thiết kế mạch công suất cho hệ thống điều khiển tiristor - động cơ một chiều

Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
MỞ ĐẦU
Điều khiển là một lĩnh vực quan trọng trong đời sống xã hội. Bất kì ở vị
trí nào, bất cứ làm một công việc gì mỗi chúng ta đều tiếp cận với điều khiển.
Nó là khâu quan trọng quyết định sự thành bại trong mọi hoạt động của chúng ta.
Ngày nay, mặc dù dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi nhưng
động cơ điện một chiều v
ẫn tồn tại. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều
được sử dụng ở những nơi yêu cầu mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ
bằng phẳng và phạm vi rộng. Vì động cơ điện một chiều có đặc tính làm việc rất
tốt trên các mặt điều chỉnh tốc độ (phạm vi điều chỉ
nh rộng, thậm chí từ tốc độ
bằng 0). Nhưng độ tin cậy khi sử dụng động cơ một chiều lại thấp hơn so với
động cơ không đồng bộ do có hệ thống tiếp xúc chổi than.
Hệ thống điều khiển chỉnh lưu - động cơ một chiều cũng là một ứng dụng
của kỹ thuật điều khiển. Chỉ
nh lưu có điều khiển dùng Tiristo để điều chỉnh điện
áp phần ứng động cơ. Chỉnh lưu cũng có thể dùng làm nguồn điện chỉnh điện áp
kích từ cho động cơ. Hệ thống này thường được dùng cho các động cơ điện
được cấp điện từ lưới xoay chiều. Nhóm chúng em gồm 4 người được giao đồ
án thiết kế hệ
thống điều khiển động cơ điện 1 chiều. Đồ án gồm 3 phần.
Phần I: Tổng quan chung về động cơ điện một chiều,và hệ truyền động
tirstor
Phần II: Tính chọn thiết bị mạch lực mạch điều khiển
Phần III: Tổng hợp mạch vòng dòng điện.
Nội dung đồ án chắc chắn còn rất nhiều vấ
n đề cần bổ xung hoàn thiện.
Em rất mong đươc sự đóng góp ý kiến cuả các thầy cô trong bộ môn để đồ án
của em được hoàn chỉnh. Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Văn Diễn cùng

toàn thể các thầy cô trong bộ môn đã tận tinh hướng dẫn để em hoàn thành đồ
án này em xin chân thành cảm ơn!

Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
Sinhviên: Lưu Văn Thắng

Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
PHẦN I.
TỔNG QUAN CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG TIRISTOR
I. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1. Cấu tạo động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều chia thành 2 phần chính:
Phần tĩnh ( Stato)

Gồm các bộ phận chính sau:
Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường, gồm lõi sắt cực từ và dây quấn
kích từ.
+ Lõi sắt cực từ làm bằng thép kĩ thuật điện dày ( 0,5 –1) mm ép lại và tán
chặt.
+ Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện.
Trong các máy công suất nhỏ, cực từ chính là một nam châm vĩnh
cửu.
Trong các máy công suất trung bình và lớn, cực từ chính là nam châm
đ
iện.
- Cực từ phụ: đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện điều kiện làm
việc của máy điện và đổi chiều

+ Lõi thép cực từ phụ có thể là một khối hoặc có thể được ghép bởi các lá
thép tùy theo chế độ làm việc.
Xung quanh cực từ phụ được đặt dây quấn cực từ phụ, dây quấn cực từ
phụ được n
ối với dây quấn phần ứng.
Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy.
Phần quay ( rôto)

Bao gồm các bộ phận chính sau:
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
- Lõi thép phần ứng: dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kĩ thuật
điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao
do dòng điện xoáy gây lên.
Trong máy điện nhỏ, lõi thép phần ứng được ép trực tiếp vào trục.
Trong máy điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto.
Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức đi
ện động và có dòng điện chạy
qua.
Dây quấn phần ứng thường làm bằng đồng có bọc cách điện.
Trong máy điện công suất nhỏ, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện tròn.
Trong máy điện công suất vừa và lớn, dây quấn phần ứng dùng dây tiết diện
hình chữ nhật.
Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều.
Cơ cấu chổi than: dùng
để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài.
2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng
có dòng điện I
ư

. Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực
F
đt
tác dụng làm cho rôto quay.
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau,
do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm
bảo động cơ có chiều quay không đổi.
Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện động
E
ư
Ở động cơ điện một chiều sức điện động E
ư
ngược chiều với dòng điện I
ư

nên sức điện đông E
ư
còn được gọi là sức phản diện
Phương trình điện áp là:

3. Phân loại động cơ điện một chiều
Cũng như máy phát, động cơ điện được phân loại theo cách kích thích từ
thành các động cơ điện sau:
−−−
.
IREU
+
=
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH

Động cơ điện kích từ độc lập
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ được cấp điện từ
một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho mạch phần ứng.
Động cơ kích từ nối tiếp

Động cơ kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần
ứng.
Động cơ kích từ hỗn hợp

Động cơ kích từ hỗn hợp gồm 2 dây quấn kích từ: dây quấn kích từ song
song và dây quấn kích từ nối tiếp trong đó dây quấn kích từ song song là chủ
yếu.
II. KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
1. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Tùy theo cách kích thích từ, động cơ điện một chiều có những tính năng
khác nhau biểu diễn bằng các đường đặc tính làm việc, đặc tính cơ khác nhau.
Trong các đặc tính đó, quan trọng nhất là đặc tính cơ. Đặc tính cơ dùng để xác
định điểm làm việc xác lập hoặc là khảo sát điểm làm việc ổn định trong hệ
thống truyền động điện.
Đặc tính cơ của động c
ơ điện là mặt phẳng tọa độ giữa ω với
momen ω = f(M).
Trong đồ án thiết kế này ta chỉ quan tâm tới loại động cơ một chiều kích
từ độc lập
Phương trình đặc tính cơ

Khi động cơ làm việc, rôto mang cuộn ứng quay
trong từ trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng lại
xuất hiện một sức phản điện động có chiều ngược với
điện áp đặt vào phần ứng động cơ.

Phương trình điện áp ở mạch phần ứng động cơ:
I
ư


R
f


KT

R
KT
I
KT
-
+
+-
U
ư

U
KT

Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
U = E + I
ư
( R
ư

+ R
f
)
Trong đó: + U
ư
: điện áp phần ứng ( V ) H1. Sơ đồ nối dây của
động
cơ
+ E: sức điện động phần ứng ( V )
+ R
ư
: điện trở của mạch phần ứng (Ω)
+ R
f
: điện trở phụ của mạch phần ứng
+ I
ư
: dòng điện mạch phần ứng.
Sức điện động E
ư
của phần ứng động cơ là tỷ lệ với tốc độ quay của rôto :
E = k.Φ.ω
Trong đó: + k =
a
pN
π
2
hệ số cấu tạo của động cơ
+ Φ: từ thông qua một cực từ (Wb)
+ ω: tốc độ góc của rôto,

55,9
n
=ω ( rad/s
+ p: số đôi cực từ chính
+ N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
+ a: số đôi mạch nhánh song song
+ n: tốc độ quay (vòng/phút)
Mặt khác, mômen điện từ của động cơ:
M
đt
= k.Φ.I
ư

Φ
=→
k
M
I
dt
−

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì M
cơ
= M
đt
= M
Từ các phương trình trên ta có: đặc tính cơ của động cơ điện một chiều


Khi toàn bộ các thông số điện của động cơ là định mức và không mắc

thêm điện trở phụ vào mạch điện trở thì phương trình đặc tính cơ là:


()
M
k
RR
k
U
f
2
−
−
.
.
Φ
+
−
Φ
=
ω
()
M
k
R
k
U
2
−−
.

.
Φ
−
Φ
=
ω
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
M
M
đm
ω
ω
đm
ω
o

Δω
ĐTTN
0

Đặc tính cơ của phương trình này gọi là đặc tính cơ tự nhiên.
Tốc độ ω
o
= U
ư
/k.Φ là tốc độ không tải lý tưởng.
Khi phụ tải tăng dần từ M
c
= 0 đến M

c
= M
đm
thì tốc độ động cơ giảm dần
từ ω
o
xuốngω
đm
nên phương trình đặc tính cơ có dạng:

Với: Δω =
()
2
−
Φ
k
R
_độ sụt tốc trên đặc tính cơ.

Đặc tính cơ


Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông
Φ = const thì phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc
lập tuyến tính có dạng hàm bậc nhất y = ax + b nên đường biểu diễn trên hệ tọa
độ M0ω là một đường thẳng cắt trục 0ω tại ω
o
với độ dốc âm.

H2. ĐỒ THỊ ĐẶC TÍNH CƠ TỰ NHIÊN
2. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
a. Chỉ tiêu điều chỉnh tốc độ
Điều chỉnh tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động
điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản xuất. Để đánh
giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ
tiêu sau:
Sai số tốc độ
ω
ω
ω
Δ−=
o
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
Sai số tĩnh tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ
đặt và được đánh giá thông qua:


Mong muốn: sai số ω
đ
= ω
s% càng nhỏ càng tốt.
Tính liên tục ( độ trơn của dải điều chỉnh)


ω
i + 1

≈ ω
i
: hệ thống điều khiển liên tục
ω
i + 1
≠ ω
i
: hệ thống điều khiển nhảy cấp
Mong muốn γ → 1: hệ truyền động có thể làm việc ổn định ở mọi giá
trong suốt dải điều chỉnh.
Dải điều khiển tốc độ
Dải điều khiển tốc độ ( D) là tỉ số giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất
của tốc độ
làm việc ứng với mômen tải đã cho:


Mong muốn D càng lớn càng tốt
Ngoài ra còn các chỉ tiêu khác như: chỉ tiêu kinh tế, kích thước…
b. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ một chiều

Về việc điều chỉnh tốc độ, động cơ một chiều có nhiều ưu điểm so với các
loại động cơ khác: điều chỉnh dễ dàng, chất lượng điều chỉnh cao trong một dải
rộng….
Xét phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều:



100
ω
ωω

×
−
=
d
d
s%
i
i
ω
ω
γ
1+
=
min
max
ω
ω
=D
()
M
k
R
k
U
2
−−
.
.
Φ
−

Φ
=
ω
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
R
f
= 0
R
f1
R
f2
ω
0

ω
M
0
M
2
M
1
M
c

Ta thấy rằng việc điều chỉnh động cơ điện một chiều có thể thực hiện
được bằng cách thay đổi các đại lượng: R
ư
, Φ, U
ư

Thực tế có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều:
Phương pháp 1: Thay đổi điện trở phần ứng
Đây là phương pháp kinh điển dùng để điều khiển tốc độ động cơ trong
nhiều năm.
Nguyên lý điều khiển
Trong phương pháp này người ta giữ U = U
đm
; Φ = Φ
đm
và nối thêm điện
trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng.
Độ cứng của đường đặc tính cơ:


Ta thấy khi điện trở càng lớn thì β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc
và do đó càng mềm hơn.







H3. đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở
phụ
Ứng với R
f
= 0 ta có độ cứng tự nhiên β
TN

có giá trị lớn nhất nên đặc tính
cơ tự nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ.
Như vậy, khi ta thay đổi R
f
ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính
cơ tự nhiên.
Đặc điểm của phương pháp
(
)
f
dm
RR
k
M
+
Φ
−=
Δ
Δ
=
−
2
.
ω
β
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính
cơ càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.
Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ

định mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm).
Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì t
ổn hao năng lượng
trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở
động cơ điện trong cần trục.
Đánh giá các chỉ tiêu
Tính liên tục: phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà
phải điều khiển nhảy cấp.
Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải. Tả
i càng nhỏ thì dải điều
chỉnh D = ω
max
/ ω
min
càng nhỏ. Phương pháp này có thể điều chỉnh trong dải D
= 3 : 1
Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở
phụ lớn.
Chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản.
Phương pháp 2: Thay đổi từ thông Φ
Nguyên lý điều khiển
Giả thiết U= U
đm
; R
ư
= const . Muốn thay đổi từ thông động cơ ta thay đổi
dòng điện kích từ.
Thay đổi dòng điện trong mạch kích từ bằng cách nối nối tiếp biến trở
vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cấp cho mạch kích từ.
Bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa (Φ

= Φ
max
) mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên
chỉ có thể điều chỉnh theo hướng giảm từ thông Φ tức là điều chỉnh tốc độ trong
vùng trên tốc độ định mức.
→ Khi giảm Φ thì tốc độ không tải lý tưởng
Φ
=
k
U
dm
o
ω
tăng, còn độ
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
cứng đặc tính cơ
(
)
u
R
k
2
Φ
−=
β
giảm, ta
thu được họ đặc tính cơ nằm trên đặc tính cơ tự nhiên.

H4. đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông
M
Φ
đm
Φ
2
Φ
1
ω
o
ω
o1

ω
o2

ω
0 M
c1
M
c2
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp

SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
Khi tăng tốc độ động cơ bằng cách giảm từ thông thì dòng điện tăng và
tăng vượt quá mức giá trị cho phép nếu mômen không đổi. Vì vậy muốn giữ cho
dòng điện không vượt quá giá trị cho phép đồng thời với việc giảm từ thông thì
ta phải giảm M
t
theo cùng tỉ lệ.
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 su
ất không đổi.
Đánh giá các chỉ tiêu điều khiển
Sai số tốc độ lớn: đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự
nhiên.
Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy. Có thể điều khiển trơn
trong dải điều chỉnh D = 3 :1
Tính liên tục: vì công suất của cuộn dây kích từ bé, dòng điện kích từ nhỏ
nên ta có thể
điều khiển liên tục với Φ ≈ 1
Phương pháp này được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi liên
tục và kinh tế ( vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích từ với dòng kích
từ = (1 – 10)%I
đm
của phần ứng nên tổn hao điều chỉnh thấp).
→ Đây là phương pháp gần như là duy nhất đối với động cơ điện một
chiều khi cần điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ điều khiển.

Phương pháp 3: Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.
Nguyên lý làm việc
Để đi
ều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn
(máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển…)
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH

ĐTTN
ω
0
ω
02
ω
01
ω
M
U
1
U
2
0
M
c
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH

H5. đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp
Ở phương pháp này: U = var;
Φ
đm
= const; R
f
= 0
Khi thay đổi phần ứng ( thay đổi theo chiều giảm điện áp), vì từ thông của
động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ
không tải lí tưởng ω
o
= U /k.Φ thay đổi tùy thuộc vào giá trị điện áp phần ứng.
Do đó ta thu được họ đặc tính mới song song và thấp hơn đặc tính cơ tự
nhiên tức là vùng điều khiển tốc độ nằm dưới tốc độ định mức.
Đặc điểm của phương pháp
Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng thấp.
Điều chỉnh trơn trong toàn b
ộ dải điều chỉnh.
Độ cứng đặc tính cơ cao và được giữ không đổi trong toàn dải điều chỉnh.
Chỉ thay đổi tốc độ về phía giảm
Rất dễ tự động hóa khi dùng chỉnh lưu có điều khiển.
Phương pháp này điều khiển với mômen không đổi vì Φ và I
ư
đều không
đổi.

Đánh giá chi tiêu điều khiển
Sai số tốc độ lớn ( sai số tốc độ bằng sai số tốc độ của đặc tính cơ tự
nhiên)
Tính liên tục: điện áp của động cơ được điều khiển bằng bộ biến đổi. Các
bộ biến đổi hiện nay đều có công suất bé nên có thể điều chỉnh liên tục.
Dải đ
iều chỉnh có thể đạt được D = 10:1
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
→ Đây là phương pháp duy nhất có thể điều chỉnh liên tục tốc độ động cơ
trong vùng tốc độ thấp hơn tốc độ định mức đối với động cơ một chiều.
⇒ Qua việc xét ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ta thấy
phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là triệt để và có nhiều ư
u điểm hơn cả
nên ta chọn phương pháp này để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐỂ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP PHẦN ỨNG CỦA ĐỘNG CƠ
Hệ thống F- Đ :Hệ thống F - Đ là một trong các phương án điều chỉnh tốc độ
động cơ một chiều bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng.
Nguyên lý điều khiển





Theo sơ đồ thì động cơ Đ
1
biến đổi điện năng xoay chiều của lưới thành
cơ năng trên trục của nó rồi truyền sang trục của máy phát F, máy phát F biến
đổi cơ năng đó thành điện năng một chiều để cung cấp cho động cơ Đ, động cơ
một chiều chuyển thành cơ năng trên trục làm quay máy sản xuất.

Để điều khiển tốc độ động cơ c
ần điều khiển điện áp đặt trên hai đầu động
cơ, thông qua sức điện động của máy phát: E = k
MF
.Φ.ω
MF
.
Khi máy phát F được quay với tốc độ ω
MF
cố định, sức điện động của máy
phát E
MF
phụ thuộc vào dòng kích từ I
kMF
theo luật đường cong từ hóa: E
MF
=
k
MF
.ω
MF
.

α.I
kMF

Xét phương trình đặc tính cơ:

()
M

k
RR
I
k
k
DD
DMF
kMF
DD
MFMF
.
2
−−
Φ
+
−
Φ
=
αω
ω


F
Đ
MF
ĐC
MSX
Đ
∼
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp

SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH

ω
I
kMFđ
m
I
kMF 2
I
kMF 1
I
kMF
= 0
Đ
C
TS
Đ
N
Đ
C
TS
I
0
ω
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH

H6. đặc tính cơ của hệ (F – Đ)
Ta thấy khi điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát ta điều chỉnh được
tốc độ không tải của hệ thống:
kMF
DD
MFMF
o
I
k
k
.
Φ
=
αω
ω
còn độ cứng
đặc tính cơ:
(
)
FD
DD
DF
RR
k
−−
2

+
Φ
=
−
β
thì giữ nguyên.
Do đó các đường đặc tính cơ là một họ đường thẳng song song.
Trong mạch lực của hệ F - Đ không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có
những đặc tính động rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc. Hệ
F - Đ có các đặc tính cơ điền đầy cả 4 góc phần tư của mặt phẳng tọa độ.
+ Đặc điểm của hệ
F - Đ
*Ưu điểm
Sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn.
Phạm vi điều chỉnh tăng (cỡ 30:1; chỉ khi dùng trong mạch kín).
Điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong phạm vi điều chỉnh.
Việc điều chỉnh tiến hành trên các mạch kích từ nên tổn hao nhỏ.
Hệ điều chỉnh đơ
n giản.
*Nhược điểm
Dùng nhiều máy điện quay trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều,
gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít nhất gấp 3 lần công suất tải yêu cầu.
Vốn đầu tư cao, cồng kềnh tốn diện tích
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
Hiệu suất của hệ thấp ( không quá 75%)
Điều chỉnh sâu bị hạn chế
Hiện nay người ta có khuynh hướng thay thế hệ F - Đ bằng hệ thống CL - Đ
Hệ thống CL - Đ một chiều

Hệ thống CL - Đ một chiều dùng bộ biến đổi là một loại nguồn điều áp
một chiều. Khi nối nó vào mạch phần ứng với động cơ
điện một chiều kích từ độc lập ta sẽ được hệ thống CL - Đ.
Khác với máy phát điện một chiều, bộ biến đổi trực
tiếp biến dòng xoay chiều thành dòng một chiều không
qua một khâu trung gian cơ học nào.
Hiện nay các Tiristo được dùng phổ biến để tạo ra
các bộ chỉnh lưu có điều khiển bởi các tính chất ưu việt của chúng: gọn nhẹ, tổn
hao ít, tác động nhanh…
- Nguyên lý điều khiển
Động cơ điện một chiều nhận năng lượng từ lưới xoay chiều thông qua bộ
chỉnh lưu. Bộ chỉnh lưu biến đổi đ
iện lưới xoay chiều thành điện một chiều cấp
điện cho phần ứng của động cơ điện một chiều.
Khi điều khiển góc mở của các Tiristo ( tức là Tirito chỉ được mở khi điện
áp anod dương hơn catod) ta điều khiển được điện áp phần ứng tức là điều
khiển tốc độ động cơ đ
iện một chiều.
- Các chế độ làm việc
Chế độ dòng điện liên tục

Khi mômen tải tăng M
t
↑ thì dòng điện I
đc
↑ dẫn đến năng lượng điện từ
tăng. Khi điện áp nguồn nhỏ hơn sức điện động thì năng lượng của cuộn dây lớn
làm cho năng lượng xả ra đủ sức để duy trì dòng điện đến thời điểm mở van kế
tiếp.
Khi ở chế độ dòng điện liên tục, điện áp chỉnh lưu

U
CL
= U
do
.cosα .
T




∼
Ư

Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
Chế độ dòng điện gián đoạn
Do mạch của động cơ có điện cảm và điện cảm ấy có tích lũy và xả năng
lượng. Nếu dòng điện nhỏ, lượng tích lũy năng lượng của cuộn dây nhỏ nên xả
năng lượng nhỏ. Vì vậy khi điện áp của lưới nhỏ hơn sức điện động của động
cơ, năng lượng của cuộn dây x
ả ra để đảm bảo anod dương hơn catod không đủ
duy trì tính chất liên tục của dòng điện. Lúc này, dòng điện qua van trở về 0
trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn.
Chế độ biên liên tục

Khi chuyển từ trạng thái dòng liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn, hệ
sẽ phải qua một trạng thái giới hạn, đó là trạng thái biên liên tục.
- Đặc tính cơ của hệ thống
Chế độ dòng điện liên tục

Phương trình đặc tính cơ:



Thay đổi góc điều khiển α = ( 0 - π),điện áp của chỉnh lưu biến thiên từ
U
do
– ( - U
do
) và ta được họ đặc tính song song nằm ở nửa bên phải của hệ trục
tọa độ {M, ω}. Những đặc tính đó không tồn tại ở nửa mặt bên trái là do các van
không cho dòng điện phần ứng đổi chiều.
Khi đó tốc độ không tải lí tưởng tùy thuộc vào góc điều khiển α


Và độ cứng đặc tính cơ:
(
)
CL
dm
RR
k
+
Φ
=
¦
2
β
là không đổi.
→ Các đường đặc tính của hệ CL - Đ mềm hơn các đặc tính cơ của hệ F - Đ

Chế độ dòng điện gián đoạn

Phương trình đặc tính cơ:
M
kk
RR
k
U
M
kk
RR
k
U
e
CL
e
do
e
CL
e
CL
.

.
cos.
.

2
−
2

−
Φ
+
−
Φ
=
Φ
+
−
Φ
=
μμ
α
ω
dme
do
o
k
U
Φ
=
.
cos.
α
ω
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH

(
)

(
)
(
)
()
γλ
γλλγαγαγ
ω
g
gU
k
oom
dm
cotexp1
cotexpsinsin.cos
1
2
−
+−−
Φ
=

Khi làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn, đường đặc tính cơ không là
đường thẳng, là đường cong có độ cứng thấp hơn.
Biên giới vùng dòng điện gián đoạn là đường phân cách giữa vùng dòng
điện liên tục và vùng dòng điện gián đoạn chính là tập hợp các đường trạng thái
biên {M
blt
; ω
blt

} khi thay đổi góc α = ( 0 - π ) gần đúng là đường elip có các trục
chính là các trục tọa độ - đường cong nét đứt trên hình vẽ.









H7. đặc tính cơ của hệ (CL - Đ)
+ Đặc điểm của hệ CL - Đ
* Ưu điểm:
Độ tác động nhanh cao, tổn thất ít, giảm tiếng ồn, hiệu suất lớn.
Có khả năng điều chỉnh trơn (γ
∼ 1) với phạm vi điều chỉnh rộng
( D ∼ 10
2
– 10
3
)
Có thể thiết lập hệ tự động vòng kín để mở rộng dải điều chỉnh và cải
thiện điều kiện làm việc của hệ.
*Nhược điểm:
Khả năng linh hoạt khi chuyển đổi trạng thái làm việc không cao, khả
năng quá tải về dòng và áp của các van kém.
0
Biên liên tục
ω

ω
o1
ω
o2
I
blt

ω
blt

I
α
= 0

α
=
π
/2

Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
Sức điện động của bộ biến đổi có biên độ đập mạch lớn gây tổn hao phụ
trong động cơ và làm xấu điều kiện chuyển mạch trên cổ góp của động cơ làm
xấu điện áp nguồn.
Khi điều chỉnh sâu hệ số công suất cosγ thấp nhất.
HỆ THỐNG BĂM ÁP ĐỘNG CƠ
Bộ băm áp một chiều dùng để biến đổi trị số điện áp,
dòng điện một chiều dựa trên nguyên lý đóng ngắt có chu kì
nguồn điện một chiều.
- Nguyên lý điều khiển

Khi khóa K đóng dòng điện tăng làm tăng tốc độ động
cơ và tích lũy năng lượng điện từ cho điện cảm trong mạch. Trong thời gian
khóa cắt, n
ăng lượng điện từ đã tích lũy sẽ phóng qua V
o
để duy trì dòng điện
phần ứng.
- Các chế độ làm việc
Chế độ dòng điện liên tục

Khi dòng và điện cảm trong mạch đủ lớn thì nănsg lượng điện từ đủ duy
trì dòng điện cho đến khi bắt đầu chu kì mới. Khi đó dòng phần ứng có dạng liên
tục.
Điện áp một chiều được điều chỉnh bằng bộ băm áp cung cấp cho phần
ứng của động cơ.
Điện áp môt chiều được băm với điện áp trung bình:


Ta điều chỉnh thông qua chu kì T. Chu kì càng nhỏ ( tần số càng lớn
f = 1 /T) thì vùng gián đoạn càng nhỏ, chất lượng điều khiển càng cao.
→ Điều khiển băm áp có chất lượng tốt hơn điều khiển chỉnh lưu khi tần
số f cao.
Chế độ dòng điện gián đoạn

11
.UU
T
U
TB
γ

θ
==
V
o

Ư
K
+
-
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
Nếu dòng điện và điện cảm có giá trị nhỏ thì đường cong có dạng gián
đoạn.
Nếu dòng điện và điện cảm có giá trị giới hạn nào đó thì dòng điện có thể
giảm đến 0 đúng vào thời điểm đầu của chu kì tiếp theo. Khi đó ta có dòng biên
liên tục.
Đặc tính cơ của hệ thống
Với dòng điện liên tục:

Phương trình đặc tính cơ

H8. đặc tính cơ của hệ thống với dòng liên tục
Để điều khiển tốc độ ta điều khiển hệ số γ tức là điều khiển độ rộng xung
điện áp θ trong chu kì điện áp.
Trong vùng liên tục, đặc tính cơ là tập hợp các đường thẳng song song với
tốc độ
không tải lý tưởng
dm
o
k
U
Φ
=
γ
ω
và độ cứng đặc tính cơ:
(
)
ba
RR
k
+
Φ
=
¦
2
β

Với dòng điện gián đoạn

M
kk
RR
k
U
M
kk
RR
k
U
e
ba
e
e
ba
e
ba
.

.
.
.
.
2
¦
1
2
¦
Φ

+
−
Φ
=
Φ
+
−
Φ
=
μμ
γ
ω
ω
γ
= 0
γ
= 1
I, M
ω
o

I
blt
ω
blt
0
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
Đặc tính cơ là các đường cong. Cũng như trong hệ CL - Đ, ở chế độ này
do mômen điện từ gián đoạn mà đặc tính cơ trở nên rất mềm.

Biên giới liên tục là đường có dạng nửa hình elip nằm ở góc phần tư thứ
nhất và có dạng nét đứt trên hình vẽ.
+ Đặc điểm:
* Ưu điểm
Vốn đầu tư nhỏ, hệ đơn giản, chắ
c chắn.
Độ cứng đặc tính cơ cao, xấp xỉ đặc tính cơ tự nhiên.
*Nhược điểm
Điện áp dạng xung gây ra tổn thất phụ lớn trong động cơ
Hệ thống có thể làm việc ở trạng thái dòng gián đoạn với những đặc tính
kém ổn định và tổn thất năng lượng nhiều.
III: HỆ TRUYỀN ĐỘNG (T-Đ)
-Hệ TĐ một chiề
u dùng bộ biến đổi là một loại nguồn điện một chiều khi
nối nó vào mạch phaanf ứng với động cơ điện một chiều kích từ độc lập ta sẽ
được hệ TĐ .
-Khác với máy phát điện một chiều bộ biến đổi trực tiếp nối biến dòng
xoay chiều thành dòng một chiều không qua một khâu trung gian cơ học nào .
-Hiện nay Tirstor được dùng phổ bi
ến để tạo ra các bộ chỉnh lưu có diều
khiển bởi các tính chất ưu việt của chúng : Gọn nhẹ , tổn hao ít tác động nhanh .
1. Nguyên lý điều khiển động cơ điện một chiều: nhận năng lượng từ lưới
xoay chiều thông qua bộ chỉnh lưu biến dòng xoay chiều thành dòng một chiều
.Cấp cho phần ứng động cơ điện một chiều.
2. Các chế độ làm việc .
a,Chế độ dòng liên tục .

-Khi mô men tải Mt tăng thì dòng điện động cơ tăng dẫn đến năng lượng
điện từ tăng .Khi điện áp nguồn nhỏ hơn sức điện động thì năng lượng của cuộn
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp

SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
dây lớn làm cho năng lượng xẳ ra đủ sức để duy trì dòng điện đến thừi điểm mở
van kế tiếp .
-Khi ở chế độ dòng liên tục
U
cl
=U
do
.cosα
b, Chế độ dòng gián đoạn .

-Do mạch của động cơ có điện cảm và điện cảm ấy có tích lũy năng lượng
.Nếu dòng điện nhỏ , lượng tích lũy năng lượng của cuộn dây nhỏ nên xả năng
lượng nhỏ , vì vậy điện áp của lưới nhỏ hơn sức điện động cảu động cơ năng
lượng của cuộn dây xả ra
để đảm bảo anod dương hơn catod không đủ duy trì
tính chất liên tục của dòng điện .Lúc này dòng điện qua van trở về 0 trước khi
van kế tiếp bắt đầu dẫn .
c,Chế độ biên liên tục .

-Khi chuyển từ trạng thái kliên tục sang trạng thái gián đoạn hệ sẽ phải
trải qua một trạng thái giới hạn , đó là trạng thái biên liên tục .
3. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA HỆ THỐNG .
a, Chế độ dòng liên tục .
+Phương trình đặc tính cơ
M
μ
KK
RR
K

CosU
M
μ
KK
RR
K
U
ω
e
cl
e
do
e
cl
e
cl
.
Φ.
+.
=.
Φ.
+
.
=
−
2
−
Φ
α
Φ

Thay đổi góc điều khiển α=(0÷Π) điện áp cảu chỉnh lưu điều khiển từ
Udo-(-Udo) và ta được đặc tính họ song song nằm 1/2 bên phải hệ tọa độ
(Moω) những đặc tính đó không thuộc nửa bên trái là do các van không cho
dòng điện phản ứng đổi chiều .
-Khi đó tốc độ không tải lý tưởng tùy thuộc vào góc điều khiển α .
me
do
K
U
o
®
cos.
=
Φ
α
ω

-Và độ cứng đặc tính cơ
Trường ĐHBK Hà Nội  Đồ án tốt nghiệp
SV Lưu Văn Thắng - 23 - Lớp K9C- TĐH
cl
m
RR
K
β
+
)Φ(
=
−

2
®

b, Chế độ dòng gián đoạn

+Phương trình đặc tính cơ
)cotexp(1
)cotexp()+()sin(
.
Φ
1
=
2
®
γλ
g
γ
g
λλγα
Sin
γαγ
CosU
K
ω
oom
m

-Khi làm việc ở chế độ dòng gián đoạn đường đặc tính cơ không là đường
thẳng mà là đường cong có độ cứng thấp hơn .
-Biên giới vùng dòng điện gián đoạn là dòng phân cách giữa vùng dòng

điện liên tục và dòng gián đoạn chính là tập hợp đường trạng thái biên độ .KHi
thay đổi góc α=(0-Π) gần đúng là đường ê líp có các trục chính là trục tọa độ .
+Ưu điểm
-Độ tác động nhanh , cao t
ổn thất ít giảm tiếng ồn hiệu suất lớn có khả
năng điều chỉnh trơn (8-1)với phạm vi điều chỉnh rộng (D-10
2
-10
3
)
-Có thể thiết lập hệ tự động phòng kín để mở rộng dải điều chỉnh và cải
thiện điều kiện làm việc của hệ.
+Nhược điểm :\
-Khả năng linh hoạt khi đổi trạng thái làm việc không cao , khả năng quá
tải về dòng và áp của van kém sức điện động của bộ biến đổi có biên độ đập
mạch lớn gây t
ổn hao phụ trong động cơ và làm xấu điều kiện chuyển mạch trên
cổ góp của động cơ làm xấu điện áp nguồn .
- Khi điều chỉnh sâu hệ số công suất Cos γ thấp nhất.