đồ án mạch và thiết bị điện tử '''' điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ''''

Đồ án mạch và thiết bị điện tử Điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều
Đồ án mạch và thiết bị điện tử " Điều
chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều "
Đồ án mạch và thiết bị điện tử Điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều
MỤC LỤC
Đồ án mạch và thiết bị điện tử Điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều
Nhóm sinh viên thực hiên : 1 Vũ Thành Long
2 Tạ Quốc Mạnh
Khóa : 2010-2014
Ngành đào tạo : kỹ thuật điện
Tên đề tài :Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
• Động cơ điện một chiều :
Trong nền sản xuất hiện nay, động cơ điện Không Đồng Bộ đang chiếm ưu thế so
với động cơ điện một chiều. Đó là do sự ra đời của các máy biến tần, tuy vậy việc điều
chỉnh tốc độ động cơ điện Không Đồng Bộ vẫn còn là việc khó khăn. Do vậy, động cơ
điện một chiều với đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt vẫn còn được dùng nhiều trong
trong các ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ.
Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu về động cơ điện một chiều dưới các góc độ :
• Nguyên lí hoạt động
• Cấu tạo chung
• Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
1. CẤU TẠO CHUNG.
Động cơ điện một chiều bao gồm hai phần chính là:
• Phần tĩnh: Stato.
• Phần quay: Roto.
1.1. STATO.
Đây là phần đứng yên của máy. Phần tĩnh bao gồm các bộ phận sau: cực
từ chính, cực từ phụ, gông từ và các bộ phận khác.
Đồ án mạch và thiết bị điện tử Điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều
a. Cực từ chính.
Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ

lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ được làm bằng các lá thép KTĐ hay thép
cácbon dày 0.5 đến 1 mm ép lại và tán chặt.
Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn
dây đều được bọc cách điện thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt
lên trên các cực từ. Các cuộn dây này được nối nối tiếp với nhau.
b. Cực từ phụ.
Cực từ phụ được đặt giữa các cực tù chính và dùng để cải thiện đổi chiều.
Lõi thép của cực tù 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. Cực từ phụ được
gắn vào vỏ nhờ các bulông.
c. Gông từ.
Gông từ được dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ , đồng thời làm vỏ
máy.
d. Các bộ phận khác.
Ngoài ba bộ phận chính trên còn có các bộ phận khác như: Nắp máy, cơ
cấu chổi than.
• Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hỏng dây
quấn hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện.
• Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi
than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên
cổ góp. Hộp chổi than được cố định lên giá chổi than và cách điện với giá
đó. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than đúng chỗ.
1.2. Roto.
Roto của động cơ điện một chiều bao gồm các bộ phận sau: lõi sắt phần
ứng, dây quấn phần ứng, cổ góp và các bộ phận khác.
Đồ án mạch và thiết bị điện tử Điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều
a. Lõi sắt phần ứng.
Dùng để dẫn từ. Thường làm bằng những tấm thép KTĐ (thép hợp kim
silix) dày 0.5 mm bôi cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao
do dòng điện xoáy gây nên.

b. Dây quấn phần ứng.
Là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần
ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ (công
suất dưới vài kilowatt) thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và
lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với
rãnh của lõi thép.
Để tránh khi bị văng ra do sức li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè
chặt hoặc phải đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay ba-ke-lit.
2.Nguyên lí chung:
Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý của hiện tượng cảm ứng
điện từ.
Như ta đã biết thanh dẫn có dòng điện đặt trong từ trường sẽ chịu tác
dụng lực từ. Vì vậy khi cho dòng điện một chiều đi vào chổi than A và đi ra ở chổi
than B thì các thanh dẫn sẽ chịu tác dụng của lực từ. Bên cạnh đó do dòng điện
chỉ đi vào thanh dẫn nằm dưới cực N và đi ra ở các thanh dẫn chỉ nằm trên cực
S nên dưới tác dụng của từ trường lên các thanh dẫn sẽ sinh ra mô men có
chiều không đổi và làm cho roto của máy quay.
I
Đồ án mạch và thiết bị điện tử Điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều
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. Để tiến hành mở máy, đặt mạch
kích từ vào nguồn U
kt
, dây cuốn kích từ sinh ra từ thông Φ. Trong tất cả các
trường hợp, khi mở máy bao giờ cũng phải đảm bảo có Φ
max
tức là phải giảm
điện trở của mạch kích từ R
kt

đến nhỏ nhất có thể. Cũng cần đảm bảo không xảy
ra đứt mạch kích thích vì khi đó Φ = 0, M = 0, động cơ sẽ không quay được, do
đó E
ư
= 0 và theo biểu thức U = E
ư
+ R
ư
I
ư
thì dòng điện I
ư
sẽ rất lớn làm cháy
động cơ. Nếu mômen do động cơ điện sinh ra lớn hơn mômen cản (M > M
c
) rôto
bắt đầu quay và suất điện động E
ư
sẽ tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n. Do sự xuất
hiện và tăng lên của E
ư
, dòng điện I
ư
sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm
hơn.
3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình sau:
nn
C
RRIU

C
E
n
e
fuu
e
∆−=
+−
==
0
.
)(
.
θθ
với







+
=∆
=
θ
θ
.
).(
.

0
e
fuu
e
C
RRI
n
C
U
n
hay
2
).(
.
θ
θ
eM
fu
e
CC
MRR
C
U
n
+
−=
Từ hai phương trình trên ta thấy n (tốc độ của động cơ) phụ thuộc vào θ
(từ thông), R (điện trở phần ứng), U (điện áp phần ứng). Vì vậy để điều chỉnh tốc
độ của động cơ điện một chiều ta có bốn phương án.
• Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông θ

• Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi bằng cách thay đổi điện trở phụ R
f
trên mạch phần ứng.
• Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.
• Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp PWM
Đồ án mạch và thiết bị điện tử Điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều
3.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông θ
M(I
ư
)

θ
δ
’’’
θ
δ
’’
θ
δ
’
θ
δđm
n (vòng/phút)

n
0
’’’

n
0

’’

n
0
’

n
0đm
M
đm
(I
đm
)
Đồ thị hình trên cho thấy đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều ứng với
các giá trị khác nhau của từ thông. Khi từ thông giảm thì n
0
tăng nhưng ∆n còn
tăng nhanh hơn do đó ta mới thấy độ dốc của các đường đặc tính cơ này khác
nhau. Chúng sẽ cùng hôi tụ về điểm trên trục hoành ứng với dòng điện rất lớn: I
ư
= (U/R
ư
). Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ định mức.
Giới hạn trong việc điều chỉnh tốc độ quay bằng phương pháp này là 1:2; 1:5;
1:8.
Tuy nhiên có nhược điểm khi sử dụng phương pháp là phải dùng các biện
pháp khống chế đặc biệt do đó cấu tạo và công nghệ chế tạo phức tạp, khiến giá
thành máy tăng.
3.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ R
f

trên mạch phần
ứng.
Ta có:
Đồ án mạch và thiết bị điện tử Điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều

2
).(
.
θ
θ
eM
fu
e
CC
MRR
C
U
n
+
−=
Từ thông không đổi nên n
0
không đổi, chỉ có ∆n là thay đổi. Một điều dễ
thấy nữa là, do ta chỉ có thể đưa thêm R
f
chứ không thể giảm R
ư
nên ở đây chỉ
điều chỉnh được tốc độ dưới tốc độ định mức.
Do R

f
càng lớn đặc tính cơ càng mềm nên tốc độ sẽ thay đổi nhiều khi tải
thay đổi (từ đồ thị cho thấy, khi I biến thiên thì ứng với cùng dải biến thiên của I
đường đặc tính cơ nào mềm hơn tốc độ sẽ thay đổi nhiều hơn).
Tuy nhiên phương pháp này làm tăng công suất và giảm hiệu suất.
n (vòng/phút)

n
0
R
f0
R
f1
R
f2
R
f3
M
đm
(I
đm
)
M(I
ư
)

3.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.
n (vòng/phút)

M(I

ư
)

4
2
3
1 (U
đm
)
M
đm
(I
đm
)
Đồ án mạch và thiết bị điện tử Điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều
Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ cả trên và dưới định mức. Tuy
nhiên do cách điện của thiết bị thường chỉ tính toán cho điện áp định mức nên
thường giảm điện áp U. Khi U giảm thì n
0
giảm nhưng ∆n là const nên tốc độ n
giảm. Vì vậy thường chỉ điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức. Còn nếu lớn
hơn thì chỉ điều chỉnh trong phạm vi rất nhỏ.Đặc điểm quan trọng của phương
pháp là khi điều chỉnh tốc độ thì mô men không đổi vì từ thông và dòng điện
phần ứng đều không thay đổi (M = C
M
. θ. I
ư
).Phương pháp cho phép điều chỉnh
tốc độ trong giới hạn 1:10, thậm chí cao hơn nữa có thể đến 1:25.Phương pháp
chỉ dùng cho động cơ điện một chiều kích thích độc lập hoặc song song làm việc

ở chế độ kích từ độc lập.Điều chỉnh động cơ DC bằng PWM chính là sử dụng
phương pháp này
3.3 Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp PMW
Phương pháp điều chế PWM ( Pulse Width Modulation) là phương pháp điều
chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay
đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đếm sự thay đổi điện áp ra
Để dễ hiểu hơn ta có hình vẽ sau :
Đồ án mạch và thiết bị điện tử Điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều
Sơ đồ trên là dạng xung điều chế trong 1 chu kì thì thời gian xung lên (Sườn
dương) nó thay đổi dãn ra hoặc co vào. Và độ rộng của nó được tính bằng phần
trăm tức là độ rộng của nó được tính như sau :
độ rộng = (t1/T).100 (%)
Như vậy thời gian xung lên càng lớn trong 1 chu kì thì điện áp đầu ra sẽ càng
lớn. Nhìn trên hình vẽ trên thì ta tính được điện áp ra tải sẽ là :
+ Đối với PWM = 25% ==> Ut = Umax.(t1/T) = Umax.25% (V)
+ Đối với PWM = 50% ==> Ut = Umax.50% (V)
+ Đối với PWM = 75% ==> Ut = Umax.75% (V)
Cứ như thế ta tính được điện áp đầu ra tải với bất kì độ rộng xung nào.
4. CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỘNG CƠ
1.Chỉ tiêu kỹ thuật
• Động cơ được chọn phải thích ứng với môi trường làm việc:
• Tuỳ theo môi trường: khô - ướt, sạch - bẩn, nóng - lạnh, hoá chất ăn
mòn, dễ nổ, , mà chọn các động cơ kiểu: hở - kín, chống nước,
chống hoá chất, chống nổ, nhiệt đới hoá,
• Động cơ được chọn phải thoả mãn điều kiện phát nóng khi làm việc
bình thường cũng như khi quá tải (đây là điều kiện cơ bản)
• Động cơ được chọn phải đảm bảo tốc độ yêu cầu: tốc độ định mức,
có điều chỉnh tốc độ hay không, phạm vi điều chỉnh tốc độ, điều
chỉnh trơn hay điều chỉnh có cấp.
• Chọn loại động cơ thông dụng hay động cơ có điều chỉnh tốc độ.

• Động cơ được chọn phải đảm bảo khởi động, hãm, đảo chiều tốt.
2.Chỉ tiêu kinh tế
• Động cơ được chọn phải làm việc với hiệu suất kinh tế cao.
• Vốn đầu tư bé, chi phí vận hành ít.
Từ các phương pháp trên,dủa vào những thong số và cấu tạo của mạch đồ
án,chúng em chon “Phương pháp điều chỉnh tốc độc động cơ một chiều bằng
phương pháp PMW”
Đồ án mạch và thiết bị điện tử Điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều
5.Phương pháp PMW
1. Nguyên lý của PWM.
Đây là phương pháp được thực hiện theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn tới tải và
một cách có chu kì theo luật điều chỉnh thời gian đóng cắt. Phần tử thực hiện
nhiện vụ đó trong mạch các van bán dẫn.
Xét hoạt động đóng cắt của một van bán dẫn. Dùng van đóng cắt bằng Mosfet




Đồ án mạch và thiết bị điện tử Điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều
Trên là mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM và giản đồ xung của chân điều
khiển và dạng điện áp đầu ra khi dùng PWM.
* Nguyên lý : Trong khoảng thời gian 0 - to ta cho van G mở toàn bộ điện áp
nguồn Ud được đưa ra tải. Còn trong khoảng thời gian to - T cho van G khóa, cắt
nguồn cung cấp cho tải. Vì vậy với to thay đổi từ 0 cho đến T ta sẽ cung cấp toàn
bộ , một phần hay khóa hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải.
+ Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :
Gọi to là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở )còn T là thời gian của cả sườn
âm và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải.
==> Ud = Umax.( t1/T) (V) hay Ud = Umax.D
với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng %

Như vậy ta nhìn trên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có : Điện áp trùng bình
trên tải sẽ là :
+ Ud = 12.20% = 2.4V ( với D = 20%)
+ Ud = 12.40% = 4.8V (Vói D = 40%)
+ Ud = 12.90% = 10.8V (Với D = 90%)
2.Cách điều khiển độ rộng xung của PWM
Có rất nhiều cách để điều chỉnh độ rộng xung đầu ra cho PWM .Với sơ đồ của
đề tài này thì độ rộng xung đầu ra được điều chỉnh theo phương pháp so sánh
Để tạo được bằng phương pháp so sánh thì cần 2 điều kiện sau đây :
+ Tín hiệu răng cưa : Xác định tần số của PWM
+ Tín hiệu tựa là một điện áp chuẩn xác định mức công suất điều chế (Tín hiệu
DC)
Xét sơ đồ mạch sau :
Đồ án mạch và thiết bị điện tử Điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều

Chúng ta sử dụng một bộ so sánh điện áp 2 đầu vào là 1 xung răng cưa (Saw)
và 1 tín hiệu 1 chiều (Ref)
+ Khi Saw < Ref thì cho ra điện áp là 0V
+ Khi Saw > Ref thì cho ra điện áp là Urmax
Và cứ như vậy mỗi khi chúng ta thay đổi Ref thì Output lại có chuỗi xung độ rộng
D thay đổi với tần số xung vuông Output = tần số xung răng cưa Saw.
3.Ưu nhược điểm của mạch PWM dùng làm mạch điều khiển động cơ DC:
Ưu điểm:
- Transistor ở lối ra chỉ có duy nhất hai trạng thái (ON hoặc OFF) do đó loại bỏ
được mất mát về năng lượng đốt nóng hay năng lượng rò rỉ tại lối ra.
- Dải điều khiển rộng hơn so với mạch điều chỉnh tuyến tính.
- Tốc độ mô tơ quay nhanh hơn khi cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM so
với khi cấp một điện áp tương đương với điện áp trung bình của chuỗi xung
PWM.
Nhược điểm:

Đồ án mạch và thiết bị điện tử Điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều
- Cần các mạch điện tử bổ trợ - giá thành cao
- Các xung kích lên 12 Volt có thể gây nên tiếng ồn nếu mô tơ không được gắn
chặt và tiếng ồn này sẽ tăng lên nếu gặp phải trường hợp cộng hưởng của vỏ.
- Ngoài ra việc dùng chuỗi xung điều chế PWM có thể làm giảm tuổi thọ của mô
tơ.
SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH ĐIỀU KHIỂN
mạch
lặp
Tạo
xung
vuông
Tạo xung
răng cưa
Mạch
so
sánh
Van
động
lực
Đồ án mạch và thiết bị điện tử Điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều