cầu:
- Có sườn trước dốc thẳng đứng , thường gặp là xung chữ nhật, xung kim. Mục đích là để Thyristor mở tức thời.
- Đủ công suất có nghĩa là đủ Udk, Idk Đủ độ rộng xung (độ rộng xung điều khiển phải lớn hơn thời gian mở Thyristor)
Trong hệ thống điều khiển và động lực, việc cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực là rất quan trọng, đặc biệt khi điện áp của mạch động lực ngày càng tăng Mạch điều khiển thường được xây dựng từ các linh kiện công suất nhỏ, trong khi mạch lực gồm các thiết bị điện tử công suất lớn, chịu điện áp cao Để đảm bảo an toàn và tránh hiện tượng nhiễu loạn, cách ly thường được thực hiện bằng biện pháp sử dụng biến áp xung, giúp tách biệt các phần của hệ thống một cách hiệu quả.
XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ SỬ DỤNG CẤU TRÚC
Tính chọn thiết bị đo dòng điện và tốc độ
3.4 Mô phỏng hệ điều khiển tốc tốc trên phần mềm Matlab/Simulink
2 Hoạt động của sinh viên (xác định các hoạt động chính của sinh viên trong quá trình thực hiện Tiểu luận, Bài tập lớn, Đồ án/Dự án để hình thành tri thức, kỹ năng đáp ứng mục tiêu chuẩn đầu ra nào của học phần)
- Hoạt động/Nội dung 1: Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều và lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ
Mục tiêu của bài học là giúp học viên vận dụng kiến thức về thiết kế mạch lực và mạch điều khiển bộ biến đổi công suất để nâng cao hiệu quả hệ thống truyền động điện Sinh viên sẽ được trang bị kỹ năng tích hợp các bộ phận trong hệ truyền động điện ứng dụng trong các công nghệ sản xuất hiện đại Tập trung vào việc áp dụng kiến thức thực tế về thiết kế mạch lực và điều khiển nhằm tối ưu hoá quá trình vận hành các hệ thống công nghiệp Đây là nền tảng quan trọng để phát triển các giải pháp công nghệ bền vững và nâng cao năng suất trong lĩnh vực sản xuất.
- Hoạt động/Nội dung 2: Chương 2: Thiết kế mạch chỉnh lưu
Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Thiết kế, tính chọn được thiết bị cho mạch lực và mạch điều khiển.
- Hoạt động/Nội dung 3: Xây dựng hệ điều khiển tốc độ sử dụng cấu trúc hai mạch vòng phản hồi
Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Thiết kế, tính chọn được thiết bị cho mạch lực và mạch điều khiển.
3 Sản phẩm nghiên cứu (xác định cụ thể sản phẩm của chủ đề nghiên cứu cần đạt được, ví dụ: Bản thuyết minh, bài thu hoạch, mô hình, sơ đồ, bản vẽ kỹ thuật, trang website, bài báo khoa học, )
Bản báo cáo thuyết minh đồ án môn học.
III Nhiệm vụ học tập
1 Hoàn thành Tiểu luận, Bài tập lớn, Đồ án/Dự án theo đúng thời gian quy định (từ ngày 5 /3 /2025 đến ngày 26/05/2025)
2 Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề được giao trước giảng viên và những
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 5
1.1 Khái niệm, cấu tạo và nguyên lý chung của động cơ điện một chiều 5
1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều 5
1.1.3 Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều 8
1.1.4 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu 9
1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 12
1.2.1 Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng 12
1.2.2 Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ 15
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN CHO PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ 17
2.1.Các hệ truyền động có thể điều chỉnh điện áp 17
2.1.3 Hệ chỉnh lưu điều khiển động cơ 1 chiều có đảo chiều 21
2.2 Thiết kế mạch động lực 35
2.2.2 Phân tích sơ đồ mạch chỉnh lưu 36
2.2.3 Tính chọn các linh kiện chính 36
2.3 Tính toán thiết kế mạch điều khiển 38
2.3.1 Các hệ điều khiển chỉnh lưu 38
2.3.2 Các nguyên tắc điều khiển trong hệ đồng bộ 38
2.3.3 Các khâu cơ bản của mạch điều khiển 39
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ SỬ DỤNG CẤU TRÚC
HAI MẠCH VÒNG PHẢN HỒI 60
3.1 Tính chọn thiết bị đo dòng điện và tốc độ 60
3.1.1 Thiết bị đo dòng : Cảm biến LEM 60
3.1.2 Thiết bị đo tốc độ: encoder 61
3.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng 61
3.3 Tổng hợp mạch vòng dòng điện theo tiêu chuẩn tối ưu module 63
3.4 Mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink 64
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Một số loại động cơ điện một chiều 5
Hình 1.2: Cấu tạo động cơ 1 chiều 6
Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều kích từ nam châm vĩnh cửu 10
Hình 1.4: Phương trình đặc tính cơ và đặc tính cơ điện 12
Hình 1.5: Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng 13
Hình 1.6: Đồ thị đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng 14
Hình 1.7: Đồ thị đặc tính cơ khí thay đổi từ thông 15
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hệ máy phát F-Đ 17
Hình 2.2: Đồ thị đặc tính cơ hệ máy phát F-Đ 18
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý hệ khuếch đại từ 19
Hình 2.4: Đặc tính cơ của hệ khuếch đại từ 20
Hình 2.5: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha dùng phương pháp điều khiển chung 24
Hình 2.6: Đồ thị điện áp Ud1 và Ud2 khi G1 ở chế độ chỉnh lưu, G2 ở chế độ nghịch lưu 25
Hình 2.7: Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có đảo chiều dùng phương pháp điều khiển riêng 26
Hình 2.8: Chỉnh lưu tia 1 pha 1 nửa chu kỳ có điều khiển 27
Hình 2.9: Đồ thị chỉnh lưu tia 1 pha 1 nữa chu kỳ tải R 27
Hình 2.10: Chỉnh lưu tia 1 pha 2 nửa chu kỳ có điều khiển 28
Hình 2.11: Đồ thị chỉnh lưu tia 1 pha 2 nửa chu kỳ có điều khiển tải R 29
Hình 2.12: Đồ thị chỉnh lưu tia 1 pha 2 nửa chu kỳ có điều khiển tải RL và RLE (dòng liên tục) 29
Hình 2.13: Chỉnh lưu cầu 1 pha đối xứng 30
Hình 2.14: Sơ đồ làm việc chỉnh lưu cầu 1 pha đối xứng tải R 31
Hình 2.15: Phương án cấp xung chỉnh lưu cầu 1 pha 32
Hình 2.16: Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng tải R, RLE 33
Hình 2.17: Sơ đồ làm việc chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng khi α0° tải R 34
Hình 2.18: Sơ đồ làm việc chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng khi α`° tải R 34
Hình 2.19: Sơ đồ mạch động lực 35
Hình 2.20: Cấu trúc nguyên tắc điều khiển dọc 39
Hình 2.21: Đồ thị minh họa nguyên tắc điều khiển dọc 39
Hình 2.22: Mạch đồng bộ sử dụng khuyếch đại thuật toán 40
Hình 2.23: Đồ thị xung đồng bộ 40
Hình 2.24: Mạch tạo điện áp tựa dạng răng cưa 41
Hình 2.25: Đồ thị điện áp tựa dạng răng cưa 41
Hình 2.26: Sơ đồ so sánh 1 của cổng đảo của KĐTT 42
Hình 2.27: Đồ thị điện áp so sánh 42
Hình 2.28: Sơ đồ phối hợp điều khiển chùm 43
Hình 2.29: Mạch tạo xung chùm bằng IC logic 44
Hình 2.30: Đồ thị xung chùm sử dụng IC logic 44
Hình 2.31: Khuyếch đại bằng sơ đồ Darlington 45
Hình 2.32: Đồ thị điện áp sau khuyếch đại 45
Hình 2.33: Hình chiếu lõi biến áp xung 47
Hình 2.34: Mạch tạo nguồn 12V đối xứng 55
Hình 2.35: Kích thước mạch từ biến áp 57
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng điện 60
Hình 3.2: Nguyên lí hoạt động encoder 61
Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển 62
Hình 3.4: Cấu trúc mạch vòng điều khiển biến tốc độ 62
Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 63
Trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển truyền động, hệ truyền động điện một chiều đóng vai trò quan trọng nhấn mạnh khả năng điều chỉnh tốc độ và mô-men chính xác, linh hoạt Các hệ truyền động có yêu cầu đảo chiều quay thường được thiết kế với bộ chỉnh lưu điều khiển để kiểm soát mô-men và chiều quay hiệu quả Đồ án “Thiết kế bộ chỉnh lưu cho hệ truyền động điện một chiều có đảo chiều” nhằm nghiên cứu, phân tích và thiết kế hệ thống chỉnh lưu sử dụng thyristor trong cầu một pha đối xứng, phù hợp cho động cơ một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu Mục tiêu chính của đề tài là cung cấp nguồn điện một chiều ổn định, điều chỉnh điện áp và dòng điện cấp cho động cơ để kiểm soát chiều quay và tốc độ một cách hiệu quả.
Trong quá trình thực hiện dự án, chúng tôi tập trung phân tích đặc tính làm việc của hệ truyền động một chiều có đảo chiều, lựa chọn cấu trúc mạch chỉnh lưu phù hợp để đảm bảo hiệu quả và độ bền của hệ thống Chúng tôi tiến hành tính toán và thiết kế các thông số kỹ thuật chính nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống Ngoài ra, mô phỏng hoạt động của hệ thống giúp đánh giá chính xác hiệu quả làm việc của bộ chỉnh lưu trong các chế độ vận hành khác nhau Dự án được thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của giảng viên bộ môn, đảm bảo chất lượng và tính chính xác của các kết quả đạt được.
Vũ Thị Yến đã nỗ lực nghiên cứu và sử dụng các tài liệu chuyên ngành để hoàn thiện bài báo cáo Tuy nhiên, do thời gian hạn chế và kiến thức còn hạn chế, bài báo gặp phải một số thiếu sót cần chỉnh sửa Chúng tôi mong nhận được ý kiến đóng góp từ quý thầy cô để giúp đồ án ngày càng hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ
1.1 Khái niệm, cấu tạo và nguyên lý chung của động cơ điện một chiều
1.1.1 Khái niệm Động cơ điện một chiều là loại máy điện một chiều biến điện năng dòng một chiều thành cơ năng Khi máy điện một chiều làm việc ở chế độ động cơ thì công suất đầu vào là công suất điện, công suất đầu ra là công suất cơ.
Hình 1.1: Một số loại động cơ điện một chiều
1.1.2 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều
Động cơ điện một chiều gồm hai phần chính: phần tĩnh và phần động, tạo thành cấu tạo cơ bản của loại động cơ này.
Hình 1.2: Cấu tạo động cơ 1 chiều
- Phần tĩnh hay stato hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường nó gồm có:
Mạch từ và dây quấn kích từ của động cơ có vai trò quan trọng trong quá trình vận hành, đặc biệt khi động cơ được kích từ bằng nam châm điện Mạch từ thường được chế tạo từ các vật liệu sắt từ như thép đúc hoặc thép đặc để tạo ra từ trường ổn định và mạnh mẽ Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây dẫn điện từ, và các cuộn dây này thường được mắc nối tiếp để đảm bảo hiệu quả dẫn điện và tạo từ trường đều.
Cực từ chính trong động cơ điện bao gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ ngoài lõi sắt, tạo ra từ trường mạnh mẽ Lõi sắt cực từ được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện hoặc thép cacbon dày 0,5 đến 1mm, ép chặt để tối ưu hóa từ tính Dây quấn kích từ bằng dây đồng bọc cách điện, được quấn thành các cuộn dây kỹ lưỡng, tẩm sơn cách điện trước khi lắp đặt trên các cực từ, và các cuộn dây này được nối tiếp nhau để đảm bảo dòng điện đều đặn và ổn định trong hệ thống.
Cực từ phụ nằm trên các cực từ chính và thường được chế tạo từ lõi thép khối chắc chắn Trên thân của cực từ phụ còn có dây quấn giống như dây quấn của cực từ chính nhằm tăng hiệu quả từ Cực từ phụ được cố định vào vỏ máy bằng các bulông chắc chắn, đảm bảo độ bền và hoạt động ổn định của thiết bị.
Gông từ là bộ phận dùng để làm mạch nối các cực từ và tạo thành vỏ máy cho động cơ điện Trong các động cơ điện nhỏ và vừa, gông từ thường được làm bằng thép dày uốn và hàn lại, giúp đảm bảo độ bền và dễ dàng gia công Đối với các máy điện lớn hơn, thường sử dụng thép đúc để chế tạo gông từ nhằm tăng cường khả năng chịu lực Trong một số trường hợp, động cơ điện nhỏ còn dùng gang làm vỏ máy, phù hợp với yêu cầu về chi phí và khả năng chịu lực.
Nắp máy đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ thiết bị khỏi những vật ngoài rơi gây hư hỏng dây quấn và đảm bảo an toàn cho người sử dụng khỏi nguy cơ điện giật Đặc biệt, trong các máy điện nhỏ và vừa, nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi, giúp duy trì sự ổn định và hoạt động hiệu quả của thiết bị Thường thì, nắp máy được chế tạo bằng gang để đảm bảo độ bền và mức độ bảo vệ cao.
Cơ cấu chổi than đóng vai trò quan trọng trong việc truyền dòng điện từ phần quay ra ngoài Nó gồm chổi than được đặt trong hộp chổi, với lò xo giữ chặt chổi lên cổ góp để đảm bảo tiếp xúc tốt Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện để tránh rò rỉ điện Giá chổi than có thể quay để điều chỉnh vị trí chổi phù hợp, sau đó cố định bằng vít để đảm bảo sự hoạt động chính xác của hệ thống.
- Phần quay hay rôto: Bao gồm những bộ phận chính sau
Phần sinh ra sức điện động của máy điện gồm có mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kỹ thuật) xếp chồng lên nhau, giúp tăng khả năng dẫn từ và giảm tổn thất do dòng xoáy Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng, đảm bảo dòng điện chạy qua làm sinh ra sức điện động, góp phần vận hành hiệu quả của máy điện.
Tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng
Cấu trúc hệ điều khiển:
Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển
- Ta có hàm truyền mạch dạng dòng:
Coi 2 τ c 2 s 2 ≈ 0 => Mạch vòng điều khiển tốc độ
Hình 3.4: Cấu trúc mạch vòng điều khiển biến tốc độ
- Hàm truyền đạt của đối tượng vòng hở
- Đối tượng vòng hở của mạch vòng tốc độ: ( Với τ ω =2 τ c +T ω )
- Bộ điều khiển tốc độ:
- Hàm truyền vòng kín khâu tốc độ:
Tổng hợp mạch vòng dòng điện theo tiêu chuẩn tối ưu module
Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện
=> Bộ điều khiển dòng điện:
3.4 Mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink
Chọn hằng số thời gian điện Te = L/R ≈ 5 ms
Bộ điều khiển dòng điện: τ c =T s + T C =0 ,0 0025 + 0 , 00 01=0 , 0 0035( s)
Bộ điều khiển tốc độ: τ c = T s + T C = 0 ,0 0025 + 0 , 00 01 = 0 , 0 0035 ( s ) τ ω =2 τ c +T ω =2.0 , 0 0035+0 , 01=0 , 0 107( s)
Tốc độ đặt: 1400 vòng/phút
Mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink
[1] Vũ Hữu Thích, Nguyễn Đăng Khang, Nguyễn Đăng Toàn Truyền động điện, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2015
[2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền Truyền động điện, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2005
[3] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh Điện tử công suất, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2002
[4] Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ, Nguyễn Văn Sáu Máy điện 2, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 1998
[5] Phạm Quốc Hải Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2009.
