đề tài thiết kế hệ thống truyền động hệ t – đ có đảo chiều dùng chỉnh lưu cầu ba pha

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Trường Đại Học Bách Khoa

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

*****

*****

NHIỆM VỤ
THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên : Nguyễn Minh Ánh

lớp : 03DTD

Ngành : Tự Động Đo Lường

Khoa Điện Trường ĐHBK Đà nẵng

Giáo viên hướng dẫn : ThS . Khương Công Minh

ĐỀ TÀI :

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG
HỆ T – Đ CÓ ĐẢO CHIỀU DÙNG CHỈNH
LƯU CẦU BA PHA

MỤC LỤC
I. ĐỀ TÀI :

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG HỆ T – Đ
CÓ ĐẢO CHIỀU DÙNG CHỈNH LƯU CẦU BA PHA
II. SỐ LIỆU CHO TRƯỚC :
Động cơ một chiều có các thơng số sau :
P = 32 Kw ;

Uđm = 220 V ;

Iđm = 166 A ;

Rư = 0,075 Ω ;

Jd = 2,7 Kg.m2 ;

Rkt = 95,5 Ω ;

Wkt = 1600 vòng ;

Iktđm = 1,64 A ;

nđm = 1500 vòng/phút ;
III. NHIỆM VỤ :
1 Tổng quan về động cơ điện một chiều và các phương pháp điều chỉnh tốc độ
động cơ điện một chiều .
2 Giới thiệu về bộ chỉnh lưu thyristor ba pha và bộ chỉnh lưu thyristor ba pha
hình cầu có đảo dịng .
3 Thiết kế mạch động lực và mạch điều khiển hệ T – Đ có đảo chiều dùng

chỉnh lưu cầu ba pha .
4 Dùng MATLAB – SIMULINK
5 Kết luận .
IV. SỐ BẢN VẼ :
V. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 18/02/2008 .
VI. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/05/2008 .
SV hoàn thành thiết kế tốt nghiệp
Đà nẵng , ngày … tháng … năm 2008

Đà nẵng , ngày … tháng … năm 2008

Giáo viên hướng dẫn

Sinh viên thực hiện


ThS. Khương Công Minh

Nguyễn Minh Ánh

Đà nẵng , ngày … tháng … năm 2008

Đà nẵng , ngày … tháng … năm 2008

Tổ trưởng bộ môn

Giáo viên duyệt

ThS. Lâm Tăng Đức

Nguyễn Kim Ánh

Đà nẵng , ngày … tháng … năm 2008
Chủ tịch hội đồng

Kết quả bảo vệ :.....................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................
................................................................................................................................

LỜI CẢM ƠN
Sau khi được nhận đề tài tốt nghiệp với thời gian hơn ba tháng , dưới sự hướng
dẫn trực tiếp của thầy Khương Cơng Minh cùng với sự nổ lực của chính bản thân , em


đã hoàn thành xong khối lượng kiến thức mà thầy hướng dẫn đã giao phó cho em để
chuẩn bị rời xa cánh cửa của giảng đường đại học và trở thành người kỹ sư tương lai
của đất nước sau này . Qua đây em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo của
trường Đại học Bách khoa Đà nẵng cũng như các thầy cô giáo trong khoa Điện và đặc
biệc là thầy Khương Công Minh là người đã có nhiều giúp đỡ và hướng dẫn trong q
trình làm đồ án , thầy Nguyễn Kim Ánh là giáo viên duyệt đồ án và cùng toàn thể các
bạn sinh viên trong lớp 03ĐTĐ cũng như các bạn sinh viên của tồn khoa Điện .
Trong q trình làm đề tài em đã tích luỹ được một số kiến thức để có thể nâng
cao kiến thức của mình một cách chắc chắn hơn . Tuy nhiên với thời gian và kiến thức
có hạn cho dù em đã có gắng hết mình song khó tránh khỏi những thiếu sót . Em rất
mong nhận được sự góp ý xây dựng của các thầy cơ để đồ án của em được hoàn thành
hơn nữa . Một lần nữa cho em xin cảm ơn đến hai thầy Khương Công Minh và thầy
Nguyễn Kim Ánh .

Đà nẵng , ngày 29 tháng 5 năm 2008 .
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Minh Ánh

TÓM TẮC ĐỒ ÁN


Trong thời đại cơng nghiệp hiện nay thì động cơ điện một chiều chiếm một tỉ lệ
khá lớn trong nền sản suất công nghiệp của thế giới và đặc biệt là các hệ thống dây
chuyền tự động trong các nhà máy xí nghiệp được sử dụng rất rộng rãi , vận hành có
độ tin cậy cao . Vấn đề là quan trọng trong các dây chuyền sản suất là điều khiển để
điều chỉnh tốc độ động cơ hay đảo chiều quay để nâng cao năng suất và em đã
“ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG HỆ T – Đ CÓ ĐẢO CHIỀU DÙNG
CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ” gồm có bốn phần chính sau .
Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều và các phương pháp điều chỉnh
tốc độ động cơ điện một chiều .
Chương 2 : Giới thiệu về bộ chỉnh lưu thyristor ba pha và bộ chỉnh lưu thyristor
ba pha hình cầu có đảo dịng .
Chương 3 : Thiết kế mạch động lực và mạch điều khiển hệ T- Đ có đảo chiều
dùng chỉnh lưu cầu ba pha .
Chương 4 : Dùng MATLAB – SIMULINK mô phỏng hệ thống trên .

MỤC LỤC
Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG


PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU .
1.1.Tổng quan về động cơ điện một chiều .

Trang :

9

1.1.1. Cấu tạo động cơ điện một chiều .

9

1.1.2. Các thông số đinh mức .

11

1.1.3. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều .

12

1.2. Phương trình đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của ĐMđl .

12

1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều .
1.3.1. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi Rf

16
16

1.3.2. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi Ф . 18
1.3.3. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi Uư. 19
1.4.Các đặc tính cơ khi hãm .

21

1.4.1. Hãm tái sinh .

21

1.4.2. Hãm ngược .

23

1.4.3. Hãm động năng .

25

1.5. Các đặc tính cơ khi đảo chiều quay .

26

1.6. Các chỉ tiêu chất lượng .

27

Chương 2 : TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU BA PHA THYRISTOR .
2.1. Hệ chỉnh lưu thyristor động cơ và thyristor .

29

2.1.1. Giới thiệu về thyristor .

29

2.1.2. Hệ chỉnh lưu thyristor .

31

2.1.3. Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng .

31

2.2. Tổng quan về bộ chỉnh lưu cầu ba pha không đảo chiều .

34

2.2.1. Nguyên lý làm việc hệ chỉnh lưu .

34

2.2.2. Hiện tượng trùng dẫn .

36

2.2.3. Nghịch lưu phụ thuộc .

38

2.2.4. Hệ T – Đ không đảo chiều .

40

2.3. Tổng quan về bộ chỉnh lưu cầu ba pha có đảo chiều .

41

2.3.1. Nguyên tắc cơ bản để xây dựng hệ T - Đ đảo chiều .

41

2.3.2. Phương pháp điều khiển chung .

42

2.3.3. Phương điều khiển riêng .

46

Chương 3 : TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN .
3.1. Tính chọn mạch động lực .

47


3.1.1. Sơ đồ mạch động lực hệ chỉnh lưu cầu ba pha thyristor .

47

3.1.2. Các thông số của động cơ .

49

3.1.3. Tính chọn thyristor .

49

3.1.4. Tính chọn máy biến áp chỉnh lưu .

50

3.2. Giới thiệu mạch điều khiển .

57

3.2.1. Sơ đồ nguyên lý .

57

3.2.2. Nguyên tắc điều khiển .

57

3.2.3. Các khâu cơ bản của mạch điều khiển .

59

3.2.4. Sơ đồ mạch điều khiển và nguyên lý hoạt động .

65

3.3. Tính tốn các thơng số mạch điều khiển .

69

3.4. Tính chọn các thiết bị bảo vệ cho mạch động lực .

76

3.4.1. Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ .

76

3.4.2. Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn .

78

3.4.3. Bảo vệ quá dòng cho van .

78

3.4.4. Bảo vệ quá áp cho van .

79

3.5. Thiết kế cuộn kháng lọc .

81

Chương 4 : MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CHỈNH LƯU THYRISTOR – ĐỘNG CƠ
CÓ ĐẢO CHIỀU QUAY TRÊN MATLAB – SIMULINK .
4.1. Các khối có sẵn trong Simulink .

85

4.1.1. Máy điện một chiều .

85

4.1.2.Khối tạo xung điều khiển các thyristor .

89

4.2. Mô phỏng hệ chỉnh lưu cầu ba pha .

93

4.2.1. Mô phỏng hệ chỉnh lưu cầu không đảo chiều .

93

4.2.2. Mơ phỏng hệ chỉnh lưu cầu có đảo chiều .

96

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ


Hình 1-1 : Mặt cắt dọc động cơ điện

trang : 9

Hình 1-2,3 : Sơ đồ nối dây của ĐMss và ĐMđl

13

Hình 1-4 : Đặc tính cơ điện của ĐMđl

15

Hình 1-5 : Đặc tính cơ của ĐMđl

16

Hình 1-6 : Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Rf

17

Hình 1-7 :, Đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Rf

18

Hình 1-8,9 : Sơ đồ , đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Ф

19

Hình 1-10 : Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Uư

20

Hình 1-11 : Đặc tính điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi Uư

21

Hình 1-12,13,14 : Các đường đặc tính khi hãm tái sinh

22

Hình 1-15 : Sơ đồ khi hãm ngược

24

Hình 1-16 : Đặc tính khi hãm ngược

25

Hình 1-17 : Sơ đồ , đặc tính khi hãm động năng

25

Hình 1-18 : Sơ đồ , đặc tính hãm ngược khi đảo Uư

26

Hình 1-19 : Phạm vi điều chỉnh tốc độ động cơ

27

Hình 2-1 : Ký hiệu và cấu trúc thyristor

30

Hình 2-2 : Sơ đồ khối , sơ đồ thay thế của điều chỉnh Uư

31

Hình 2-3 : Phạm vi điều chỉnh tốc độ và mơmen

33

Hình 2-4 : Sơ chỉnh lưu cầu ba pha

34

Hình 2-5 : Sơ đồ dạng sóng chỉnh lưu cầu ba pha

35

Hình 2-6 : Sơ đồ chỉnh lưu khi có trùng dẫn

37

Hình 2-7 : Sơ đồ dạng sóng chỉnh lưu khi có trùng dẫn

38

Hình 2-8 : sơ đồ khối của chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu

39

Hình 2-9 : Sơ đồ thay thế , đặc tính điều chỉnh tốc độ hệ T- Đ

41

Hình 2-10 :Sơ đồ phối hợp tuyế tính của α1và α2

42

Hình 2-11 : Sơ đồ chỉnh lưu cầu dùng phương pháp điều khiển chung

44

Hình 2-12 : Sơ đồ dạng sóng khi α1= 300 , α2 = 1500

45

Hình 2-13 : Sơ đồ phương pháp điều khiển chung kiểu phi tuyến

46

Hình 2-14 : Sơ đồ chỉnh lưu cầu dùng phương pháp điều khiển riêng

47

Hình 3-1 : Sơ đồ mạch động lực của hệ T- Đ có đảo chiều

48

Hình 3-2 : Sơ đồ khối điều khiển thyristor

57

Hình 3-3 : Nguyên tắc điều khiển tuyến tính

57


Hình 3- 4 : Nguyên tắc điều khiển arcoss

58

Hình 3-5,6 : Khâu đơng pha và dạng sóng

60

Hình 3-7,8 : Khâu so sánh và dạng sóng

62

Hình 3- 9 : Khâu khếch đại và phân phối xung

63

Hình 3-10,11,12 : Sơ đồ , dạng sóng khâu tạo xung chùm

64

Hình 3-13 : Sơ đồ nguyên lý điều khiển một kênh

67

Hình 3-14 : Giản đồ các đường cong điều khiển một kênh

68

Hình 3-15 : Sơ đồ chân của IC 4081

71

Hình 3-16 : Sơ đồ chân của IC TL084

72

Hình 3- 17 : Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn ni

74

Hình 3-18 : Mạch động lực có thiết bị bảo vệ

77

Hình 3-19 : Mạch R – C bảo vệ quá áp

80

Hình 3-20 : Mạch R- C bảo vệ xung điện áp lưới

80

Hình 4-1 : Các khối của động cơ ĐMđl trong Simulink

85

Hình 4-2 : Sơ đồ cấu trúc của ĐMđl

86

Hình 4- 3 : Hộp thoại và thơng số của ĐMđl

88

Hình 4-4 : Các khối của khâu phát xung điều khiển

90

Hình 4-5 :Sơ đồ phát xung điều khiển của thyristor

91

Hình 4-7 : Hộp thoại và thơng số của khối phát xung điều khiển

92

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ


CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 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 công nghiệp đang
dần dần được tự động hoá 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 thông 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- võ 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

1.1.1.1. 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 và dây quấn
kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ . Lõi sắt cực từ làm bằng nhữnh lá thép kỹ thuật điện
hay thép cacbon dày 0.5 đến 1mm ép lại và tán chặt . Dây quấn kích từ được quấn
bằng dây đồng bọc cách điện kỹ thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt
trên các cực từ .Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này nối nối tiếp vói nhau .
-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 . Cực từ phụ dược gắn vào
võ nhờ những bulông .
-Gông từ : gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ , đôngf thời làm võ
máy . Trong máy điện nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại . Trong
máy điện lớn thường dùng thép đúc .Có khi trong máy điện nhỏ dùng gang làm võ
máy .
-Các bộ phận khác :nó gồm có các bộ phận
+ 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 . Trong những trường hợp này nắp thường làm
bằng gang .

+ 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 .
1.1.1.2 . 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 . Trên lá thép có dập hình dạng
rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào .
+ 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 . khi máy làm
việc , gió thổi qua các khe làm nguội dây quấn và lõi sắt .
+ 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 dòng 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 . Trong máy điện vừa và lớn , thường dùng dây có
tiết diện chử nhật dây quấn được cách điện cẩn thận vói rãnh của lõi thép .
Để tránh khi bị văng ra do lực 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 bakelit .
- Cổ góp : Cổ góp cịn gọi là vành góp hay vành đổi chiều ,dùng để đổi chiều
dịng điện xoay chiều thành một chiều .
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 chử V ép chặt lại . Giũa vành ốp và trụ trịn cũng cách điện bằng

mica .Đi vành góp có cao hơn lên một tí để hàn các đầu dây của các phần tử dây
quấn vào các phiến góp được dể dàng .
- Các bộ phận khác : Gồm có cánh quạt và trục máy .
+ 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 . Gió đi qua vành góp , cực từ , lõi sắt và
dây quấn rồi qua quạt gió ra ngồi làm nguội 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 đai lượng sau :
Công suất định mức Pdm ( kw hay w );
Điện áp dịnh mức Udm ( V ) ;
Dòng điện định mức Idm ( A ) ;


Tốc độ định mức ndm ( 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 dòng điện xoay chiều được chỉnh lưu thành dòng một chiều đưa
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 :
Pdt = M . ω = Eư .Iư

;

(1-1)

Trong đó : M : là mơmen điện từ ;
Iư : Dòng điện phần ứng ;
Eư : Suất điện động phần ứng ;
ω : Tốc độ góc phần ứng ;
và

ω =

2.π .n
60

;

1.2 . PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ VÀ ĐẶC TÍNH CƠ ĐIỆN CỦA ĐM ĐL ;
- Khi nguồn điện một chiều có cơng suất vơ cùng lớn và điện áp khơng đổi thì
mạch kích từ thường mắt song song vói mạch phần ứng , lúc này động cơ được gọi
–

+
động cơ kích từ song song .
Uư
Ckt

Ikt

Iư

Rktf

E

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 .
+

_

Uư
Iư

Ikt

E

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 sét 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 (2-2) 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 ;
Trong đó : Uư :Điện áp phần ứng ( V ) ;
E : Suất điện động phần ứng ( V ) ;

(1-2)


Rf : Điện trở phụ trong mạch phần ứng ( Ω ) ;

Rư :Điện trở của 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 :
P.N
.Φ. ω = KΦ. ω
2.π .a

E =

(1-3)

Trong đó : P : Số đơi điện cực chính ;
N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng ,
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 ) ;
P.N
: Hệ số kết cấu của động cơ .
2.π .a

Đặt K =

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vịng/phút) thì E = Kc.Φ.n và
n
2.π .n
=

9,55
60

ω=
Vì vậy : Eư =

;

K
P.N
. Φ.n = Kc.Φ.n =
.Φ.n = 0,105K.Φ.n ;
9,55
60.a

Trong đó : Kc : Hệ số sức điện động của động cơ .
Từ các phương trình trên ta có :
ω =

U u,
K .φ

−

Ru , + R f
K .φ

. Iư

(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 =
ω =

(1-5)

M dt
K .φ

U u,
K .φ

−

, thay Iư vào (1-4) ta có
Ru , + R f
( K .φ ) 2

.Mdt ;

(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 = Mco = M ;

Suy ra : ω =

U u,
K .φ

−

Ru , + R f

.M ;

( K .φ ) 2

(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 ;
U u,

Trong đó : ω0 =

K .φ

∆ω =

; Gọi là tốc độ không tải lý tưởng .

Ru , + R f
( K .φ )

(1-8)

2

.M =

Ru ,

∑
.M :Gọi là độ sụt tốc .
( K .φ ) 2

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 co = Mdt ± ∆M ;
ω

ω0
ωdm

0
Idm

Inm

Iư

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 =

U u,
K .φ

, lúc này động

cơ đạt tốc độ không tải lý tưởng .
Cịn khi ω = 0 thì ta có :
Iư =
Và

U u,
Ru , + R f

= Inm ;

(1-9)

M = K.Φ.Inm =Mnm ;

(1-10)

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

ω0
ωdm

0
Mdm

Mnm

M

Hình 1- 5 : Đặc tình cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập .
1.3 . CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ CỦA ĐM ĐL ;
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 động cơ ĐMdl bằng cách thay đổi điện trở
phụ Rf .
Giả thiết Uư = Udm = const và Φ = Φdm = const


Ta có phương trình đặc tính cơ tổng qt :
ω =

U u,

K .φ

−

Ru , + Ru ' f

( K .φ ) 2

.M hay ω = ω0 - ∆ω ;
U u,

Tốc độ khơng tải lý tưởng :

ω0 =

Độ cứng đặc tính cơ :

( K .φ dm ) 2
∆M
β =
= –
Ru , + R f
∆ω

K .φ

= const ;

(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 = cont , còn ∆ω sẽ thay đổi theo Rf như vậy lúc này các đường

đặc tính cơ sẽ thay đổi nhưng vẫn đi qua điểm cố định là ω0 . 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 Rf 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 .
–

+
Uư
Ckt

Ikt

Iư

Rktf

E

Rf

←

Hình 1- 6 : Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
bằng cách thay đổi điện phụ của mạch phần ứng .
ω
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 ≤ Mc dẫn đến động cơ sẽ quay không được và
ω0
TN

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
Rf1
chỉnh tốc độ không triệt để .
Rf2
Rf3

0
Mc

Mnm

M


Hình 1- 7 : Đặc tình điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
bằng cách thay đổi điện trở phụ phần ứng .
Vậy ứng vói một phụ tải Mc nào đó nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm
,đồng thời dòng điện ngắn mạch Inm và mômen ngắn mạch Mnm càng giảm , cho nên
người ta thường dùng phương pháp này để hạn chế dòng điện khởi động và điều chỉnh
tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản .
1.3.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMđl 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 =

U u,

K .φ

−

Ru '∑
.M
( K .φ ) 2

→ ω = ω0 - ∆ω

;

;

Trong trường hợp này tốc độ không tải : ω0x =

U u,
K .φ

;

( K .φ x ) 2
Độ cứng đặc tính cơ : β = –
;
Ru ,

Ta thấy rằng thay đổi từ thơng Φ thì ω0 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 thơng Φ .
Như vậy : ứng với Φdm > Φ1 > Φ2>…….thì ωdm < ω1 < ω2

<……, nhưng nếu

giảm Φ quá 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 , hoặt 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 , dẩn đến động cơ bị quá tải .
+

Uư
Ckt

Ikt

Rktf

E

Iư

←

Hình : 1-8 : Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cánh thay đổi từ thơng Φ .
ω
ω02

Φ2

ω01
ω0dmm

ω1
ωdm

ω2

Φ1
Φdm

Mc

Mn1

Mn2

M

Hình :1-9 :Đăc tính điều chỉnh tốc độ ĐMdl bằng cách thay đổi từ thông Φ .
1.3.3 . phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐMdl 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 Udm .
Từ phương trình đặc tính cơ tổng qt :
ω
Ta có :

=

U u,

K .φ

−

Ru ,

( K .φ ) 2

.M

→ω

= ω0 - ∆ω ;


Tốc độ không tải : ω0x =

Ux
K .φ dm

;

( K .φ dm ) 2
Độ cứng đặc tính cơ : β =
= const

Ru ,

Udk

BBĐ
Uư
Iư
+

←

Ikt

Ckt

-

Hình 1-10 :Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMdl bằng cách thay đổi Uư
Ta thấy rằng khi thay đổi Uư 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 dẩn :Các bộ chỉnh lưu ( CL ) , các bộ băm điện áp
( BĐA ) , dùng transistor và thuyistor .
Ta thấy rằng , khi thay đổi điện áp phần ứng ( giảm áp ) thì mơmen ngắn mạch
Mnm , và dòng 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 .


ω
ω0
ω01

Udm

ω02

U1

ω03

U2
U3

0

Mc

M

Hình 1-11 :Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMdl bằng cách thay đổi Uư .
1.4. CÁC ĐẶC TÍNH CƠ KHI KHI HÃM ĐMĐL .
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 > Uư ) , 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 :
Ih =

U u , − Eu ,
R

=

Kφω0 − Kφω
R

( 1-13)

Mh = KФ.Ih < 0
- Một số trường hợp hãm tái sinh :
a ) Hãm tái sinh khi ω > ω0 : 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:
I ư = Ih =

U u, − E
Ru , ∑

Mh = KФ.Ih < 0 ;

<0 ;

Mômen động cơ đổi chiều ( M < 0 ) và trở nên ngược chiều với tốc độ và trở
thành mômen hãm ( Mh ) .
ω
E > Uư
Ih < 0

ωh
ω0

Hãm tái sinh (HTS)
Trạng thái máy phát

E < Uư
Iư > 0
ωM

ω

Trạng thái động cơ

Mh

Mh

0

M

Hình 1-12 : Hãm tái sinh khi có động lực quay động cơ .
b ) Hãm tái sinh khi giảm điện áp phần ứng ( Uư2 < Uư1 ) :
Lúc này Mc là dạng mômen thế năng ( Mc = Mtn ) . Khi giảm điện áp nguồn đột
ngột , nghĩa là tốc độ ω0 giảm 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 còn gọi là hãm tái
sinh ) .
ω
ω01

E1 < Uư1
Iư > 0

A

ω02

E2 > Uư2
Ih < 0

B

HTS

Mhbđ

0

Mc

M

Hình 1-13 : 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 .
Trong thực tế , cơ cấu nâng hạ của cầu trục , thang máy , thì khi nâng tải , động
cơ truyền động thường làm việc ở chế độ động cơ ( điểm A hình 1-14 ) , và khi hạ tải
thì động cơ làm việc ở chế độ máy phát ( điểm B hình 1-14 ) .
ω

E < Uư
Iư > 0

ω0

A

ωbđ

Mc

0
HTS

-ω0
-ωbđ

M

B

-E < -Uư
Ih < 0

Hình 1-14 : Hãm tái sinh khi đảo chiều điện áp phần ứng động cơ .
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 Rưf lớn vào mạch phần ứng thì
động cơ sẽ chuyển sang điểm B , D làm việc ổn định ở điểm E ( ω = ωE và ωôđ ↑↓ ωA )
trên trên đặc tính cơ có thêm Rưf 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 :
U u + Eu
Ru + Kφω
Ih = R + R = R + R
;
u
u
u f
u f

,

,

,f

,

,

,

(1-14)

,

Mh = KФ.Ih ;
Tại thời điểm chuyển đổi mạch điện thì mơmen động cơ nhỏ hơn mômen cản
( MB < Mc ) nên tốc độ động cơ giảm dần . Khi ω = 0 , động cơ ở chế độ ngắn mạch
( điểm D trên đặc tính có Rưf ) nhưng mơmen của nó vẫn nhỏ hơn mơmen cản :
Mnm < Mc ; Do đó mơmen của tải trọng sẽ kéo trục động cơ quay ngược và tải trọng sẽ
hạ xuống , ( ω < 0 , đoạn DE trên hình 1-15 ) . Tại điểm E , động cơ quay theo chiều
hạ tải trọng , trường hợp này sự chuyển động của hệ được thực hiện nhờ thế năng của
ω
tải .
–

ω0

A

Uư
Ckt

Ikt

(+Rưf)
Rktf

D
Mnm

Iư
+

E
←

Rưf

ωơđ

HN

a)

Mc

M

E

b)

Hình 1-15 : 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 dòng đảo
chiều lớn nên phải thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để hạn chế ) thì động cơ sẽ