thiết kế mạch chỉnh lưu cầu 3 pha động cơ một chiều

Đồ án Điện tử Công suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA





ĐỒ ÁN MÔN HỌC
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Đề tài:
Thiết kế mạch chỉnh lưu cầu 3
pha
Động cơ một chiều

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN : NGUYỄN MẠNH HÀ
SINH VIÊN THỰC HIỆN : LÊ VĂN NGHĨA
MÃ SINH VIÊN : 105110055
NHÓM : 40









ĐÀ NẴNG 5/2012

ỏn in t Cụng sut GVHD: NGUYN MNH H

SVTH: Lấ VN NGHA Trang: 2




GII THIU
Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của
khoa học kỹ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp
điện - điện tử thì các thiết bị điện tử có công suất lớn cũng đợc chế
tạo ngày càng nhiều. Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các
ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang đợc
phát triển hết sức mạnh mẽ.

Tuy nhiên để đáp ứng đợc nhu cầu ngày càng nhiều và phức
tạp của công nghiệp thì điện tử công suất luôn phải nghiên cứu để
tìm ra giải pháp tối u nhất. Đặc biệt với chủ trơng công nghiệp
hoá - hiện đại hoá của Nhà nớc, các nhà máy, xí nghiệp cần phải
thay đổi, nâng cao để đa công nghệ tự động điều khiển vào trong
sản xuất. Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phơng pháp điều khiển
an toàn, chính xác. Đó là nhiệm vụ của điện tử công suất cần phải
giải quyết.
Để giải quyết đợc vấn đề này thì nớc ta cần phải có đội ngũ
thiết kế điện tử công suất. Là sinh viên ngành T NG HểA
cần phải tự trang bị cho mình có một trình độ và tầm hiểu biết sâu
rộng. Chính vì vậy đồ án môn học điện tử công suất là một yêu cầu
cấp thiết cho mỗi sinh viên T ng húa. Đó là điều kiện để cho
sinh viên tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất.
Mặc dù vậy, với sinh viên năm thứ 4 còn đang ngồi trong ghế nhà
trờng thì kinh nghiệm thực tế còn cha có nhiều, do đó cần phải
có sự hớng dẫn giúp đỡ của thầy giáo. Qua đây cho em đợc gửi
lời cảm ơn tới thầy NGUYN MNH H đã tận tình chỉ dẫn, giúp
em hoàn thành tốt đồ án môn học này.

Xin chõn thnh cm n!

Sinh viờn:
Lấ VN NGHA
T: 0988.312.362



Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 3



Phần I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH

I. KHÁI NIỆM CHUNG:
1. Đònh nghóa:
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi
các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ,
thay đổi từ thông… Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm
việc mới phù hợp với yêu cầu. Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ
động cơ:
 Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền
chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản suất.
 Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm
tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh. Vì
vậy, ta khảo sát sự điều chỉnh tốc độ theo phương pháp thứ hai.
Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc độ
khi phụ tải thay đổi của động cơ điện.
Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu
việt hơn so với các loại động cơ khác. Không những nó có khả năng điều
chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn
giản hơn, đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh
tốc độ rộng.

2. Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ:
Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và
căn cứ vào các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền
động điện:

a) Hướng điều chỉnh tốc độ:
Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ
lớn hơn hay bé hơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơ
điện trên đường đặc tính cơ tự nhiên.
b) Phạm vi điều chỉnh tốc độ (Dãy điều chỉnh):
Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất n
max
và tốc
độ bé nhất n
min
mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trò phụ tải là
đònh mức: D = n
max
/n
min
.
Trong đó:
- n
max
: được giới hạn bởi độ bền cơ học.
Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 4
E
Rf

CKT
RKT
- n
min

: được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ,
thông thường người ta chọn n
min
làm đơn vò.
Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu
của từng hệ thống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh.
c) Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ:
Độ cứng:  = M/n. Khi  càng lớn tức M càng lớn và n nhỏ
nghóa là độ ổn đònh tốc độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều. Phương
pháp điều chỉnh tốc độ tốt nhất là phương pháp mà giữ nguyên hoặc
nâng cao độ cứng của đường đặc tính cơ. Hay nói cách khác  càng lớn
thì càng tốt.
d) Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ:
Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ. Độ liên tục
khi điều chỉnh tốc độ  được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề
nhau:
 = n
i
/n
i+1

trong đó:
- n
i
: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i.
- n
i + 1
: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 ).
Với n
i

và n
i + 1
đều lấy tại một giá trò mômen nào đó.
 tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên
tục. Lúc này hai cấp tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi
là điều chỉnh tốc độ vô cấp.
  1 : Hệ thống điều chỉnh có cấp.
e) Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ:
Hệ thống truyền động điện có chất lượng cao là một hệ thống có
hiệu suất làm việc của động cơ  là cao nhất khi tổn hao năng lượng
P
phu
ï ở mức thấp nhất.
f) Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ:
Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện có tính kinh tế cao
nhất là một hệ thống điều chỉnh phải thỏa mãn tối đa các yêu cầu kỹ
thuật của hệ thống. Đồng thời hệ thống phải có giá thành thấp nhất, chi
phí bảo quản vận hành thấp nhất, sử dụng thiết bò phổ thông nhất và
các thiết bò máy móc có thể lắp ráp lẫn cho nhau.

II. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN:
1. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không
đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này
động cơ được gọi là động cơ kích từ song song.

Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 5

CKT
RKT
Rf
I
IKT
E









Sơ đồ nối dây của động cơ Sơ đồ nối dây của động cơ
kích từ song song kích từ độc lập

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện
phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau,
lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập.
a) Phương trình đặc tính cơ:
Theo sơ đồ trên có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch
phần ứng như sau:
U
ư
= E
ư
+ (R
ư

+ R
t
)I
ư
(1-1)
trong đó: U
ư
_ điện áp phần ứng.(V)
E
ư
_ sức điện động phần ứng.(V)
R
ư
_ điện trở của mạch phần ứng.(

)
R
t
_ điện trở phụ trong mạch phần ứng.(

)
I
ư
_ dòng điện mạch phần ứng.(A)
Với R
ư
= r
ư
+ r
cf

+ r
i
+ r
ct

r
ư
_ điện trở cuộn dây phần ứng.
r
cf
_ điện trở cuộn cực từ phụ.
r
b
_ điện trở cuộn bù.
r
ct
_ điện trở tiếp xúc của chổi điện.
Sức điện động E
ư
của phần ứng động cơ được xác đònh theo biểu thức:



 K
a
2
pN
E
ư
(1-2)

trong đó:
p _ số đôi cực từ chính,
N _ số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
a _ số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng,


_ từ thông kích từ dưới một cực từ, Wb.


_ tốc độ góc, rad/s.

Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 6

a
2
pN
K

 _ hệ số cấu tạo của động cơ.
Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vong/phút) thì


n
K
E
cư

(1-3)

và
55
.
9
n
60
n
2




Vì vậy
n
a
60
pN
E
ư



a
60
pN
K
c
 : Hệ số sức điện động của động cơ,

K105.0

55
.
9
K
K
c
 .
Từ đó ta có:

ư
fưư
I
K
R
R
K
U





 (1-4)
đây là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác mômen điện từ M
đt
của động cơ được xác đònh bởi:
M
đt
= K


I
ư
(1-5)

suy ra


K
M
I
đt
ư

thay giá trò I
ư
vào (1-4) ta được:


 
đt
2
fưư
M.
K
R
R
K
U





 (1-6)
Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục
động cơ bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M. Nghóa là M
đt
= M
cơ
= M.


 
M.
K
R
R
K
U
2
fưư





(1-7)
Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ
độc lập.
Giả thiết phần ứng được bù đủ, từ thông của động cơ

const


, thì
các phương trình đặc tính cơ điện (1-4) và phương trình đặc tính cơ (1-7)
là tuyến tính. Đồ thò của chúng được biểu diễn trên hình là những
đường thẳng.
Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 7
Iâm Inm I
Mâm Mnm M










o

o


đm


đm






Đặc tính cơ điện của động cơ điện Đặc tính cơ của động cơ điện
một chiều kích từ độc lập. một chiều kích từ độc lập.

Theo các đồ thò trên, khi I
ư
= 0 hoặc M = 0 ta có:

o
ư
K
U


 (1-8)
o
 được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. Còn khi
0
o
 ta có:

nm
fư
ư

I
RR
U
I 


(1-9)

và
nmnm
M
I
K
M

(1-
10)
I
nm
, M
nm
được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch.
Mặt khác, phương trình đặc tính (1-4), (1-7) cũng có thể được viết ở
dạng:






ư
I.
K
R
K
U
(1-
11)


 





o
2
ư
M.
K
R
K
U
(1-
12)
trong đó:




K
U
.RRR
ư
ofư


Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 8

 
M.
K
R
I.
K
R
2
ư







được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trò của M.
Ta có thể biểu diễn đặc tính cơ điện và đặc tính cơ trong hệ đơn vò
tương đối, với điều kiện từ thông là đònh mức



đm

,

trong đó
cbđmđmo
R
R
R,
M
M
M,
I
I
I, 






(
đm
đm
cb
I
U
R 

được gọi là điện trở cơ bản).
Từ (1-4), (1-7) ta viết được đặc tính cơ điện và đặc tính cơ ở đơn vò
tương đối:


 IR1
(1-
13)

 MR1
(1-14)

2. Xét ảnh hưởng các tham số đến đặc tính cơ:
Từ phương trình đặc tính cơ (1-7) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến
đặc tính cơ: từ thông động cơ

, điện áp phần ứng U
ư
và điện trở phần ứng
động cơ. Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số đó.
a) Ảnh hưởng của điện trở phần ứng:
Giả thiết U
ư
= U
đm
= const và
const
đm
 .
Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R

t

vào mạch phần ứng.
Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng:

const
K
U
đm
đm
o




Độ cứng của đặc tính cơ:


var
RR
K
M
fư
2
đm








Khi R
t
càng lớn,

càng nhỏ nghóa là đặc tính cơ càng dốc. Ứng với
R
f
= 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên:




ư
2
đm
TN
R
K

(1-
17)
Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 9
TN(Rn)
Rf1
Rf2
Rf3

Rf4
Mc
M
TN
m
U1
U2
TN

có giá trò lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất
cả các đường đặc tính có điện trở phụ.
Như vậy khi thay đổi điện trở phụ R
f
ta được một họ đặc tính biến
trở có dạng như hình vẽ.






o


Hình vẽ: Các đặc tính của động cơ một chiều
kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng

Ứng với một phụ tải M
c
nào đó, nếu R
f
càng lớn thì tốc độ cơ càng
giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm.
Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng
điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản.
b) Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:
Giả thiết từ thông
const
đm

, điện trở phần ứng R
ư
= const.
Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với U
đm
, ta có:

Tốc độ không tải:
var
K
U
đm

x
ox





Độ cứng đặc tính cơ:


const
R
K
ư
2
đm


 .
Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một
họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên.






o


Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 10


01




02




03



04





Hình vẽ: Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi
giảm áp đặt vào phần ứng động cơ.

Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch,
dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ cũng giảm ứng với

một phụ tải nhất đònh. Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để
điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động.
c) Ảnh hưởng của từ thông:
Giả thiết điện áp phần ứng U
ư
= U
đm
=const. Điện trở phần ứng R
ư
=
const. Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ I
kt
động cơ.
Trong trường hợp này:

Tốc độ không tải: var
K
U
x
đm
ox




Độ cứng đặc tính cơ:


var
R

K
ư
2
x



.
Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ
thông. Nên khi từ thông giảm thì
ox
 tăng, còn

sẽ giảm. Ta có một
họ đặc tính cơ với
ox
 tăng dần và độ của đặc tính giảm dần khi giảm
từ thông.
Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:

Dòng điện ngắn mạch:
const
R
U
I
ư
đm
nm


Mômen ngắn mạch:
var
I
K
M
nmxnm


Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 11
Inm
I
TN
Mc
Mnm2 Mnm1 Mnm M
Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông
được biểu diễn như hình vẽ:








02


02


2



01


2


01



0

1

0

1


đm


TN
,
đm




Hình vẽ: Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện
một chiều kích từ độc lập

Với dạng mômen của phụ tải M
c
thích hợp với chế độ làm việc của
động cơ thì khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên.











III. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH:
 Động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm so với các động cơ khác,
không những có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch
điều khiển đơn giản.
 Để điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều trong thực tế có 2 phương

pháp:
. Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ
. Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ
Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 12
 Đối với máy điện nhiều khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện
áp trên phần ứng thì mômen sẽ thay đổi. Do đó đó tốc độ sẽ thay đổi.
 Để điều chỉnh điện áp phần ứng ta phải dùng những bộ nguồn điện áp
như máy phát 1 chiều, bộ biến đổi van hay khuếch đại từ.
 Bộ biến đổi BD dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều của lưới thành
dòng 1 chiều và điều chỉnh giá trò suất điện động E
b
của nó theo yêu
cầu về các chỉ tiêu kó thuật và năng lượng, phương pháp điều áp được
đánh giá tốt. Trước hết nó là phương pháp điều chỉnh triệt để, nghóa là
nó có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào, kể cả khi không
tải lý tưởng. Phương pháp này đảm bảo được sai số tốc độ nhỏ, khả
năng quá tải lớn, dải điều chỉnh rộng và tổn năng lượng ít.
 Mặt khác, vì phần tử điều chỉnh đặt trong mạch điều khiển của bộ biến
đổi và mạch có công suất nhỏ nên tính điều khiển cao, thao tác nhẹ
nhàng và có khả năng cải thiện hệ thành tự động vòng kín.
 Nhược điểm lớn nhất của phương pháp điều áp là phải dùng bộ biến đổi
điều khiển khá phức tạp nên vốn đầu tư cơ bản cao và vận hành phí cao.
 Tuy nhiên, nhờ những ưu điểm đã nêu, phương pháp này tạo ra cho
máy sản xuất một năng suất cao, đồng thời tổn thất năng lượng ít nên
thời gian hoàn vốn nhanh. Do đó phương pháp điều áp được sử dụng
rộng rãi, chính vì vậy nó đem lại cho động cơ 1 chiều một vò trí quan
trọng trong thực tế mà máy điện xoay chiều rất khó cạnh tranh.
 Cấu trúc mạch động lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ

điện 1 chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp
cho phần ứng của động cơ hoặc mạch kích từ của động cơ. Hiện nay,
trong công nghiệp sử dụng các bộ biến đổi chính:
 Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát 1 chiều hoặc
máy điện khuếch đại (KĐM)
 Bộ biến đổi điện từ: khuếch đại từ (KĐT)
 Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : chỉnh lưu Tiristor (CLT)
 Bộ biến đổi xung áp 1 chiều: Tiristor hoặc Transitor (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 – động cơ (MĐKĐ – Đ)
 Hệ truyền động khuếch đại từ – động cơ (KĐT – ĐC)
 Hệ truyền động chỉnh lưu Tiristor – động cơ (T – Đ)
 Hệ truyền động xung áp – động cơ (XA – ĐC).
Theo cấu trúc mạch điều khiển các hệ truyền động, điều chỉnh tốc độ
động cơ một chiều có loại điều khiển theo mạch chính (ta có hệ truyền
động điều chỉnh tự động) và loại điều khiển mạch hở (hệ truyền động điều
khiển “hở”). Hệ điều chỉnh tự động truyền động điện có cấu trúc phức tạp,
Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 13
k
BBÂ
LK
~
Â
Rb
Rỉâ
Eb(k)
u

E
ỉ
nhưng có chất lượng điều chỉnh cao và dải điều chỉnh rộng hơn so với hệ
truyền động “hở”.
Ngoài ra các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều còn
được phân loại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều
quay. Đồng thời tùy thuộc vào các phương pháp hãm, đảo chiều mà ta có
truyền động làm việc ở một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần
tư.
Trong phần này, chúng ta nghiên cứu các tính chất tổng quát, cũng như
tính chất riêng của từng hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ một
chiều.

1. Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng:
Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bò
nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều
khiển v.v Các thiết bò nguồn này có chức năng biến năng lượng điện
xoay chiều thành một chiều có sức điện động E
b
điều chỉnh được nhờ tín
hiệu điều khiển U
đk
. Vì là nguồn có công suất hữu hạn so với động cơ nên
các bộ biến đổi này có điện trở trong R
b
và điện cảm L
c
khác không.

Hình: Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập

Ở chế độ xác lập có thể viết được phương trình đặc tính của hệ thống
như sau:
E
b
– E
ư
= I
ư
(R
b
+ R
ưđ
)

 








M
U
I.
.K
R
R
.K
E
đko
ư
đm
ưđb
đm
b

Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ
cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng thì tùy thuộc vào giá trò điện
áp điều khiển U
đk
của hệ thống, do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh
này là triệt để.
Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 14
Mâm
Mnm min
M,I
0
Để xác đònh giải điều chỉnh tốc độ ta để ý rằng tốc độ lớn nhất của hệ
thống bò chặn bởi đặc tính cơ bản, là đặc tính ứng với điện áp phần ứng

đònh mức và từ thông cũng được giữ ở giá trò đònh mức. Tốc độ nhỏ nhất
của dải điều chỉnh bò giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và về mômen
khởi động. Khi mômen tải là đònh mức thì các giá trò lớn nhất và nhỏ nhất
của tốc độ là:





đm
minomin
đm
maxomax
M
M

Để thỏa mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh
phải có mômen ngắn mạch là:


đmMmaxcminnm
M
.
K
M
M

,
trong đó K
M

là hệ số quá tải về mômen. Vì họ đặc tính cơ là các đường
thẳng song song nhau, nên đònh nghóa về độ cứng đặc tính cơ có thể viết:


   
1K
M
1
MM
M
đm
đmminnmmin







 
1K
1
M
.
/M1K
M
D
M
đm
maxo

đmM
đm
maxo















maxo



max


1đk


đki








Hình: Xác đònh phạm vi điều chỉnh
Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 15

Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trò
maxo
 , M
đm
, K
M
là xác đònh, vì
vậy phạm vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào giá trò của độ cứng

.
Khi điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ bằng các thiết bò nguồn điều
chỉnh thì điện trở tổng mạch phần ứng gấp khoảng hai lần điện trở phần
ứng động cơ. Do đó có thể tính sơ bộ được:

10M/.
đmmaxo


Vì thế với tải có đặc tính mômen không đổi thì giá trò phạm vi điều
chỉnh tốc độ cũng không vượt quá 10. Đối với các máy có yêu cầu cao về
dải điều chỉnh và độ chính xác duy trì tốc độ làm việc thì việc sử dụng các
hệ thống “hở” như trên là không thỏa mãn được.
Trong phạm vi phụ tải cho phép có thể coi các đặc tính cơ tónh của
truyền động một chiều kích từ độc lập là tuyến tính. Khi điều chỉnh điện áp
phần ứng thì độ cứng các đặc tính cơ trong toàn dải điều chỉnh là như nhau,
do đó độ sụt tốc tương đối sẽ đạt giá trò lớn nhất tại đặc tính thấp nhất của
dải điều chỉnh. Hay nói cách khác, nếu tại đặc tính cơ thấp nhất của dải
điều chỉnh mà sai số tốc độ không vượt quá giá trò sai số cho phép, thì hệ
truyền động sẽ làm việc với sai số luôn nhỏ hơn sai số cho phép trong toàn
bộ dải điều chỉnh. Sai số tương đối của tốc độ ở đặc tính cơ thấp nhất là:


cp
mino
đm
minomino
minmino
s
.
M
s
s












Vì các giá trò M
đm
,
mino
 , s
cp
là xác đònh nên có thể tính được giá trò tối
thiểu của độ cứng đặc tính cơ sao cho sai số không vượt quá giá trò cho
phép. Để làm việc này, trong đa số các trường hợp cần xây dựng các hệ
truyền động điện kiểu vòng kín.
Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì từ thông kích từ
được giữ nguyên, do đó mômen tải cho phép của hệ sẽ là không đổi:


đmđmđmcp.c
M
I
.
K
M

Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen nằm trong hình chữ nhật bao bởi
các đường thẳng
đmđm

M
M
,

và các trục tọa độ. Tổn hao năng lượng
chính là tổn hao trong mạch phần ứng nếu bỏ qua các tổn hao không đổi
trong hệ.

Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 16
M
Mâm
1
1
x= -1
x=0
E
b
= E
ư
+ I
ư
(R
b
+ R
ưđ
),
I
ư

E
b
= I
ư
E
ư
+ I
ư
2
(R
b
+ R
ưđ
).
Nếu đặt R
b
+ R
ưđ
= R thì hiệu suất biến đổi năng lượng của hệ sẽ là:


 













R
M
K
MR
RIEI
E
I
ư
2
đm
2
ưưư
ưư
ư

Khi làm việc ở chế độ xác lập ta có mômen do động cơ sinh ra đúng
bằng mômen tải trên trục: M
*
= M
c
*
và gần đúng coi đặc tính cơ của phụ
tải là


x

c
M


thì


 
1x
ư
.R














đm


ư




Hình: Quan hệ giữa hiệu suất truyền động và tốc độ với các loại tải khác
nhau.

Hình trên mô tả quan hệ giữa hiệu suất và tốc độ làm việc trong các
trường hợp đặc tính tải khác nhau. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi
điện áp phần ứng là rất thích hợp trong các trường hợp mômen tải là hằng
số trong toàn dải điều chỉnh. Cũng thấy rằng không nên nối thêm điện trở
phụ vào mạch phần ứng vì như vậy sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất của hệ.

2. Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ:
Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 17
Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều
chỉnh mômen điện từ của động cơ
ư
I
K
M
 và sức điện động quay của
động cơ 

K
E
ư
. Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến, vì vậy hệ
điều chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến:

dt
d
.
rr
e
i
k
kb
k
k



 ,
trong đó r
k
_ điện trở dây quấn kích thích,
r
b
_ điện trở của nguồn điện áp kích thích,

k
 _ số vòng dây của dây quấn kích thích.
Trong chế độ xác lập ta có quan hệ:

 
k
kb
k
k
if;
rr
l
i 


Thường khi điều chỉnh từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên
bằng giá trò đònh mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ
thông chỉnh là đặc tính có điện áp phần ứng đònh mức, từ thông đònh mức
và được gọi là đặc tính cơ bản (đôi khi chính là đặc tính tự nhiên của động
cơ). Tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bò hạn chế bởi khả năng
chuyển mạch của cổ góp điện. Khi giảm từ thông đêt tăng tốc độ quay của
động cơ thì đồng thời điều kiện chuyển mạch của cổ góp cũng bò xấu đi, vì
vậy để bảo đảm điều kiện chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm
dòng điện phần ứng cho phép, kết quả là mômen cho phép trên trục động
cơ giảm rất nhanh. Ngay cả khi giữ nguyên dòng điện phần ứng thì đặc
tính cơ cũng giảm rất nhanh khi giảm từ thông kích thích:




ư
2
R

K


hay


2



 .
Do điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm từ thông nên đối với các động cơ
mà từ thông đònh mức nằm ở chỗ tiếp giáp giữa vùng chuyển tính và vùng
bão hòa của đặc tính từ hoá thì có thể coi việc điều chỉnh là tuyến tính và
hằng số C phụ thuộc vào thông số kết cấu của máy điện:


k
kb
k
e
rr
C
i.C




3. Hệ truyền động MF-DC: (F – Đ)
Phần ứng của động cơ điện 1 chiều được cung cấp từ 1 máy phát điện

riêng có khả năng biến đổi sức điện động trong 1 phạm vi riêng, máy phát
này do động cơ sơ cấp không đồng bộ 3 pha quay và có tốc độ quay của
máy phát là không đổi.
Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 18
KT
DM F Â
. Ưu điểm nổi bật của hệ truyền động F – Đ là việc chuyển đổi
trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng điều chỉnh vận tốc
tương đối rộng, khả năng quá tải lớn.
. Nhược điểm quan trọng của hệ F – Đ là dùng nhiều máy điện
quay trong đó ít nhất là 2 máy điện 1 chiều, gây tiếng ồn lớn,
công suất lắp máy ít nhất phải gấp 3 lần công suất động cơ chấp
hành. Ngoài ra do máy phát 1 chiều có từ dư, đặc tính từ hóa có
trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ.

4. Hệ truyền động khuếch đại từ động cơ:

A B C







Sơ đồ nguyên lý:
 Khuếch đại từ được dùng rộng rãi trong kỹ thuật để điều chỉnh dòng
điện và điện áp. Trong trường hợp này người ta dùng nó để điều chỉnh
điện áp đặt vào phần ứng động cơ 1 chiều ĐM.
 Phần tử điều chỉnh chủ yếu là KĐT là cuộn kháng bão hòa được nối
theo sơ đồ trên. Trong mạch làm việc người ta nối các điốt làm nhiệm
vụ chỉnh lưu cho phụ tải và tạo ra thành phần dòng từ hoá KĐT.
Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 19
 Điện áp chỉnh lưu trên đầu ra của khuếch đại từ được điều chỉnh bằng
các biến đổi dòng trong cuộn dây điều khiển của nó. Cuộn đó có thể
quấn bao tất cả các lõi của KĐT như bằng cách biến đổi dòng điều
khiển ta sẽ biến đổi được mật độ từ thông trong lõi từ ở nửa cuối chu kì
điều khiển ( tức nửa chu kì làm việc). Chính mật độ từ thông này quyết
đònh góc bão hòa
s

. Đối với khuếch đại từ lý tưởng trò số của suất điện

động chỉnh lưu:
E
KĐT
= )cos1(
2
Un
s
m1



 Việc đảo chiều quay động cơ được thực hiện bằng cách đảo chiều kích
từ hoặc đổi các dấu dòng phần ứng động cơ.
+ Ưu điểm: hệ thống này hiệu suất trung bình cao hơn hệ thống F – Đ
nhưng thấp hơn T – Đ.
+ Nhược điểm: khi dùng hệ thống để cấp điện áp cho động cơ điện 1
chiều, việc dùng hệ biến đổi khuếch đại từ có cực tính điện áp ra
thay đổi là không kinh tế, nên việc đảm bảo chiều quay được thực
hiện bằng việc thực hiện đảo chiều đầu dây phần ứng hoặc đảo
chiều dòng kích từ. Do đó, việc đảo chiều mất nhiều thời gian.



KĐT

T N

N T

ĐM

5. Hệ truyền động T – Đ:
Hiện nay người ta sử dụng rộng rãi các bộ biến đổi van điều khiển để
biến năng lượng điện xoay chiều thành điện 1 chiều để cung cấp cho các
động cơ điện 1 chiều. Tốc độ động cơ điều chỉnh bằng cách thay đổi điện
áp chỉnh lưu bằng cách thay đổi thời điểm thông van.
 Ưu điểm: ưu điểm nổi bật của hệ T – Đ là độ tác động nhanh không
gây ồn và dễ tự động hóa, do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công
suất rất cao, điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập cho hệ thống tự
Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 20
động điều chỉnh nhiều vùng để nâng cao chất lượng đặc tính tónh và các
đặc tính động của hệ thống.
 Nhược điểm: chủ yếu do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng chỉnh
lưu của điện áp có biên độ đập mạch gây tổn hao phụ trong máy điện.
Hệ số công suất cos

của hệ nói chung là thấp. Tính dẫn điện 1 chiều
của van buộc ta phải sử dụng 2 bộ biến đổi để cấp điện cho động cơ có đảo
chiều quay.

6. Chọn phương án:
 Trong thực tế truyền động nào có ưu điểm thì cũng có nhược điểm khác.
Do đó tùy trường hợp thực tế cụ thể người ta chọn phương án truyền
động cho phù hợp và trên nguyên tắc nhược điểm là ít nhất.
 Trong phần đồ án này ta dùng hệ truyền động T – Đ.

Phần II: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG ÁN ĐÃ CHỌN

Nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ truyền động T – Đ đảo chiều:
 Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ
 Giữ nguyên dòng kích từ và đảo chiều dòng phần ứng nhưng được phân
ra 4 sơ đồ chính:
. Truyền động dùng 1 bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều
quay bằng cách đảo chiều dòng kích từ
. Truyền động dùng 1 bộ biến đổi cấp cho phần ứng cà đảo chiều
quay bằng công tắc từ chuyển mạch ở phần ứng ( từ thông giữ không
đổi)
. Truyền động dùng 2 bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riêng
Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 21

. Truyền động dùng 2 bộ biến đổi nối song song ngược điều khiển
chung
Tuy nhiên, mỗi loại sơ đồ đều có ưu nhược điểm riêng và thích hợp với
từng loại tải và công nghệ.
Ta chọn bộ truyền động dùng 2 bộ biến đổi nối song song ngược điều khiển
chung, bởi nó dùng cho dãi công suất vừa và lớn có tần số đảo chiều cao và
thực hiện đảo chiều êm hơn.

1. Sơ đồ nguyên lý làm việc:
Sơ đồ gồm 2 bộ biến đổi G
1
và G
2
, đấu song song ngược với các cuộn
kháng cân bằng L
c
. Từng bộ biến đổi có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu
hoặc nghòch lưu.
Cả 2 bộ biến đổi G
1
và G
2
đều nhận được xung mở tại mọi thời điểm.
Ta gọi
1
 là góc mở đối với G
1
,
2
 là góc mở đối với G

2
, thì sự phối hợp
giữa 2 giá trò
1
 và
2
 phải được thực hiện theo quan hệ:

1
 +
2

= 180
o

Sự phối hợp này là tuyến tính
 Giả sử ta cần động cơ quay thuận ta cho G
1
làm việc ở chế độ chỉnh lưu
1

=
o
900
, U
d
> 0, G
2
làm việc ở chế độ nghòch lưu U
i2

< 0 bấy giờ
2

>
o
90
U
d1
= U
o
cos
1

> 0
U
i2
= U
o
cos
2
 < 0
Cả 2 điện áp U
d1
và U
i2
đều đặt lên phần ứng của động cơ. Động cơ chỉ
tuân theo U
d1
và quay thuận. Động cơ không thể quay ngược theo U
i2

vì
các tiristor không thể cho dòng chạy qua.














Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 22
0°
30°
60°
90°
120°
150°
180°
uc2
uc1

L

c
L
c


L
c
L
c










Sơ đồ mạch hệ T-D có đảo chiều






0


0

o
180
o
180




Biểu đồ phối hợp tuyến tính

Khi
1
 =
2
 =
o
90
thì U
d1
= U
d2
= 0. Lúc này điện áp đặt lên phần ứng
của động cơ bằng không. Động cơ ở trạng thái dừng.

Giả sử U
c
là điện áp điều khiển ở bộ điều khiển cần khởi động ĐM
quay thuận ta cho U
c
= U
c1


1
 =
o
30
,
o
1
o
2
150180 
U
d1
=
o
U
2
3
, U
i2
=
o

U
2
3

G
1
làm việc ở chế độ chỉnh lưu, còn G
2
làm việc ở chế độ đợi
Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 23
1 3 5
Nếu bây giờ cần giảm chế độ quay của động cơ ta cho U
c
= U
c2
, các
góc mở
o
1
60
,
o
2
120
,
o1d
U
2

1
U 

,
o2i
U
2
1
U 

. Lúc này do quán
tính, nên sức điện động E của động cơ vẫn còn giữ nguyên trò số ứng với
trạng thái trước đó,
1d
UE



> bộ biến đổi G
1
bò khoá lại.
Mặt khác,
2i
UE

 nên bộ biến đổi G
2
làm việc ở chế độ nghòch lưu phụ
thuộc, trả năng lượng tích luỹ trong động cơ về nguồn điện xoay chiều.
Dòng điện phần ứng đổi dấu, chảy từ M vào G

2
động cơ bò hãm tái sinh,
tốc độ giảm xuống giá trò tương ứng với
1d
U

.
Nếu cho điện áp điều khiển U
c
< 0 thì G
2
sẽ làm việc ở chế độ chỉnh
lưu, còn G
1
làm việc ở chế độ nghòch lưu phụ thuộc.
Đặc điểm của sơ đồ đảo dòng đang xét là có 1 dòng điện lúc thì chảy từ
G
1
vào G
2
, lúc thì chảy từ G
2
vào G
1
mà không qua mạch tải. Người ta gọi
nó là dòng tuần hoàn.
Dòng tuần hoàn làm cho MBA và các tiristor sẽ làm việc nặng nề hơn,
để hạn chế dòng điện tuần hoàn người ta dùng 1 điện cảm L
c
.

Giá trò trung bình của dòng tuần hoàn:
)cos(sin
X
U63
I
111
c
*
2
cc



Đặt
ccm
cc
*
cc
I
I
I 
: gọi là giá trò tương đối của dòng điện tuần hoàn
Trong đó:
c
*
2
ccm
X
U6
I  : giá trò cực đại của dòng tuần hoàn

Quan hệ
)(fI
1
cc
*

được trình bày trên hình vẽ. Điện cảm L
c
phải được
tính toán sao cho giá trò trung bình của dòng điện tuần hoàn trong trường
hợp xấu nhất không vượt quá giá trò đònh mức của I
d
.













1


Đồ án Điện tử Công suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 24
0
0.1
0.2
0.3
0.9
30 60
90 120 150
180
o o o
o
oo



o
1
30




2

o
2
180


Đồ án Điện tử Cơng suất GVHD: NGUYỄN MẠNH HÀ

SVTH: LÊ VĂN NGHĨA Trang: 25
Phần III: TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC

A B C

1. Chọn động cơ điện 1 chiều:
Có các thông số:
P
đm
= 31.5 kW
U
đm
= 220 V

đm
 = 0.95
Tốc độ của rôto:
đm
n
= 1500 vòng/phút.
*
Điện áp chỉnh lưu không tải bao gồm:


SBrddo
U
U
U

U
U
U

