THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG T Đ CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÓ SỬ DỤNG CHỈNH LƯU HÌNH CẦU BA PHA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH CNTT VÀ TT
KHOA CN TĐH

TÊN ĐỀ TÀI
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG T-Đ
CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CĨ SỬ
DỤNG CHỈNH LƯU HÌNH CẦU BA PHA VỚI
THÔNG SỐ CHO TRƯỚC

Thái Nguyên, tháng 4 năm 2022

1

1


LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các ngành công nghiệp cả về
chiều rộng lẫn chiều sâu, điện và các máy điện đóng một vai trị rất quan trọng, khơng thể
thiếu được trong phần lớn các ngành công nghiệp và đời sống sinh hoạt của con người.
Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: dễ sản xuất, dễ truyền tải..., cả
máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận
hành...Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như trong cơng
nghiệp giao thơng vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên
tục trong phạm vi rộng (Như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện...).
Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì
giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức
tạp hơn ...
Sau gần 4 năm học tập và nghiên cứu ở trường, em đã được làm quen với các
môn học thuộc ngành . Để áp dụng lý thuyết với thực tế trong học kỳ này chúng em

được giao đồ án môn học truyền động điện với yêu cầu “ Thiết kế hệ thống truyền
động điện cho động cơ điện một chiều không đảo chiều quay, sử dụng bộ biến đổi cầu
ba pha với thông số :
- Công suất định mức của động cơ: Pđm=22 (KW).
- Điện áp địmh mức mạch phần ứng: Uđm= 220 (V).
- Dòng điện định mức mạch phần ứng: Iđm=100 (A).
- Tốc độ định mức của động cơ: nđm=1500 (v/p).
- Điện trở cuộn dây phần ứng: Rư = 2.775 (Ω).
- Điện cảm cuộn dây phần ứng : Lư = 0.0961 (H).”
Bản đồ án của em gồm 4 phần chính :
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Chương 2: CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
ĐIỆN 1 CHIỀU
Chương 3: XÁC ĐỊNH VÀ CHỌN CÁC THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC
Chương 4: XÂY DỰNG VÀ TÍNH CHỌN THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN

2

2


Trong q trình làm đề tài tốt nghiệp, em ln nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo
tận tình và cung cấp những tài liệu cần thiết của cô giáo Vũ Thị Oanh .Em xin gửi tới
cô lời cảm ơn chân thành. Tuy nhiên, do thời gian và giới hạn của đồ án cùng với
phạm vi nghiên cứu tài liệu với kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế nên bản đồ án
này khơng tránh khỏi những thiếu sót rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cơ để bản
đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Sinh viên thực hiện

3

3


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều.
Trong thời đại ngày nay, hầu hết các dây chuyền sản xuất của cơng nghiệp đang
dần dần được tự động hố bằng cách áp dụng các khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế
giới. Tuy thế động cơ điện một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng trong
các nghành công nghiệp, giao thơng vận tải và nói chung ở những thiết bị cần điều
chỉnh tốc quay liên tục trong phạm vi rộng như cán thép, hầm mỏ …. Vì động cơ điện
một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt.
1.1.1 Cấu tạo.
Động cơ điện một chiều gồm có hai phần
1

2
3
4
5
6

8
9
10

7

Hình 1.1 Mặt cắt dọc động cơ điện.
Cấu tạo:

1- Vỏ máy (Gông từ)

7- lõi sắt phần ứng

2- Cực từ chính

8- rãnh phần ứng

3- Dây quấn cực từ chính

9- răng phần ứng

4- Cực từ phụ

10- má cực từ

5- Dây quấn cực từ phụ
6- Dây quấn phần ứng
*Phần tĩnh (Stator): Đây là phần đứng yên của máy, nó bao gồm các bộ phận
chính sau:
- Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cự từ và dây quấn
kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện
hay thép cacbon dày 0.5mm đến 1mm ép lại và tán chặt.

4

4


- Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt giữa các tự từ chính và dùng để cải thiện đổi

chiều. Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có
đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính.
- Gơng từ: Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ
máy. Trong máy điện nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại. Trong máy
điện lớn thường dùng thép đúc.
- Các bộ phận khác:
+ Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây
quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện. Trong máy điện nhỏ và vừa, nắp
máy cịn có tác dụng làm giá đở ổ bi.
+ Cơ cấu chổi than: Để đưa dịng điện từ phần quay ra ngồi. Cơ cấu chổi than
gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lị xo tì chặt kên cổ góp. Hộp
chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể
quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chổ. Sau khi điều chỉnh xong thì
dùng vít cố định chặt lại.
*Phần quay (Roto): Đây là phần quay (Động) của động cơ gồm có các bộ phận sau.
- Lõi sắt phần ứng: Là lõi sắt dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ
thuật điện (Thép hợp kim silic) dày 0.5mm phủ cách điện mỏng ở hai lớp mặt rồi ép
chặt lại để giảm tổn hao do dịng điện xốy gây nên.
+ Trong những máy cỡ trung bình trở lên, người ta cịn dập những lỗ thơng gió
để khi ép lại thành lõi sắt có thẻ tạo được những lỗ thơng gió dọc trục.
+ Trong những máy hơi lớn thì lõi sắt thường được chia thành từng đoạn nhỏ.
Giũa các đoạn ấy có đẻ một khe hở gọi là khe thơng gió ngang trục
+ Trong máy điện nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.
- Dây quấn phần ứng: Là phần sinh ra suất điện động và có dịng điện chạy qua.
Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ
thường dùng dây có thiết diện trịn.
- Cổ góp: Cổ góp cịn gọi là vành góp hay vành đổi chiều, dùng để đổi chiều
dòng điện xoay chiều thành một chiều.

5

5


Kết cấu của cổ góp gồm nhiều phiến đồng có hình đi nhạn cách điện vói nhau
bằng lớp mica dầy 0.4 đến 1. 2mm và hợp thành hình trụ trịn. Hai đầu trụ trịn dùng
hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại. Giũa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica.
- Các bộ phận khác.
+ Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều thường chế
theo kiểu bảo vệ. Ở hai đầu nắp máy có lỗ thơng gió. Cánh quạt lắp trên trục máy, khi
máy quay cánh quạt hút gió từ ngồi vào máy.
+ Trục máy: Là phần trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi.
Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt.
1.1.2. Các thông số định mức.
Chế độ làm việc định mức của máy điện là chế độ làm việc trong những điều
kiện mà xưỡng chế tạo đã qui định. Chế độ đó được đặt trưng bằng những đại lượng
ghi trên nhãn máy và gọi là những đại lượng định mức. Trên nhãn máy thường ghi
những đại lượng sau:
+ Công suất định mức Pđm (KW hay W);
+ Điện áp dịnh mức Uđm (V);
+ Dòng điện định mức Iđm (A);
+ Tốc độ định mức nđm (vg/ph);
Ngoài ra cịn ghi kiểu máy, phương pháp kích từ, dịng điện kích từ và các số
liệu về dịng điện sử dụng …
Cần chú ý là công suất định mức của động cơ ở đây là công suất cơ đưa ra ở
đầu trục động cơ.
1.1.3. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều.
- Động cơ điện một chiều là một máy điện biến đổi năng lượng điện của dòng
một chiều thành cơ năng. Trong q trình biến đổi đó, một phần năng lượng của dòng
xoay chiều bị tiêu tán do các tổn thất trong mạch phần ứng và mạch kích từ, phần còn

lại năng lượng được biến thành cơ năng trên trục động cơ.
- Khi có dịng điện một chiều chạy vào dây quấn kích thích và dây quấn phần
ứng sẽ sinh ra từ trường ở phần tĩnh. Từ trường này có tác dụng tương hổ lên dịng
điện trên dây quấn phần ứng tạo ra mômen tác dụng lên roto làm cho roto quay. Nhờ
có vành đổi chiều nên dịng điện xoay chiều được chỉnh lưu thành dòng một chiều đưa
6

6


vào dây quấn phần ứng. Điều này làm cho lực từ tác dụng lên thanh dẫn dây quấn phần
ứng không bị đổi chiều và làm động cơ quay theo một hướng.
- Cơng suất ứng vói mơmen điện từ đưa ra đối với động cơ gọi là công suất điện
từ và bằng:
Pđt = M. ω = Eư. Iư
Trong đó:

(1-1)

M: là mơmen điện từ;
Iư: Dòng điện phần ứng;

Eư: Suất điện động phần ứng;
ω
: Tốc độ góc phần ứng;
ω=

2.π .n
60

1.2. Phương trình đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều.
- Khi nguồn điện một chiều có cơng suất vơ cùng lớn và điện áp khơng đổi thì
mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi
động cơ kích từ song song.
–

+
Uư
Ikt

Iư

Ckt
E

Rkt

Rf

←

Hình 1.2 Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song.
- Khi nguồn điện một có cơng suất khơng đủ lớn thì mạch phần ứng và kích từ
mắt vào hai nguồn một chiều độc lập nhau, lúc này động cơ được gọi là kích từ độc lập.

7

7

+

_

Uư
E

Iư

Ikt

Rf

←
Ckt

Rkt

Ukt

_

+

Hình 1.3 Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập.
Do trong thực tế đặc tính của động cơ điện kích thích độc lập và kích thích song
song hầu như là giống nhau, nên ta xét chung đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động
cơ điện kích từ độc lập.
- Theo sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập hình (1-2) ta
viết được phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng ở chế độ xác lập như sau:

Uư = E + (Rư + Rf). Iư;

(1-2)

Trong đó: Uư: Điện áp phần ứng (V);
E: Suất điện động phần ứng (V);
Rf: Điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω);
Rư: Điện trở ủa phần ứng (Ω);
Với Rư = rư + rcf + rcb + rtx ;
Trong đó: rư: Điện trở dây phần ứng (Ω);
rcf: Điện trở cực từ phụ (Ω) ;
rcb: Điện trở cuộn bù (Ω) ;
rtx: Điện trở tiếp xúc của chổi điện (Ω);
Sức điện động E của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức:

E=

P.N
.
2.π .a

Φ. ω = KΦ. ω

(1-3)

Trong đó: p: Số đơi cực từ chính ;
N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng;
8

8

a: Số mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng;
ω: Tốc độ góc (rad/s) ;
Φ: Từ thơng kích từ chính một cực từ (Wb);
K=

Đặt

P.N
2.π .a

: Hệ số kết cấu của động cơ.

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vịng/phút) thì:
ω=

E = K C .φ .n

và

2.π .n
n
=
60
9,55

;

Vì vậy: Trong đó: Kc: Hệ số sức điện động của động cơ.

Từ các phương trình trên ta có:
(1-4)
Đây là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều. kích từ độc lập.
Mặt khác ta có mơmen điện từ của động cơ ở chế độ xác lập được xác định theo
biểu thức:
Mdt = K. Φ. Iư ;

Suy ra Iư =

M dt
K .φ

(1-5)

, thay Iư vào (1-4) ta có
(1-6)

Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất ma sát trong ổ trục thì ta có thể coi mơmen cơ
trên trục động cơ bằng mômen điện từ và ký hiệu là M: Mdt = Mcơ = M ;
Suy ra:

(1-7)

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
- Có thể biểu diễn phương trình đặc cơ dưới dạng khác.
ω = ω0 - ∆ω ;

(1-8)

Trong đó: ω0 ; Gọi ω0 là tốc độ không tải lý tưởng.

∆ω =. M =. M; Gọi ∆ω là độ sụt tốc.
Giả thiết phần ứng được bù đủ từ thơng của động cơ Φ = const, thì các phương
trình đặc tính cơ điện (1-4) và phương trình đặc tính cơ (1-7) là tuyến tính. Đồ thị của
chúng được biểu diễn trên đồ thị là những đường thẳng.
Nếu xét đến tất cả các tổn thất thì: M cơ = Mdt ± ∆M;
9

9


Hình 1.4 Đặc tính cơ điện của động cơ một chiều kích từ độc lập.
Theo đồ thị trên khi Iư = 0 hoặc M = 0 thì ta có: ω = ω0 = , lúc này động cơ đạt tốc độ
khơng tải lý tưởng.
Cịn khi ω = 0 thì ta có:
Iư = = Inm ;
Và

(1-9)

M = K. Φ. Inm =Mnm;

(1-10)

Với Inm, Mnm: Gọi là dịng điện ngắn mạch và mơmen ngắn mạch.

Hình 1.2.4: Đặc tình cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

10

10

1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều kích từ độc lập.
Từ phương trình đặc tính cơ (1-7) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến phương
trình đặc tính cơ đó là từ thơng, điện áp phần ứng, điện trở phần ứng của động cơ. thay
đổi các tham số trên ta thay đổi được tốc độ và mômen động cơ theo ý muốn. Do
phương trình đặc tính cơ phụ thuộc vào ba tham số trên, tương ứng với đó ta sẽ có ba
phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ.
1.3.1. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ.
Giả thiết Uư = Udm = const và Φ = Φđm = const
Ta có phương trình đặc tính cơ tổng qt:
ω = hay ω = ω0 - ∆ω;
Tốc độ không tải lý tưởng: ω0 = = const;

Độ cứng đặc tính cơ:

β =

∆M
∆ω

= ;

(1-11)

(1-12)

Muốn thay đổi tốc độ động cơ thì ta thay điện trở phần ứng bằng cách mắt thêm
điện trở phụ vào mạch phần ứng của động cơ. Khi thay đổi điện trở phụ R f thì tốc độ
khơng tải lý tưởng ω0 = const, còn ∆ω sẽ thay đổi theo R f như vậy lúc này các đường

đặc tính cơ sẽ thay đổi nhưng vẫn đi qua điểm cố định là ω 0. Từ (1-12) ta thấy khi điện
trở phụ Rf = 0 thì β có giá trị lớn nhất ứng với đường đặc tính cơ tự nhiên, cịn khi R f
càng lớn thì β càng nhỏ và tốc độ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Như vậy
khi thay đổi điện trở phụ của động cơ ta sẽ được một họ đặc tính cơ có dạng như hình 1-6.

Độ cứng đặc tính cơ:

β =

∆M
∆ω

= ;

(1-13)

Muốn thay đổi tốc độ động cơ thì ta thay điện trở phần ứng bằng cách mắt thêm
điện trở phụ vào mạch phần ứng của động cơ. Khi thay đổi điện trở phụ R f thì tốc độ
khơng tải lý tưởng ω0 = cont, còn ∆ω sẽ thay đổi theo R f như vậy lúc này các đường
đặc tính cơ sẽ thay đổi nhưng vẫn đi qua điểm cố định là ω 0. Từ (1-12) ta thấy khi điện
trở phụ Rf = 0 thì β có giá trị lớn nhất ứng với đường đặc tính cơ tự nhiên, cịn khi R f
càng lớn thì β càng nhỏ và tốc độ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Như vậy
khi thay đổi điện trở phụ của động cơ ta sẽ được một họ đặc tính cơ có dạng như hình 1-6.

11

11


Hình 1.5 Sơ đồ điều chỉnh tốc ĐCĐMCKTĐL bằng cách thay đổi điện phụ của mạch

phần ứng.
Ta có: 0 < Rf1 < Rf2 < Rf3 < …. . thì ωdm > ω1 > ω2 > ω3 > …. nhưng nếu ta tăng
Rf đến một giá trị nào đó thì sẽ làm cho M ≤ M c dẫn đến động cơ sẽ quay không được
và động cơ sẽ làm việc ở chế độ ngắn mạch ω = 0, đến bây giờ ta có thay đổi R f thì
động cơ vẫn khơng khơng quay nữa. Do đó phương pháp này gọi là phương pháp điều
chỉnh tốc độ khơng triệt để.

Hình 1.6 Đặc tình điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện
trở phụ phần ứng.
Vậy ứng với một phụ tải Mc nào đó nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng
giảm, đồng thời dịng điện ngắn mạch Inm và mômen ngắn mạch Mnm càng giảm
1.3.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thơng kích từ của động cơ.
Giả thiết điện áp phần ứng: Uư = Udm = const;
Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát:
ω = .M ; → ω = ω0 - ∆ω ;
12

12


Trong trường hợp này tốc độ không tải: ω0x = ;
Độ cứng đặc tính cơ: β = – ;
Ta thấy rằng thay đổi từ thơng Φ thì ω 0 và ∆ω đều thay đổi theo, Dẩn đến ω thay
đổi theo. Vì vậy ta sẽ được họ các đường đặc tính điều chỉnh dốc dần (Do độ cứng đặc
tính cơ β giảm) và cao hơn đặc tính cơ tự nhiên khi Φ càng nhỏ, với tải như nhau thì
tốc độ càng khi giảm tư thông Φ.
Như vậy: ứng với Φdm > Φ1 > Φ2>……. thì ωdm < ω1 < ω2 <……, nhưng nếu
giảm Φ q nhỏ thì ta có thể làm cho tốc độ động cơ quá lớn quá giới hạn cho phép,
hoạt làm cho điều kiện chuyển mạch bị xấu đi, do dòng phần ứng tăng cao, hoặc để
đảm bảo chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dịng phần ứng và như vậy sẽ

làm cho momen cho phép trên trục động cơ giảm nhanh, dẫn đến động cơ bị quá tải.

Hình 1.7 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cánh thay đổi từ thơng Φ.

Hình 1.8 Đăc tính điều chỉnh tốc độ ĐMdl bằng cách thay đổi từ thông Φ.

13

13


1.3.3. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của
động cơ.
Giả thiết từ thông Φ = Φdm = const, khi ta thay đổi điện áp phần ứng theo hướng
giảm so với Uđm.
Từ phương trình đặc tính cơ tổng quát:
ω = .M

→ ω = ω0 - ∆ω;

Ta có:
ω0 x =

Tốc độ khơng tải:

Ux
K .φ dm

;

Độ cứng đặc tính cơ:

Hình 1.9 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Uư
Ta thấy rằng khi thay đổi U ư thì ω0 thay đổi cịn ∆ω = const, vì vậy ta sẽ được
họ các đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau. Nhưng muốn thay đổi U ư thì
phải có bộ nguồn một chiều thay đổi đươc điện áp ra, thường là dùng các bộ biến đổi.
Các bộ biến đổi có thể là:
+ Bộ biến đổi máy điện: Dùng máy phát điện một chiều (F), máy điện khếch đại
(MĐKĐ).
+ Bộ biến đổi từ: Khếch đại từ (KĐT) một pha, ba pha.
+ Bộ biến đổi điện từ - bán dẫn: Các bộ chỉnh lưu (CL), các bộ băm điện áp
(BĐA), dùng transistor và thyistor.

14

14


Ta thấy rằng, khi thay đổi điện áp phần ứng (Giảm áp) thì mơmen ngắn mạch
Mnm, và dịng điện ngắn mạch Inm của động cơ giảm và tốc độ cũng giảm ứng với một
phụ tải nhất định. Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ
động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động.
1.3.4. Nhận xét về ưu nhược điểm từng phương pháp.
*Phương pháp thay đổi tốc đồ bằng cách thay đổi điện trở phụ.
Ưu điểm: Phương pháp thay đổi điện trở phụ lắp vào phần ứng động cơ có ưu
điểm là đơn giản, rẻ tiền, dễ điều chỉnh tốc độ động cơ. Hay dùng điều chỉnh tốc độ
động cơ cho các phụ tải là thế năng.
Nhược điểm: Phương pháp này điều chỉnh tốc độ khơng triệt để. Khi điều chỉnh
càng sâu thì sai số tĩnh càng lớn; phạm vi điều chỉnh hẹp, dòng phần ứng lớn, công
suất điều chỉnh lớn, tổn hao trong quá trình điều khiển lớn. Phương pháp này thường

được sử dụng cho các máy nâng – vận chuyển có yêu cầu điều chỉnh tốc độ không cao.
* Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi từ thơng
kích từ.
Ưu điểm: Phương pháp điều chỉnh tốc độ này có thể điều chỉnh vơ cấp và cho
tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản. Tổn thất năng lượng ít.
Nhược điểm: Việc điều chỉnh từ thông phi tuyến là khó khăn, dịng điện thay
đổi khó tính tốn chính xác dòng điều khiển và momen tải vậy nên phương pháp này
cũng ít dùng.
*Phương pháp thay đổi tốc độ động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp phần
ứng động cơ
Ưu điểm: Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để vô cấp có nghĩa là có thể điều
chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi ở không tải lý tưởng.
Nhược điểm: Phải cần có bộ nguồn có điện áp thay đổi được nên vốn đầu tư cơ
bản và chi phí vận hành cao.
Dựa vào các ưu nhược điểm của nhận xét trên nên trong đồ án em sử dụng
phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ động lập bằng phương pháp
thay đổi điện áp mạch phần ứng sử dụng hệ T-Đ nó có ưu điểm là: Độ tác động nhanh,
dễ dàng tự động hóa, van có hệ số khuếch đại cơng suất lớn nâng caao chất lượng đặc
tính tĩnh và động của hệ thống.
15

15


1.4. Các đặc tính cơ khi hãm động cơ một chiều kích từ độc lập.
Hãm là trạng thái mà động cơ sinh ra mômen quay ngược chiều với tốc độ, hay
còn gọi là chế độ máy phát. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba trạng thái hãm:
1.4.1. Hãm tái sinh.
Hãm tái sinh khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng (ω
> ω0). Khi hãm tái sinh, sức điện động của động cơ lớn hơn điện áp nguồn (E > U ư),

động cơ làm việc như một máy phát song song với lưới và trả năng lượng về nguồn,
lúc này thì dịng hãm và mơmen hãm đã đổi chiều so với chế độ động cơ.
Khi hãm tái sinh:
(1-14)
- Một số trường hợp hãm tái sinh:
a, Hãm tái sinh khi ω > ω 0: Lúc này máy sản suất như là nguồn động lực quay
rôto động cơ, làm cho động cơ trở thành máy phát, phát năng lượng trả về nguồn.
Vì E > Uư, do đó dịng điện phần ứng sẽ thay đổi chiều so với trạng thái động cơ:
Iư = Ih =

;

Mh = KФ. Ih < 0 ;
Mômen động cơ đổi chiều (M < 0) và trở nên ngược chiều với tốc độ và trở
thành mơmen hãm (Mh).

Hình 1.10 Hãm tái sinh khi có động lực quay động cơ.
b) Hãm tái sinh khi giảm điện áp phần ứng (U ư2mômen thế năng (Mc = Mtn). Khi giảm điện áp nguồn đột ngột, nghĩa là tốc độ ω 0 giảm
16

16


đột ngột trong khi tốc độ ω chưa kịp giảm, do đó làm cho tốc độ trên trục động cơ lớn
hơn tốc độ không tải lý tưởng (ω > ω02). Về mặt năng lượng, do động năng tích luỹ ở
tốc độ cao lớn sẽ tuôn vào trục động cơ làm cho động cơ trở thành máy phát phát năng
lượng trả lại nguồn (hay cịn gọi là hãm tái sinh).

Hình 1.11 Hãm tái sinh khi giảm tốc độ bằng cách giảm điện áp phần ứng.

c) Hãm tái sinh khi đảo chiều điện áp phần ứng (+Uư → - Uư):
Lúc này Mc là dạng mômen thế năng (Mc = Mtn). Khi đảo chiều điện áp phần
ứng, nghĩa là đảo chiều tốc độ + ω0 → - ω0, động cơ sẽ dần chuyển sang đường đặc
tính có – Uư, và sẽ làm việc tại điểm B (

ω B > − ω0

). Về mặt năng lượng, do thế năng

tích luỹ ở trên cao lớn sẽ tuôn vào động cơ, làm cho động cơ trở thành máy phát và
phát năng lượng trả lại về nguồn.
1.4.2. Hãm ngược.
Hãm ngược là khi mômen hãm của động cơ ngược chiều với tốc độ quay của
động cơ (M ↑↓ ω). Hãm ngược có hai trường hợp:
a, Đưa điện trở phụ lớn vào mạch phần ứng:
Động cơ đang làm việc ở điển A ta đưa thêm R ưf lớn vào mạch phần ứng thì
động cơ sẽ chuyển sang điểm B, D làm việc ổn định ở điểm E (ω = ω E và ωơđ ↑↓ ωA)
trên trên đặc tính cơ có thêm R ưf lớn, và doạn DE là đoạn hãm ngược, động cơ làm
việc như một máy phát nối tiếp với lưới điện, lúc này sức điện động của động cơ đảo
dấu nên:

17

17


Ih = ;

(1-15)

Mh = KФ. Ih ;
Tại thời điểm chuyển đổi mạch điện thì mơmen động cơ nhỏ hơn mơmen cản
(MB < Mc) nên tốc độ động cơ giảm dần. Khi ω = 0, động cơ ở chế độ ngắn mạch

Hình 1.12 a) Sơ đồ hãm ngược bằng cách thêm Rưf.
b) Đặc tính cơ khi hãm ngược bằng cách thêm Rưf.
b, Hãm ngược bằng cách đảo chiều điện áp phần ứng:
Động cơ đang làm việc ở điểm A, ta đổi chiều điện áp phần ứng (vì dịng đảo
chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để hạn chế) thì động cơ sẽ
chuyển sang làm việc tại điểm B, C và sẽ làm việc xác lập ở D nếu phụ tải ma sát.
Đoạn BC là đoạn hãm ngược, lúc này dịng hảm và mơmen hãm của động cơ:
Ih = < 0 ;

(1-16)

Mh = KФ. Ih < 0 ;
Phương trình đặc tính cơ:
ω=

18

(1-17)

18


Hình 1.13 a, Sơ đồ hãm ngược bằng cách đảo chiều Uư.
b, Đặc tính cơ khi hãm ngược bằng cách đảo chiều Uư .
1.4.3. Hãm động năng.
Ở đây ta chỉ xét hãm động năng kích từ độc lập. Động cơ đang làm việc với

lưới điện (Điểm A), thực hiện cắt phần ứng động cơ ra khỏi lưới điện và đóng vào một
điện trở hãm Rh, do động năng tích luỹ trong động cơ, cho nên động cơ vẫn quay và nó
làm việc như một máy phát biến cơ năng thành nhiệt năng trên điện trở hãm và điện
trở phần ứng.
Phương trình đặc tính cơ khi hãm động năng:
ω = .M

(1-18)

Tại thời điểm hãm ban đầu, tốc độ hãm ban đầu ωhđ nên sức điện động ban đầu,
dòng điện hãm ban đầu và mômen hãm ban đầu.
Ehđ = KФωhđ ;
Ihđ =

< 0;

(1-19)

Mhđ = KФ. Ihđ < 0 ;
Trên đồ thị đặc tính cơ hãm động năng ta thấy rằng nếu mơmen cản là phản
kháng thì động cơ sẽ dừng hẵn (Các đoạn B 10 hoặc B20), cịn nếu mơmen cản là thế
năng thì dưới tác dụng của tải sẽ kéo động cơ quay theo chiều ngược lại (ω ôđ1 hoặc
ωôđ2).

19

19


CHƯƠNG 2: CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

ĐIỆN 1 CHIỀU
2.1 Tổng quan về các hệ truyền động
2.1.1 Hệ truyền động F-Đ
Hệ thống Máy phát - Động cơ một chiều là một hệ truyền động điện điều chỉnh
tốc độ rất linh hoạt và thuận tiện. Tuy nhiên hệ thống dùng nhiều máy điện quay
nên cồng kềnh, khi làm việc gây ồn, rung, nên địi hỏi phải có nền móng vững
chắc.

Hình 2.1 Sơ đồ ngun lý hệ thống Máy phát - Động cơ
Coi mạch từ máy phát chưa bão hồ:
(2.1)
Trong đó: KF - hệ số kết cấu của máy phát,
C = ΔΦF /ΔiKF - hệ số góc của đặc tính từ hố.
iKF = UKF/rKF
Và: EF = KF .UKF
R = RưĐ + RưF
Phương trình đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ dùng máy phát:
(2.2)
(2.3)

20

20


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.

Hình 2.2 Họ đường đặc tính cơ khi khi thay đổi UKF
Tại góc phần tư (I) và (III) của tọa độ đặc tính cơ thì động cơ làm việc ở chế độ

động cơ quay thuận và chế độ động cơ quay ngược.
Đặc tính cơ hãm động năng (EF = 0) đi qua gốc toạ độ;
Các vùng nằm giữa trục tung (ω) và đặc tính cơ hãm động năng (EF = 0) là chế
độ hãm tái sinh hay chế độ máy phát (ω > ω0 ) của động cơ.
Các vùng nằm giữa trục hoành (M) và đặc tính cơ khi hãm động năng (E F = 0)
là chế độ hãm ngược (ω ↑↓ M) của động cơ
Đặc điểm của hệ F – Đ: điều chỉnh tốc độ linh hoạt, động cơ có thể tự động
chuyển đổi qua các chế độ làm việc khi thay đổi tốc độ hoặc đảo chiều tốc độ.
Ưu điểm :
+ Phạm vi điều chỉnh dể dàng và lớn, có khả năng điều chỉnh rất bằng phẳng,
+ Tổn hao khi mở máy, đảo chiều quay và khi điều chỉnh tốc độ bé, vì q trình
này được thực hiện trên mặt kích từ.
+ Có thể đảo chiều động cơ một cách dể dàng.Có khả năng quá tải cao.

21

21


+ Đặc tính quá độ tốt, thời gian quá độ ngắn ,điện áp đầu ra của máy phát bằng
phẳng có lợi cho động cơ
+ Có khả năng giử cho đặc tính cơ của động cơ cao và khơng đổi trong quá
trình làm việc.
Nhược điểm :
+ Hệ thống sử dụng nhiều máy điện quay cho nên gây ồn, kết cấu cơ khí cồng
kềnh chiếm nhiều diện tích
+ Tổng cơng suất đặt lớn.Vốn đầu tư ban đầu lớn.
1 + Máy điện một chiều thường có từ dư lớn, đặc tính từ hóa có trể nên khó
2 điều chỉnh sâu tốc độ.
2.1.2 Hệ truyền động T-Đ

Khi dùng các bộ chỉnh lưu có điều khiển (các bộ chỉnh lưu dùng thyristor ) để
làm bộ nguồn một chiều cung cấp cho phần ứng động cơ điện một chiều, ta cịn gọi là
hệ T - Đ.

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hệ T-Đ
a. Hệ CL - ĐM khơng đảo chiều
+ Khi dịng điện liên tục:
Khi dịng điện liên tục: Ed = Ed0 cosα

(2.4)
Trong đó tốc độ không tải giả tưởng

22

22


Khi thay đổi góc điều khiển α = (0 ÷ π) Ed thay đổi từ E d0 đến - Ed0 Họ đặc
tính cơ song song nhau nằm ở nửa bên phải của mặt phẳng toạ độ [ω, I] hoặc [ω, M]
nếu chúng ta chỉ cho một bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ chỉnh lưu
Vùng dòng điện gián đoạn bị giới hạn bởi một nửa đường elip với trục tung:
(2.5)
Trong đó: XBA - điện kháng máy biến áp.
LuΣ - điện cảm tổng mạch phần ứng.
f1 - tần số lưới.
m - số pha chỉnh l-u.
Trong vùng dòng điện gián đoạn (ω’ 0 < ω0 ):
(2.6)
Trong đó: E2m - biên độ sức điện động thứ cấp máy biến áp CL. Đường giới
hạn tốc độ cực đại:

(2.7)
b. Hệ CL - ĐM có đảo chiều
Để đảo chiều tốc độ động cơ cần phải dùng hai bộ chỉnh lưu đấu song song
ngược còn gọi là chỉnh lưu kép, nguyên tắc điều khiển hai bộ chỉnh lưu:
+ Khi cho bộ CL1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu thì CL2 chuẩn bị làm việc ở chế
độ nghịch lưu, dòng chỉnh lưu chạy theo chiều dương, tốc độ động cơ quay thuận.
+ Ngược lại, khi cho bộ CL2 làm việc ở chế độ chỉnh lưu thì CL1 chuẩn bị làm
việc ở chế độ nghịch lưu, dòng chỉnh l-u chạy theo chiều âm, tốc độ động cơ quay
ngược.
Để khỏi truyền năng lượng từ bộ CL này qua bộ CL kia về lưới điện thì cần
thoả mãn điều kiện:
‫׀‬Ed.NL‫ ׀‬‫ ׀‬Ed.CL‫׀‬
- Ưu điểm :
+ Tác động nhanh không gây ồn và dể tự động hóa do các van bán dẩn có hệ số
khuyếch đại cơng suất cao.
+ Cơng suất tổn hao nhỏ, kích thước và trọng lượng nhỏ. Giá thành hạ dể bảo
dưởng sửa chữa.
-Nhược điểm :

23

23


+ Mạch điều khiển phức tạp, điện áp chỉnh lưu có biểu đồ đập mạch cao, gây
đến tổn thất phụ đáng kể trong động cơ và hệ thống.
+ Chuyển đổi làm việc khó khăn hơn do đường đặc tính nằm trong ở mặt ph ng
tọa độ.
+ Trong thành phần của hệ biến đổi có máy biến áp nên hệ số cos

ϕ

thấp.

+ Do vai trò chỉ dẩn dòng một chiều nên việc chuyển đổi chế độ làm việc khó
khăn đối với các hệ thống đảo chiều.
+ Do có vùng làm việc gián đoạn của đặc tính nên khơng phù hợp truyền động
động cơ tải nhỏ.
2.1.3 Hệ truyền động xung động cơ
Để đóng cắt điện áp nguồn ta thường dùng các khóa điện tử cơng suất vì
chúng có đặc tính tương ứng với khóa lý tưởng,tức là khi khóa dẫn điện(đóng)điện trở
của nó khơng đáng kể,cịn khi nó bị ngắt(mở ra) điện trở của nó lớn vơ cùng(điện áp
trên tải bằng khơng)
+ Ưu điểm:
- Bộ biến đổi xung áp có khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp ra trên phụ tải
-Hiệu suất cao vì tổn thất cơng suất trong bộ biến đổi khơng đáng kể
- Độ chính xác cao ít bị ảnh hưởng của môi trường
- Chất lượng điện áp tốt
- Kích thước gọn nhẹ
+ Nhược điểm
-Cần có bộ lọc đầu ra,do đó làm tăng qn tính của bộ biến đổi khi làm việc
trong hệ thống kín
-Tần số đóng cắt lớn tạo ra nhiễu cho nguồn cũng như các thiết bị điều khiển
2.1.4 Phân tích và lựa chọn phương án truyền động
Qua q trình phân tích 3 hệ thơng F - Đ và T- Đ và XA-Đ ta thấy chúng có
những ưu điểm nhựơc điểm nhất định. Cả 3 hệ thống đều đáp ứng được yêu cầu công
nghệ đặt ra.
Nhưng xét về chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật thì mổi hệ thống đạt được những đặc
điểm khác nhau. Cụ thể ta thấy hệ F - Đ dể điều chỉnh tốc độ, chuyển đổi trạng thái
hoạt động linh hoạt vì đặc tính hệ thống năm đều bốn góc phần tư. Với hệ thống F - Đ

24

24


khi lắp đặt chiếm diện tích lớn, cồng kềnh nhưng hiệu suất lại không cao. Khi làm việc
lại gây ồn ào, rung động mạnh, công lắp đặt lớn, vốn đằu tư cao.
Trong giai đoạn CNH – HĐH ngày nay với xu thế chung hướng tới mục tiêu
yêu cầu tối - ưu nhất đảm bảo tính khoa học, gọn nhẹ khơng gây ồn, ít ảnh hưởng đến
mơi trường xung quanh. Với hệ truyền động F - Đ mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng
còn nhiều hạn chế chưa đáp ứng được yêu cầu CNH – HĐH hiện nay.
.Hệ XA-Đ thì cần phải có 1 thêm 1 bộ biến đổi tính kinh tế khơng cao.
.Với hệ truyền động T - Đ có hệ số khuyếch đại lớn, dể tự động hoá do tác động
nhanh chính xác, cơng suất tổn hao nhỏ. Kích thước nhỏ và gọn nhẹ.
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẻ của khoa học công nghệ xu hướng tự động
hố các hệ thống tự động, gia cơng chính xác, nên điều khiển hệ thống được thực hiện
bằng cách lắp ghép hệ thống với các bộ điều khiển tự động như PLC, vi xử lý…
Nhìn chung hệ thống T - Đ đáp ứng được yêu cầu đặt ra. Với những ưu điểm và
những đặc điểm phù hợp cách truyền động. Vậy em quyết định chọn phương án truyền
động T - Đ.
2.2 Các hệ chỉnh lưu Thyritor thường dc sử dụng để thay đổi tốc độ động cơ điện
2.2.1 Chỉnh lưu cầu 1 pha
a. sơ đồ và dạng sóng.
• sơ đồ.
-Gồm một máy biến áp 3 pha nối Y , 3 thyristor nối với tải như hình vẽ

Hình 2.4. Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu một pha có điều khiển
• Dạng sóng.
25

25