Đồ án dtcs mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ....................................................................................iii
LỜI NĨI ĐẦU....................................................................................................1
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN
ĐỘNG ĐIỆN.......................................................................................................2
1.1

Cấu trúc chung và phân loại hệ điều khiển truyền động điện.....................2

1.2

Động cơ một chiều......................................................................................5

1.2.1

Cấu tạo động cơ điện một chiều kích từ độc lập..................................6

1.2.2

Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều kích từ độc lập................9

1.2.3

Đặc tính cơ.........................................................................................10

1.2.4

Nguyên lý cơ bản về điều khiển truyền động động cơ một chiều kích

từ độc lập...........................................................................................................12

1.3

Hệ điều khiển truyền động động cơ một chiều.........................................18

1.3.1

Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ).........................................19

1.3.2

Hệ truyền động xung áp- động cơ (XA-Đ)........................................20

1.3.3

Hệ truyền động chỉnh lưu tiristo - động cơ (T-Đ)..............................21

1.4

Kết luận.....................................................................................................23

CHƯƠNG 2. TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC.....................24
2.1

Lựa chọn phương án mạch động lực.........................................................24

2.2 Phân tích sơ đồ mạch động lực...............................................................24
2.2.1

Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn.......................................24

2.2.2

Giới thiệu về van Thyristor................................................................26

2.2.3

Điều khiển van bán dẫn Thyristor......................................................32

2.3 Thơng tin về hệ thống.............................................................................34
2.4

Sơ đồ mạch lực..........................................................................................35

2.5

Tính tốn mạch lực...................................................................................35


2.5.1
2.6

Tính tốn thơng số máy biến áp.........................................................35

Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực...........................................37

2.6.1

Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn..........................................37

2.6.2

Bảo vệ quá dòng cho van...................................................................39

2.6.3

Bảo vệ quá điện áp cho van................................................................41

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN..........................................43
3.1

Cấu trúc tổng quát của mạch điều khiển...................................................43

3.2

Thiết kế mạch điều khiển..........................................................................45

3.2.1

Khâu đồng pha...................................................................................45

3.2.2

Khâu tạo điện áp răng cưa..................................................................46

3.2.3

Khâu so sánh......................................................................................48

3.2.4

Khâu phát xung chùm........................................................................50

3.2.5

Khâu khuếch đại xung........................................................................51

3.3

Kết luận.....................................................................................................54

CHƯƠNG 4. MƠ PHỎNG..............................................................................55
4.1

Sơ đồ mơ phỏng PSIM..............................................................................55

4.2

Kết quả mơ phỏng.....................................................................................56

ii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu trúc điều khiển nối tầng hệ truyền động điện...............................4
Hình 1.2: Cấu trúc động cơ một chiều.................................................................6
Hình 1.3: Stator....................................................................................................7
Hình 1.4: Cực từ trong động cơ một chiều...........................................................7
Hình 1.5: Rotor.....................................................................................................8
Hình 1.6: Cổ góp..................................................................................................9
Hình 1.7: Ngun lý tạo ra từ trường quay động cơ một chiều.........................10

Hình 1.8: Sơ đồ mạch điện thay thế động cơ điện một chiều............................10
Hình 1.9: Đặc tính cơ tự nhiên động cơ một chiều kích từ độc lập...................12
Hình 1.10: Sơ đồ ngun lý điều chỉnh điện áp phần ứng.................................13
Hình 1.11: Dạng đặc tính cơ hệ truyền động điều chỉnh điện áp.......................14
Hình 1.12: a) Sơ đồ thay thế; b) Đặc tính điều chỉnh khi điều khiển từ thơng
động cơ; c) Quan hệ (iF).............................................................................................15
Hình 1.13: Nguyên lý mạch lực truyền động điều khiển hai thông số điện áp và
từ thơng..........................................................................................................................16
Hình 1.14: Đặc tính điều khiển hai vùng kế tiếp nhau.......................................17
Hình 1.15: Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ).......................................19
Hình 1.16: Nguyên lý băm xung một chiều (BXMC)........................................20
Hình 1.17: a) Sơ đồ thay thế hệ T – Đ khơng đảo chiều....................................23
Hình 2.1: Các dạng sơ đồ chỉnh lưu cơ bản. (1) Sơ đồ chỉnh lưu một pha, nửa
chu kỳ; (2) Sơ đồ chỉnh lưu một pha hình tia; (3) Sơ đồ chỉnh lưu một pha cầu; (4) Sơ
đồ chỉnh lưu ba pha hình tia; (5) Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha; (6) Sơ đồ chỉnh lưu sáu
pha có cuộn kháng cân bằng.........................................................................................25
Hình 2.2: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha..................................................................26
Hình 2.3: Đồ thị làm việc của chỉnh lưu cầu 3 pha............................................26
Hình 2.4: Thyristor. (a) Cấu tạo; (b) Ký hiệu.....................................................26
Hình 2.5: Đặc tính vơn-ampe của Thyristor.......................................................27
Hình 2.6: Hiệu ứng dU/dt tác dụng như dịng điều khiển..................................31
Hình 2.7: Mạch động lực có các thiết bị bảo vệ.................................................35


Hình 2.8: Cánh nhơm tản nhiệt..........................................................................38
Hình 2.9: Aptomat BKN 3P 25A.......................................................................40
Hình 2.10: Mạch R-C bảo vệ quá áp do chuyển mạch.......................................41
Hình 2.11: Bảo vệ quá điện áp từ lưới...............................................................42
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển dọc..........................................43
Hình 3.2: Giản đồ các tầng điều khiển...............................................................44

Hình 3.3: Sơ đồ khâu đồng bộ............................................................................45
Hình 3.4: Điện áp đồng bộ Uđb...........................................................................45
Hình 3.5: Mạch tạo răng cưa..............................................................................46
Hình 3.6: Đồ thị điện áp răng cưa......................................................................47
Hình 3.7: Khâu so sánh......................................................................................48
Hình 3.8: Tín hiêu xung sau khâu so sánh.........................................................49
Hình 3.9: Khâu tạo xung chùm..........................................................................50
Hình 3.10: Đồ thị khâu tạo xung chùm..............................................................50
Hình 3.11: Sơ đồ khuếch đại xung.....................................................................51
Hình 4.1: Sơ đồ mạch điều khiển.......................................................................55
Hình 4.2: Sơ đồ mạch lực...................................................................................55
Hình 4.3: Đặc tính các tầng điều khiển..............................................................57
Hình 4.4: Điện áp sau chỉnh lưu.........................................................................57

iv


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Khái quát các phương pháp điều khiển động cơ một chiều...............18
Bảng 2.1: Thông tin về hệ thống........................................................................34
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật Aptomat...............................................................39
Bảng 2.3: Bảng lựa chọn các thiết bị mạch lực..................................................42
Bảng 3.1: Thông số thiết bị khâu đồng pha........................................................46
Bảng 3.2: Thông số các thiết bị khâu tạo điện áp răng cưa................................48
Bảng 3.3: Thông số các thiết bị khâu so sánh....................................................49
Bảng 3.4: Thông số các thiết bị khâu tạo xung chùm........................................50
Bảng 3.5 Thông số cơ bản transistor TIP41C....................................................53
Bảng 3.6: Thông số cơ bản cúa C945................................................................53
Bảng 3.7: Thông số các thiết bị khâu khuếch đại xung......................................53

v


Lời nói đầu

LỜI NĨI ĐẦU

1


Chương 1. Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC HỆ THỐNG
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
1.1 Cấu trúc chung và phân loại hệ điều khiển truyền động điện
Hệ truyền động điện là một tập hợp các thiết bị như: Thiết bị điện, thiết bị điện
tử, thiết bị cơ để phục vụ cho việc biến đổi năng lượng điện-cơ. Biến đổi điện năng từ
lưới điện thành cơ năng cấp cho máy sản xuất, khi hệ làm việc trong chế độ động cơ
và biến đổi cơ năng thành điện năng, khi hệ làm việc trong chế độ hãm. Điều khiển
truyền động điện thực hiện điều khiển q trình biến đổi năng lượng đó theo u cầu
cơng nghệ của máy sản xuất.
Cấu trúc chung của hệ truyền động điện, bao gồm ba phần chính:
 Phần cơ truyền động điện là các cơ cấu truyền động của máy sản xuất,
 Phần lực truyền động điện là bộ biến đổi và động cơ truyền động. Các bộ
biến đổi trước đây gồm có bộ biến đổi máy điện (máy phát một chiều,
xoay chiều), bộ biến đổi từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bão hòa), ngày
nay thường sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất (chỉnh lưu Thyristor,
biến tần transistor…). Động cơ điện có các loại: Động cơ một chiều,
xoay chiều đồng bộ ba pha, không đồng bộ ba pha và các loại động cơ
đặc biệt khác v.v...

 Phần điều khiển gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều khiển truyền động
và cơng nghệ, ngồi ra cịn có các thiết bị điều khiển, đóng cắt phục vụ
cơng nghệ và cho người vận hành. Đồng thời một số hệ truyền động có
cả mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác trong một dây truyền sản
xuất.
Có nhiều phương pháp phân loại hệ truyền động:
 Phân loại theo động cơ tham gia truyền động như truyền động động cơ
một chiều, truyền động động cơ xoay chiều đồng bộ và xoay chiều
không đồng bộ…
 Phân loại theo cấp công suất: Truyền động cơng suất lớn có cơng suất từ
MW trở lên, thường loại này có máy biến áp riêng; truyền động công

2


Chương 1. Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện

suất vừa có cơng suất vài chục đến vài trăm kW và truyền động công
suất nhỏ đến chục kW.
 Phân loại theo cấp điện áp hạ áp đến 1000V, trung áp trên 1kV đến
10kV.
Hệ điều khiển truyền động bao gồm điều khiển tham số và điều khiển lô gic.
Điều khiển tham số truyền động điện là điều khiển tốc độ điều khiển mơ men và điều
khiển vị trí. Điều khiển lơ gic có: Điều khiển lơ gic khởi động, điều khiển lô gic vận
hành, điều khiển lô gic bảo vệ, dừng và dừng khẩn cấp. Hệ điều khiển truyền động
được phân loại như sau:
 Truyền động không điều khiển tham số: Thường chỉ có động cơ nối trực
tiếp với lưới điện, quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định, mô men
truyền động theo yêu cầu của tải. Hệ điều khiển loại truyền động này chủ
yếu là điều khiển logic. Truyền động kiếu này xuất hiện phổ biến với

cơng suất từ nhỏ đến lớn.
 Truyền động có điều khiển tham số được phân loại theo đại lượng cần
điều khiển như điều khiển tốc độ, điều khiển mô men và điều khiển vị
trí. Hệ điều khiển truyền động có điều khiển tham số có độ chính xác
điều khiển cao thường có cơng suất khơng lớn (như các truyền động
servo cho máy CNC, Robot….). Truyền động điều khiển tham số có độ
chính xác khơng cao như các máy bơm quạt gió, máy nâng vận chuyển,
máy cán… có cơng suất vừa đến hàng MW. Hệ điều khiển tham số
truyền động bao giờ cũng trang bị bộ biến đổi điện tử công suất với cấp
điện áp từ hạ áp, đến trung áp. Trong cấu trúc hệ truyền động có điều
khiển có thể là truyền động một động cơ hay nhiều động cơ.
Trong công nghiệp hệ điều khiển tham số truyền động điện thường dùng điều
khiển phản hồi tuyến tính với bộ điều khiển PID theo cấu trúc điều khiển mạch vòng
nối tầng kết hợp với điều khiển bù Feedforward. Với hệ truyền động có thơng số thay
đổi lớn người ta cịn dùng bộ điều khiển thích nghi. Điều khiển truyền động cho rô bốt
là hệ rất phức tạp, thường phải dùng điều khiển như điều khiển thích nghi phi tuyến
hoặc các thuật điều khiển hiện đại khác, được đề cập trong nội dung giáo trình riêng về
điều khiển rơ bốt.
3


Chương 1. Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện

Sơ đồ nguyên lý điều khiển truyền động trong cơng nghiệp được trình bày trên
Hình 1.1, có cấu trúc theo các mạch vòng nối tầng với bốn cấp điều khiển.

Hình 1.1: Cấu trúc điều khiển nối tầng hệ truyền động điện

 Cấp điều khiển bộ biến đổi, có hai phần
1) Phần điều khiển lô gic và bảo vệ an toàn bộ biến đổi như bảo vệ quá nhiệt,

quá áp, quá dòng..; 2) Phần điều khiển các tham số bộ biến đổi như: Giá trị và dạng
điện áp ra; Tần số đầu ra, dạng dòng đầu vào v.v… Người ta gọi cấp này là cấp điều
khiển quá trình điện tử, thời gian điều khiển cỡ <1ms. Các bộ biến đổi thương phẩm
đều đã trang bị đầy đủ chức năng này, khi đưa vào vận hành các kỹ sư chỉ khai báo số
liệu khơng cần can thiệp gì khác trừ khi bộ biển đổi hỏng phải sửa chữa thay thế.
 Cấp điều khiển động cơ
Ngồi vấn đề điều khiển lơ gic (xem chương 8), điều khiển động cơ thực chất là
điều khiển mô men với hai đại lượng tác động là từ thơng (phần cảm) và dịng điện
(phần ứng). Người ta gọi cấp này là cấp điều khiển quá trình điện từ, thời gian điều
khiển cỡ từ 10÷20ms.Thực tế khi đưa động cơ vận hành, kỹ sư chỉ việc khai báo tham
số động cơ và tiến hành quá trình “Test” các tham số, hệ điều khiển sẽ nhận dạng, tính
tốn các tham số động cơ và điều khiển để tự động cài vào bộ điều khiển, trừ trường
hợp có ứng dụng đặc biệt cần can thiệp vào mạch vòng điều khiển mơ men.
 Cấp điều khiển truyền động
Có ba đại lượng cần điều khiển là mô men, tốc độ quay và vị trí (hoặc là lực
kéo, tốc độ dài và quãng đường). Người ta gọi cấp điều khiển này là điều khiển truyền
động phục vụ q trình cơng nghệ. Cấp điều khiển truyền động, hiện đang tồn tại hai
4


Chương 1. Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện

giải pháp: Tích hợp chung vào bảng mạch điều khiển bộ biến đổi hoặc thiết lập riêng
một bảng mạch độc lập. Ngồi ra có một số dây chuyền, điều khiển truyền động được
thiết lập trong bộ điều khiển quá trình (Process Controller). Đối với cấp điều khiển
truyền động, các kỹ sư Tự động hóa có nhiệm vụ thiết kế điều khiển, cài đặt chỉnh định
các tham số và đưa hệ vào vận hành.
 Cấp điều khiển giám sát vận hành
Cấp điều khiển giám sát vận hành hệ truyền động phục vụ người vận hành theo
dõi, ra lệnh tác động theo yêu cầu sản xuất và đảm bảo hệ an tồn khơng có sự cố. Cấp

điều khiển giám sát vận hành thường chỉ có đối với hệ truyền động nhiều động cơ. Đối
với truyền động một động cơ công suất khơng lớn có thể sử dụng màn hình giao diện
của bộ biến đổi để vận hành.
1.2 Động cơ một chiều
Động cơ điện một chiều được phát minh và sử dụng trong cơng nghiệp từ rất
sớm, theo cấu tạo mạch kích từ ta có ba loại động cơ chính: Động cơ kích từ độc lập,
động cơ kích từ nối tiếp và động cơ kích từ hỗn hợp. Động cơ kích từ độc lập có mạch
kích từ riêng, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ở mọi dải công suất (đối với
động cơ công suất rất nhỏ người ta hay dùng kích từ dùng nam châm vĩnh cửu). Động
cơ kích từ nối tiếp: Cuộn kích từ nối tiếp với cuộn dây phần ứng, được sử dụng trong
truyền động cho các phương tiện giao thông như tàu hỏa tàu điện và các máy nâng vận
chuyển trong hệ thống kho hàng... Động cơ kích từ hỗn hợp gồm hai cuộn kích từ nối
tiếp và độc lập, trong đó từ thơng chính vẫn là từ thơng kích từ độc lập, để khơng làm
tăng kích thước động cơ, cuộn kích từ nối tiếp có số vịng dây ít để bổ sung lượng từ
thơng để tăng mô men mở máy và tránh sự cố mất từ thông động cơ.Trong chương này
tập trung vào hệ truyền động dùng động cơ một chiều kích từ độc lập.
Từ đầu thế kỷ 20 cho đến những năm 80 thế kỷ 20, hệ truyền động có điều
khiển tốc độ trong cơng nghiệp chủ yếu dựa vào truyền động động cơ một chiều. Cho
đến nay mặc dù hệ truyền động xoay chiều có điều chỉnh tốc độ chiếm ưu thế trong
cơng nghiệp nhưng có một số ứng dụng người ta vẫn dùng truyền động động cơ một
chiều (chủ yếu ở các dây chuyền cán kéo các vật liệu kim loại, các máy xúc khai thác
khoáng sản, các hệ truyền động yêu cầu hệ số quá tải lớn,...).

5


Chương 1. Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện

Hệ điều khiển truyền động động cơ điện một chiều chủ yếu hiện nay dùng hệ
chỉnh lưu Thyristor– động cơ (T-Đ), một số trang thiết bị như máy xúc cịn dùng hệ

máy phát - động cơ (F-Đ), khi cơng suất rất nhỏ người ta còn dùng hệ điều khiển xung
điện áp transisto. Trong đó hệ điều khiển truyền động F-Đ mặc dù có nhiều nhược
điểm cồng kềnh hiệu suất thấp vốn đầu tư lớn nhưng nó có ưu điểm lớn là đơn giản, độ
tin cậy cao, dễ vận hành, đảo chiều êm, khơng phát tác sóng điều hịa lên lưới, chính
vì vậy người ta sử dụng nó trong trang thiết bị khai thác khoáng sản với nguồn điện
cục bộ hữu hạn từ máy phát điện diesel. Hệ T-Đ có nhiều ưu điểm nổi trội kích thước
gọn, giá thành hạ, hiệu suất cao tác động nhanh nên nó được sử dụng rộng rãi trong
cơng nghiệp. Tuy nhiên nó có nhược điểm là phát sóng điều hịa lên lưới, nên khi sử
dụng hệ truyền động T-Đ bắt buộc có bộ lọc đầu vào hoặc dùng sơ đồ chỉnh lưu nhiều
xung ra (12 hay 18 xung).Trong phạm vi đồ án này em tập trung phân tích để thiết kế
điều khiển chủ yếu cho hệ T-Đ từ đó vận dụng cho các hệ hệ truyền động khác.
1.2.1

Cấu tạo động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Giống như những máy điện quay khác nó cũng gồm phần đứng im (stato) và
phần quay (rotor). Về chức năng máy điện một chiều cũng được chia thành phần cảm
(kích từ) và phần ứng (phần biến đổi năng lượng). Khác với máy điện đồng bộ ở máy
điện một chiều phần cảm bao giờ cũng ở phần tĩnh cịn phần ứng là ở roto. Trên hình
1.2 biểu diễn cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm các bộ phận chính.

Hình 1.2: Cấu trúc động cơ một chiều

6


Chương 1. Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện

1.2.1.1. Stator
Stator máy điện một chiều là phần cảm, nơi tạo ra từ thơng chính của máy.

Stato gồm các chi tiết sau:

Hình 1.3: Stator

1. Cực từ chính
Một cực từ chính gồm: Lõi cực được làm bằng các lá thép điện kỹ thuật ghép
lại, mặt cực có nhiệm vụ làm cho từ thơng dễ đi qua khe khí. Cuộn dây kích từ đặt trên
lõi cực cách điện với thân cực bằng một khn cuộn dây cách điện. Cuộn dây kích từ
làm bằng dây đồng có tiết diện trịn, cuộn dây được tẩm sơn cách điện nhằm chống
thấm nước và tăng độ dẫn nhiệt.
Để tản nhiệt tốt cuộn dây được tách ra thành những lớp, đặt cách nhau một rãnh
làm mát.
2. Cực từ phụ
Cực từ phụ nằm giữa các cực từ chính, thơng thường số cực phụ bằng ½ số cực
chính. Lõi thép cực phụ thường là bột thép ghép lại, ở những máy có tải thay đổi thì lõi
thép cực phụ cũng được ghép bằng các lá thép. Cuộn dây đặt trên lõi thép. Khe khí ở
cực từ phụ lớn hơn khe khí ở cực từ chính.

Hình 1.4: Cực từ trong động cơ một chiều

7


Chương 1. Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện

3. Gông từ
Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong
động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trong máy điện lớn
thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy.
4. Cơ cấu chổi than

Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi
than đặt trong hộp chổi than nhờ một lị xo tì chặt lên 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 chỗ, sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại.
1.2.1.2. Rotor
Rotor của máy điện một chiều là phần ứng. Ngày nay người ta dùng chủ yếu là
loại rơto hình trống có răng được ghép lại bằng các lá thép điện kỹ thuật. Ở những máy
cơng suất lớn người ta cịn làm các rãnh làm mát theo bán kính (các lá thép được ghép
lại từng tệp, các tệp cách nhau một rãnh làm mát).

Hình 1.5: Rotor

1. Lõi sắt phần ứng
Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ
cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dịng điện xốy gây nên.
Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào. Trong những
động cơ trung bình trở lên người ta cịn dập những lỗ thơng gió để khi ép lại thành lõi
sắt có thể tạo được những lỗ thơng gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì
lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là
khe hở thơng gió. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi
8


Chương 1. Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện

sắt. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.
Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rơto. Dùng giá rơto có thể tiết
kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rơto.
2. Cổ góp
Cuộn dây rơto là cuộn dây khép kín, mỗi cạnh của nó được nối với phiến góp.

Các phiến góp được ghép cách điện với nhau và với trục hình thành một cổ góp. Phiến
góp được làm bằng đồng, vừa có độ dẫn điện tốt vừa có độ bền cơ học, chống mài
mịn.

Hình 1.6: Cổ góp

3. Thiết bị chổi
Để đưa dịng điện ra ngoài phải dùng thiết bị chổi gồm: chổi than được làm
bằng than granit vừa đảm bảo độ dẫn điện tốt vừa có khả năng chống mài mịn, bộ giữ
chổi được làm bằng kim loại gắn vào stato, có lị so tạo áp lực chổi và các thiết bị phụ
khác.
4. Dây quấn phần ứng
Dây quấn phần ứng là phần phát 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 có cơng suất dưới vài kW thường dùng dây có tiết diện trịn. Trong máy điện vừa
và lớn thường dung dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh
của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nệm để đè
chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nệm thường làm bằng tre, gỗ…
1.2.2

Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều kích từ độc lập

Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện. Các thanh
dẫn có dịng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều của
lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.

9


Chương 1. Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện

Khi phần ứng quay được nửa vịng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau. Do có
phiếu góp chiều dòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi.
Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động E ư chiều của suất
điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều suất điện động E ư
ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động.

Hình 1.7: Nguyên lý tạo ra từ trường quay động cơ một chiều

1.2.3

Đặc tính cơ

Hình 1.8: Sơ đồ mạch điện thay thế động cơ điện một chiều

Phương trình cơ bản và phương trình đặc tính cơ: Với giả thiết phản ứng phần
ứng được bù đủ, mạch từ chưa bão hòa và các tham số động cơ khơng thay đổi trong
q trình vận hành, ta có các phương trình động học của động cơ một chiều kích từ
độc lập gồm :
10


Chương 1. Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện

Động học quá trình điện từ phần ứng:
(
1.1)

Động học q trình điện từ mạch kích từ :
(

1.2)

Động học q trình điện cơ:
(
1.3)

Trong đó: Sức điện động động cơ ea=kψf ω (tính bằng V); ω (tính bằng rad/s) là
tốc độ góc của động cơ, thực tế hay dùng đơn vị kỹ thuật n (v/phút), được tính quy đổi
ra đợn vị SI:

Mơ men điện từ động cơ M=kψfia (Nm)
Với:
 Dịng điện phần ứng ia ( A)
 Từ thông động cơ  ( Wb).
Từ thông động cơ ψf=kμiF
Với:
 kμ là hệ số từ hóa (Wb/A).
 iF là dịng kích từ (A)
Mơ men quán tính của hệ quy đổi về trục động cơ J=GD2/4g (Nms2)
Ra và RF: Là điện trở tổng phần ứng và điện trở mạch kích từ (Ω)
La và LF điện cảm mạch phần ứng và mạch kích từ (H).
Trong chế độ làm việc ổn định ta có:
(
1.4)

11


Chương 1. Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện

Phương trình đặc tính cơ
(
1.5)

Hình 1.9: Đặc tính cơ tự nhiên động cơ một chiều kích từ độc lập

Khi từ thơng khơng đổi ta có phương trình đặc tính cơ điện tương đương với
đặc tính cơ :
(
1.6)

Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập với các thơng số định mức
(đặc tính cơ tự nhiên) được trình bày trên Hình 1.9, trong đó có các tham số định mức:
(
1.7)

1.2.4

Nguyên lý cơ bản về điều khiển truyền động động cơ một chiều kích

từ độc lập
Điều khiển truyền động động cơ điện một chiều kích từ độc lập có ba phương
pháp chính:
 Điều khiển điện áp phần ứng.
 Điều chỉnh kích từ.
 Điều chỉnh điện trở phụ nối vào mạch phần ứng.
12


Chương 1. Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện

Để thực hiện điều khiển điện áp phần ứng và điện áp kích từ, cấu trúc phần lực
của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bao giờ cũng cần có bộ
biến đổi, ta có bộ biến đổi cho phần ứng và bộ biến đổi cho mạch kích từ. Cho đến nay
trong cơng nghiệp sử dụng ba loại bộ biến đổi chính:
Bộ biến đổi máy điện gồm: Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy
điện khuếch đại (MĐKĐ),
 Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu tiristo (CLT),
 Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito (BBĐXA).
Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như:
 Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ)
 Hệ truyền động máy điện khuếch đại từ trường ngang- động cơ (MĐKĐĐ)
 Hệ truyền động chỉnh lưu tiristo - động cơ (T-Đ)
 Hệ truyền động xung áp- động cơ (XA-Đ)
1.2.4.1. Nguyên lý điều khiển điện áp phần ứng
Để điều khiển điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị bộ biến đổi,
tổng qt ta có đặc tính chung như sau: Gọi Eb là sức điện động bộ biến đổi nó được
điều khiển bởi u, ta có quan hệ: Eb=kbub
Thực tế các bộ biến đổi đều có tính phi tuyến hệ số khuếch đại kb thay đổi theo
đại lượng đầu vào kb(ub) (phi tuyến vào –ra). Các bộ biến đổi là nguồn có cơng suất
hữu hạn so với động cơ, nên đều có điện trở trong Rb khác không. Sơ đồ mạch điện
nguyên lý được trình bày trên Hình 1.10: a) là sơ đồ nguyên lý, b) là sơ đồ thay thế.

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng

13


Chương 1. Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện

Ta có phương trình đặc tính cơ hệ truyền động điều chỉnh điện áp phần ứng khi
từ thông không đổi và bằng định mức:
(
1.8)

Sự khác nhau giữa đặc tính cơ của động cơ và đặc tính cơ hệ truyền động là độ
sụt tốc độ ∆ω của hệ truyền động lớn hơn do xuất hiện điện trở trong của bộ biến đổi.

Hình 1.11: Dạng đặc tính cơ hệ truyền động điều chỉnh điện áp

Trên Hình 1.11 là đặc tính cơ hệ truyền động điều chỉnh điện áp (hệ hở). Khi
điều chỉnh giá trị u ta nhận được các giá trị Eb khác nhau và được họ đặc tính cơ song
song với nhau với các giá trị ωo (ứng với Eb) khác nhau. Ta nhận thấy khi điều chỉnh
điện áp phần ứng cơng suất đơng cơ tăng tuyến tính với tốc độ cịn khả năng sinh mơ
men của động cơ khơng đổi.
1.2.4.1. Nguyên lý điều khiển từ thông động cơ
Tương tự như điều chỉnh điện áp phần ứng, điều chỉnh áp kích từ để điều chỉnh
từ thơng động cơ ta cũng cần trang bị bộ biến đổi. Bộ biến đổi cho mạch kích từ có sức
điện động là Ef, điện trở trong là rbf. Giả thiết khi điều chỉnh từ thông điện áp phần ứng
giữ không đổi Ua=UaN. Mạch nguyên lý điều khiển được trình bày trên Hình 1.12, ta
có sức điện động bộ biến đổi là ebf, điện trở trong bộ biến đổi là rbf trong chế độ xác
lập dòng kích từ:
(
1.9)

14


Chương 1. Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện

Từ thơng động cơ  là hàm của dịng kích từ, được xác định theo đặc tính từ
hóa máy điện. Giả thiết khơng tính đến từ trễ, ta có quan hệ từ thơng và dịng kích từ
là:
(
1.1
0)

Hình 1.12: a) Sơ đồ thay thế; b) Đặc tính điều chỉnh khi điều khiển từ thơng động cơ;
c) Quan hệ (iF)

Trên Hình 1.12c biểu diễn quan hệ từ thơng và dịng kích từ, ta thấy từ thơng tỷ
lệ tuyến tính với dịng kích từ ở vùng tuyến tính (kμ là hệ số khơng đổi), khi vào vùng
cận bão hịa và bão hịa kμ suy giảm.
Xét về đặc tính cơ khi điều chỉnh giảm từ thơng
(
1.1
1)

Trong đó:

ψf*= ψf /ψfN

Ta thấy khi điều chỉnh giảm từ thông, tốc độ không tải lý tưởng tăng và độ sụt
tốc độ tăng theo. Như vậy đặc tính cơ sẽ dốc, rất mềm so với đặc tính điều chỉnh điện
áp, khả năng sinh mô men được giới hạn bởi đường nét đứt (M max~1/ω). Trên Hình
1.12a là nguyên lý cấu trúc mạch lực điều chỉnh từ thơng, Hình 1.12b biểu diễn đặc
15