nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều

i
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



Ỹ THUẬT CÔNG NGHIỆP





LÊ THỊ NGỌC OANH



NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU



LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA





- 2014
ii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Lê Thị Ngọc Oanh
Ngày sinh: 07 tháng 12 năm 1986
Học viên lớp cao học K14–TĐH01 – Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công
Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản thân
thực hiện, chƣa đƣợc sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác.
Theo hiểu biết cá nhân, chƣa có tài liệu khoa học nào tƣơng tự đƣợc công bố, trừ
những thông tin tham khảo đƣợc trích dẫn.
Thái nguyên, tháng 8 năm 2014
Học viên


Lê Thị Ngọc Oanh









iii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của
nhà trƣờng, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo và đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa Đào tạo Sau đại học, các
giảng viên đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Nguyễn Thị Mai
Hƣơng, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hƣớng dẫn trong
quá trình thực hiện luận văn này.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến thầy Nguyễn Tiến Hƣng đã tạo điều
kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất.
Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thể
luận văn còn những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ
các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện và có ý nghĩa
ứng dụng trong thực tế.
Xin chân thành cảm ơn!
NGƢỜI THỰC HIỆN


Lê Thị Ngọc Oanh
iv
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


MỤC LỤC
Trang phụ bìa
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN iii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC HÌNH VẼ vii
MỞ ĐẦU 1

CHƢƠNG 1. 5
CHỌN MẠCH LỰC VÀ TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ CÔNG
SUẤT SỬ DỤNG THYRISTOR ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 5
1.1 Lựa chọn động cơ truyền động 6
1.1.1 Động cơ không đồng bộ : 6
1.1.2 Động cơ đồng bộ: 6
1.1.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: 6
1.1.4 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: 7
1.1.5 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: 7
1.2 Chọn phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 8
1.2.1 Điều chỉnh điện trở phụ mạch phần ứng động cơ 9
1.2.2 Điều chỉnh bằng phƣơng pháp thay đổi từ thông 10
1.2.3 Điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ 11
1.3 Chọn loại bộ biến đổi 12
1.3.1 Hệ truyền động máy phát – động cơ (F-Đ) 13
1.3.2 Bộ biến đổi chỉnh lƣu xung áp một chiều 13
1.3.3 Bộ biến đổi Tiristor -Động cơ 13
1.4 Lựa chọn sơ đồ chỉnh lƣu 16
1.4.1 Chỉnh lƣu cầu 3 pha 16
1.4.2 Mạch chỉnh lƣu cầu ba pha không điều khiển 17
1.4.2.4 Biểu thức điện áp 19
1.4.3 Mạch chỉnh lƣu cầu ba pha ĐK hoàn toàn 20
v
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


CHƢƠNG 2 MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU VÀ NGHIÊN CỨU THIẾT
KẾ HỆ TỰ CHỈNH 25
2.1 Mô hình động cơ một chiều 26
2.2 Bộ điều khiển PID kinh điển 27

2.2.1 Khái niệm 24
2.2.2 Dạng sai phân 29
2.2.3 Dạng rời rạc 29
2.3 Hàm nhạy và hàm bù nhạy 30
2.4 Các quy luật điều chỉnh 31
2.4.1 Quy luật điều chỉnh P 32
2.4.2 Quy luật điều chỉnh PI 33
2.4.3 Quy luật điều chỉnh PD 35
2.4.4 Quy luật điều chỉnh PID 35
2.5 Quy trình chỉnh định tham số PID 36
2.5.1 Chỉnh định tham số PID theo kinh nghiệm 36
2.5.2 Chỉnh định tham số PID theo phƣơng pháp thực nghiệm 37
2.5.3 Chỉnh định tham số PID theo Ziegler-Nichols 37
CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ ĐỘNG CƠ MỘT
CHIỀU 42
3.1 Sơ đồ khối bộ điều chỉnh PID động cơ một chiều bằng DSP -
TMS320F28069. 43
3.2 Các luật điều khiển số. 44
3.2.1 Luật điều khiển tỷ lệ số 44
3.2.2 Luật điều khiển tích phân số 44
3.2.3 Luật điều khiển vi phân số 45
3.2.4 Luật điều khiển PID số 46
3.3 Phần mềm CCS v5 46
3.4 Giới thiệu TMS320F28069 47
CHƢƠNG 4 MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM 56
4.1 Mô phỏng 57
vi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

4.2 Thực nghiệm 65
4.2.1 Giới thiệu hệ thống 65
4.2.2 Các khối chính trong hệ thống 67
4.3 Kết quả thực nghiệm 69
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO 74



vii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1.a) Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập 8
b) Đặc tính cơ của một động cơ điện một chiều kích từ độc lập 8
Hình 1.2 Đặc tính cơ khi thêm điện trở phụ mạch phần ứng với Rf1 < Rf2 <Rf3
<Rf4 9
Hình 1.3 Đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông với 10
Φ2< ΦM1 < Φđm 10
Hình 1.4 Họ đặc tính cơ uđm < u1 <u2 < u3 < u4 12
Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hệ Tiristor - Động cơ 14
Hình 1.6 Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế mạch phần ứng hệ T-Đ 15
Hình 1.7 Đặc tính cơ của động cơ trong hệ CL-Đ không đảo chiều. 15
Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc của mạch chỉnh lƣu 17
Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lƣu cầu ba pha không ĐK 17
Hình 1.10 Giản đồ thời gian của mạch chỉnh lƣu cầu ba pha không ĐK 19
Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý của mạch chỉnh lƣu cầu ba pha ĐK hoàn toàn 20
Hình 1.12 Giản đồ thời gian của mạch chỉnh lƣu cầu ba pha ĐK hoàn toàn 23

Hình 2.1 Mạch vòng điều khiển kinh điển 28
Hình 2.2 Mô hình mô phỏng với bộ điều khiển PID kinh điển 32
Hình 2.3 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P 33
Hình 2.4 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P với độ lợi lớn 34
Hình 2.5 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PI 34
Hình 2.6 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PD 35
Hình 2.7 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PID 36
Hình 2.8 Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P 39
Hình 2.9 Lƣu đồ tự chỉnh các tham số PID 40
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 43
Hình 3.2 Khâu tỷ lệ số 44
Hình 3.3 Cấu trúc luật I số 45
Hình 3.4 Cấu trúc luật D số 45
viii
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 3.5 Cấu trúc luật PID số 46
Hình 3.6 Code Composer Studio v5 47
Hình 3.7 Vi mạch TMS320F28069 – Texas Instruments 48
Hình 3.8 PN/ PFP 80 chân 49
Hình 3.9 Sơ đồ khối Kit TMS320F28069 53
Hình 3.10 Các khối ngoại vi 54
Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển tốc độ động cơ một chiều 57
Hình 4.2 Cấu trúc mô phỏng hệ thống điều khiển tốc độ động cơ 63
Hình 4.3 Đặc tính tốc độ đầu ra 64
Hình 4.4 Đặc tính dòng điện 65
Hình 4.5 Hệ thực nghiệm 66
Hình 4.6 Mạch phát hiện điểm không 67
Hình 4.7 Hệ động cơ – máy phát tốc 68

Hình 4.8 Bộ chỉnh lƣu cầu ba pha 69
Hình 4.9 TMS320F28069 board 57
Hình 4.10 Dạng điện áp đầu ra bộ chỉnh lƣu 70
Hình 4.11 Tốc độ động cơ và giá trị đặt 71

1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


MỞ ĐẦU
Hiện nay động cơ một chiều trong các hệ truyền động vẫn đang đƣợc sử
dụng rộng rãi do nó có một số ƣu điểm sau đây:
- Momen khởi động lớn.
- Khả năng điều chỉnh tốc độ tƣơng đối đơn giản, kể cả đối với các động cơ
có công suất lớn.
- Dễ đảo chiều quay.
- Dễ ổn định tốc độ.
- Cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển tƣơng đối đơn giản, có thể đạt chất
lƣợng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng.
Đa số các hệ thống truyền động sử dụng động cơ một chiều đều có yêu cầu
về điều chỉnh tốc độ. Trong thực tế có hai phƣơng pháp cơ bản để điều chỉnh tốc
độ động cơ điện một chiều:
- Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ
Bộ biến đổi nằm trong cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc
độ động cơ điện một chiều. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ
hoặc mạch kích từ động cơ.
Các bộ biến đổi, các mạch và các thuật toán điều khiển có thể đƣợc thực
hiện bằng kỹ thuật tƣơng tự hoặc kỹ thuật số. Trong đó, việc sử dụng kỹ thuật
tƣơng tự có ƣu điểm là khá đơn giản, hiệu quả và đã đƣợc phát triển một cách

hoàn thiện. Nhƣợc điểm cơ bản của kỹ thuật này phụ thuộc nhiều vào độ trôi
thông số của các phần tử trong hệ thống làm cho tính ổn định của hệ thống nhiều
khi không đƣợc đảm bảo theo thời gian và khó đáp ứng với các điều kiện làm
việc khác nhau.
Các hệ truyền động động cơ một chiều thƣờng sử dụng hai mạch vòng điều
chỉnh. Trong đó mạch vòng ngoài là mạch vòng điều chỉnh tốc độ, bên trong là
mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Mạch vòng dòng điện yêu cầu tốc độ đáp ứng
2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


nhanh hơn rất nhiều so với mạch vòng điều chỉnh tốc độ vốn phụ thuộc rất lớn
vào quán tính cơ của động cơ và của tải. Chính vì vậy mà yêu cầu thiết kế bộ
điều khiển cho mạch vòng dòng điện cũng có yêu cầu khắt khe hơn. Để có đƣợc
các thông số tối ƣu cho bộ điều khiển của mạch vòng dòng điện thì phải có các
thông số chính xác của động cơ. Sau đó, bộ điều khiển theo kỹ thuật tƣơng tự của
mạch vòng dòng điện đƣợc điều chỉnh theo các thông số đã tổng hợp đƣợc bằng
cách thay đổi giá trị của các biến trở, biến dung hoặc hệ số khuyếch đại của các
bộ khuyếch đại thuật toán. Tuy nhiên, trong quá trình làm việc các thông số của
động cơ có thể bị thay đổi do chúng phụ thuộc và điều kiện làm việc (điện trở
phần ứng của động cơ thay đổi theo nhiệt độ, mô men quán tính thay đổi theo
tải ), bản thân các linh kiện tƣơng tự cũng nhƣ các bộ khuyếch đại thuật toán nói
trên cũng bị thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm Do đó, chất lƣợng của các bộ điều
khiển theo kỹ thuật tƣơng tự rất khó để đảm bảo theo thời gian và các chế độ làm
việc khác nhau.
Kỹ thuật điều khiển số ra đời không những có khả năng khắc phục các
nhƣợc điểm nói trên của các hệ thống điều khiển tƣơng tự mà còn mở ra khả
năng áp dụng dễ dàng các kỹ thuật hiện đại trong việc tổng hợp các bộ điều
khiển, dễ dàng thay đổi các tham số vận hành của thiết bị, có khả năng tƣơng tác
với con ngƣời, khả năng ghép nối với máy tính, các thiết bị điều khiển cấp trên

hoặc các thiết bị giao tiếp số khác (ví dụ các bộ điều khiển lô gic lập trình đƣợc –
PLC, các bộ đo lƣờng tốc độ số Encoder) Hơn nữa, một hệ thống điều khiển số
còn cho phép loại bỏ một số lƣợng không nhỏ các mạch điện tƣơng tự có các
chức năng khác nhau chuyển sang thực hiện bằng phần mềm (ví dụ các mạch đo
lƣờng, bảo vệ, hiển thị ) làm cho mạch điều khiển nhỏ gọn và tin cậy hơn.
Ngoài ra, trong thực tế các bộ điều khiển số tốc độ động cơ một chiều ở Việt nam
hầu hết đƣợc cung cấp bởi các hãng nổi tiếng, có giá thành cao, đặc biệt là ở dải
công suất lớn, điều kiện bảo hành, bảo trì khá phức tạp. Do vậy, việc nghiên cứu,
phát triển các hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều có thể nâng cao
3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


đƣợc khả năng làm chủ công nghệ, nâng cao chất lƣợng của thiết bị, thuận tiện
cho việc sử dụng, vận hành, sửa chữa và giảm giá thành.
Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài: "Nghiên cứu phát triển hệ thống
điều khiển số tốc độ động cơ một chiều"
Mục đích nghiên cứu
Mục tiêu chính của đề tài là phát triển hệ thống điều khiển số tốc độ động
cơ một chiều. Qua đó nghiên cứu về các bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều,
ƣu nhƣợc điểm của từng bộ điều khiển.
Mục tiêu cụ thể là:
- Phân tích các hệ điều khiển tốc độ động cơ một chiều.
- Thiết kế hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều bằng cách thiết
kế hệ thống điện tử công suất sử dụng Thyristor điều khiển tốc độ động cơ một
chiều theo phƣơng pháp thay đổi góc pha. Góc mở của các Thyristor đƣợc điều
khiển trực tiếp từ vi điều khiển mà không sử dụng các mạch tƣơng tự (phát xung,
răng cƣa, so sánh, tạo tín hiệu điều khiển ). Điều khiển hai mạch vòng (dòng
điện, tốc độ) sử dụng các bộ điều khiển PID số, trong đó bộ PID số của mạch
vòng dòng điện là loại tự chỉnh (autotuning), do vậy cần phải có phần nhận dạng

(có phần mềm nhận dạng tự động tham số của động cơ).
- Tiến hành thí nghiệm để phân tích đánh giá chất lƣợng thực của hệ thống
nhằm tiếp tục phát triển hoàn thiện và hiện thực hóa đề tài.
Nội dung nghiên cứu
Chƣơng 1 Tổng quan về các hệ thống điện tử công suất sử dụng thyristor
điều khiển tốc độ động cơ một chiều
Chƣơng 2 Mô hình động cơ một chiều và nghiên cứu thiết kế tự chỉnh
Chƣơng 3 Thiết kế hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều
Chƣơng 4 Mô phỏng và thực nghiệm
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu








CHƢƠNG 1
CHỌN MẠCH LỰC VÀ TỔNG QUAN VỀ CÁC
HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT SỬ DỤNG
THYRISTOR ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG
CƠ MỘT CHIỀU

6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu




1.1 Lựa chọn động cơ truyền động
1.1.1 Động cơ không đồng bộ
Ƣu điểm: Cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ rô to lồng sóc; có kích
thƣớc nhỏ làm việc tin cậy, chắc chắn và dễ sử dụng. Vận hành sửa chữa, làm
việc trực tiếp với lƣới điện xoay chiều 3 pha nên không cần trang bị thêm các
thiết bị biến đổi đi kèm.
Nhƣợc điểm : Điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó
khăn. Hệ số cosφ và hiệu suất không cao, dải điều chỉnh hẹp, độ sụt tốc độ lớn
khi điều chỉnh, giá thành cao.
1.1.2 Động cơ đồng bộ
Ƣu điểm: Đƣợc sử dụng rộng rãi cho các hệ truyền động yêu cầu có công
suất trung bình và lớn, yêu cầu ổn định tốc độ cao, hệ số cosφ và hiệu suất lớn,
vận hành có độ tin cậy cao.
Nhƣợc điểm: Điều chỉnh tốc độ gặp khó khăn, phải sử dụng kèm biến tần,
gây tốn kém về kinh tế, công nghệ truyền thông phức tạp. Đặc biệt trong các hệ

truyền động công suất nhỏ chế tạo rất khó khăn, giá thành cao.
1.1.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Ƣu điểm: Có khả năng quá tải lớn về mômen và khả năng khởi động tốt
thích hợp cho những truyền động làm việc bình thƣờng có quá tải lớn và yêu cầu
mômen khởi động lớn nhƣ máy nâng vận chuyển, máy cán thép …
Nhƣợc điểm: có đặc tính cơ mềm, từ thông phụ thuộc vào dòng điện tải, tiết
diện dây lớn, độ ổn định tốc độ kém thay đổi nhanh khi tải thay đổi. [11]
7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


1.1.4 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Ƣu điểm: Dải điều chỉnh rộng, điều chỉnh thuận lợi dễ dàng khi thay đổi 1
trong các thông số vật lý của động cơ, có thể điều chỉnh trơn, điều chỉnh vô cấp,
độ cứng tốt, quá trình khởi động êm, moomen khởi động lớn, thời gian khởi động
nhỏ, từ thông chính không phụ thuộc vào tải
Nhƣợc điểm: Khi sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập phải có
bộ biến đổi kèm theo làm tăng chi phí đầu tƣ, gặp khó khăn trong vận hành,
sửa chữa và bảo dƣỡng
1.1.5 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
Ƣu điểm: Vì là động cơ gồm 2 cuộn dây kích từ mắc song song và nối
tiếp nên tận dụng đƣợc các ƣu điểm của động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp
và kích từ độc lập.
Nhƣợc điểm: Có cấu tạo phức tạp và giá thành cao nên ít đƣợc sử dụng
Kết luận: Từ những phân tích đánh giá ở trên ta thấy động cơ một chiều
kích từ độc lập có nhiều ƣu điểm và có khả năng đáp ứng đƣợc yêu cầu công
nghệ của tải cần truyền động. Do đó ta chọn động cơ một chiều kích từ độc lập
làm động cơ cho máy sản xuất của đề tài.
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ đƣợc cấp điện từ
một nguồn độc lập với nguồn điện cấp cho phần ứng động cơ.

*Sơ đồ nguyên lý
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cuộn kích từ mắc vào nguồn
một chiều độc lập (hình vẽ ) (đối nguồn có công suất không đủ lớn) và cũng
có thể cuộn kích từ mắc song song với mạch phần ứng (đối nguồn một chiều
có công suất vô cùng lớn).
8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu



Hình 1.1 a) Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập
b) Đặc tính cơ của một động cơ điện một chiều kích từ độc lập
* Phƣơng trình đặc tính cơ - Dạng đặc tính cơ
Ta có phƣơng trình đặc tính cơ nhƣ sau:

M
)k(
R
K
U
2
-

Nhận xét:
- Đƣờng đặc tính cơ là đƣờng thẳng và động cơ làm việc ổn định khi tốc độ
không đổi thì mô men điện từ bằng mô men trên trục động cơ, điểm làm việc trên
đặc tính tƣơng ứng giao điểm đặc tính tải với đặc tính cơ tự nhiên.
- Phạm vi điều chỉnh tốc độ phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ độ bền cơ khí
kết cấu cơ của máy, khả năng chuyển mạch cổ góp, độ duy trì tốc độ dặt khi có
sự dao động của phụ tải tĩnh.

- Đặc tính cơ cứng mô men khởi động lớn có thể điều chỉnh đƣợc mô men
dùng các phƣơng pháp cƣỡng bức nhƣ đƣa thêm điện trở phụ vào mạch phần
ứng.
1.2 Chọn phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ
Từ phƣơng trình đặc tính cơ:
2
()

uf
eM
M r r
U
n
Ce C C

9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Ta thấy có 3 phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ [1]
1.2.1 Điều chỉnh điện trở phụ mạch phần ứng động cơ
Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào
mạch phần ứng.
Tốc độ không tải lý tƣởng:
0
U
K
dm
dm

Độ cứng đặc tính cơ:
var
)(
2
fu
dm
RR
K

Khi tăng điện trở phần ứng, đặc tính cơ dốc hơn nhƣng vẫn giữ nguyên tốc
độ không tải lý tƣởng. Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở mạch phần ứng nhƣ
sau:

Hình 1.2 Đặc tính cơ khi thêm điện trở phụ mạch phần ứng với Rf1 < Rf2 <Rf3 <Rf4
Ƣu điểm: Độ cứng đặc tính cơ giảm đi, dòng điện ngắn mạch và mômen
ngắn mạch cũng giảm
10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Nhƣợc điểm: Do sử dụng điện trở phụ mắc vào mạch phần ứng động cơ dẫn
đến tổn thất về năng lƣợng làm giảm hiệu suất của hệ thống.
1.2.2 Điều chỉnh bằng phƣơng pháp thay đổi từ thông
Tốc độ không tải lý tƣởng:
ox
dm
x
U
K
var

Độ cứng đặc tính cơ:
var
)(
2
u
x
R
K

Đặc tính của động cơ thay đổi nhƣ sau:

Hình 1.3 Đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông với
Φ2< ΦM1 < Φđm
Ƣu điểm:
- Khi giảm từ thông thì độ cứng β giảm nhanh (β tỉ lệ thuận với 2)
11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


- Giảm mô men khởi động, ít tổn hao do điều chỉnh, kinh tế
- Khả năng tự động hoá cao.
Nhƣợc điểm :
- Dải điều chỉnh tốc độ khi thay đổi từ thông hẹp .
- Điều chỉnh từ thông không phù hợp với tải Mc = const.Vì vậy ta loại bỏ
phƣơng pháp này.
1.2.3 Điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ
Ở chế độ xác lập có thể viết đƣợc phƣơng trình đặc tính của hệ thống nhƣ
sau:
Eb – Eƣ = Iƣ ( Rb + Rƣ)

ubb
u
dm dm
E R R
I
KK

var
K
E
dm
b
x0

Độ cứng đặc tính cơ

2
()
bu
K
const
RR

0
m












M
c

U
đm

U
1
U
2
U
3

12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 1.4 Họ đặc tính cơ uđm < u1 <u2 < u3 < u4
Ƣu điểm: Khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện áp trên mạch phần
ứng thì dòng điện, mômen sẽ không đổi, tốc độ không tải lý tƣởng sẽ thay đổi
nhƣng độ cứng của đƣờng đặc tính cơ không thay đổi vì vậy họ đặc tính cơ là
những đƣờng thẳng song song với đƣờng đặc tính cơ tự nhiên. Đây là phƣơng
pháp điều chỉnh triệt để, vô cấp có nghĩa là có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ
vùng tải nào kể cả khi ở không tải lý tƣởng.
Nhƣợc điểm: Khi điều chỉnh phải có bộ biến đổi kèm theo làm tăng chi phí
đầu tƣ cơ bản, gặp khó khăn trong vận hành, sửa chữa và bảo dƣỡng
Kết luận
Hệ thống của ta có yêu cầu sai lệnh tĩnh nhỏ, điều chỉnh vô cấp, độ cứng
đặc tính cơ tốt, khả năng quá tải tốt, Mc = const. Ta thấy phƣơng pháp điều
chỉnh điện áp đặt vào phần ứng là triệt để nhất. Nhƣ vậy ta sẽ chọn phƣơng pháp
thay đổi điện áp đặt vào phần ứng cho đề tài thiết kế.
1.3 Chọn loại bộ biến đổi
Bộ biến đổi điện áp có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp
một chiều cấp cho phần ứng của động cơ. Hiện nay ngƣời ta thƣờng sử dụng các
bộ biến đổi sau:
- Bộ biến đổi máy điện: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều.
- Bộ biến đổi chỉnh lƣu bán dẫn: chỉnh lƣu Tiristor.
- Bộ biến đổi xung áp một chiều: Tiristor-Tranzitor.
Ta lần lƣợt đi phân tích 3 bộ biến đổi trên để chọn bộ biến đổi phù hợp với
yêu cầu đề tài:
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


1.3.1 Hệ truyền động máy phát – động cơ (F-Đ)

Ƣu điểm: nổi bật của hệ F-Đ là sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh
hoạt, khả năng qúa tải lớn. Do vậy thƣờng sử dụng hệ truyền động F-Đ ở các
máy khai thác trong hầm mỏ.
Nhƣợc điểm: quan trọng nhất của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quay
trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy ít
nhất gấp 3 lần công suất động cơ chấp hành. Ngoài ra các máy phát một chiều có
từ dƣ, đặc tính từ hoá có trễ nên khó khăn điều chỉnh sâu tốc
1.3.2 Bộ biến đổi chỉnh lƣu xung áp một chiều
Ƣu điểm : Hiệu suất cao vì tổn hao trong các van và mạch điều khiển nhỏ,,
mạch điều khiển đơn giản, chất lƣợng điện áp tốt hơn so với bộ biến đổi liên tục,
kích thƣớc gọn nhẹ, độ cứng đặc tính cơ cao
Nhƣợc điểm: Điện áp xung gây ra tổn thất phụ do thành phần xoay chiều
gây ra, tần số đóng cắt lớn tạo ra nhiễu cho nguồn và thiết bị điều khiển, còn tồn
tại những vùng gián đoạn đặc tính cơ dốc, kém ổn định
1.3.3 Bộ biến đổi Tiristor -Động cơ
Ƣu điểm: Tác động nhanh, tổn thất ít, giảm tiếng ồn, kích thƣớc trọng lƣợng
nhỏ, nền móng không phức tạp, phạm vi điều chỉnh D rộng.
Nhƣợc điểm: Khả năng linh hoạt chuyển đổi trạng thái làm việc không cao,
khả năng quá tải về dòng và áp kém, giá thành cao, hệ số công suất thấp
Nhận xét
Qua sự phân tích các bộ biến đổi cấp điện áp cho động cơ ,ta thấy mỗi loại
có những ƣu nhƣợc điểm nhất định vì vậy tuỳ thuộc vào tình hình kinh tế, yêu
cầu công nghệ chọn phƣơng án thích hợp. Với yêu cầu thiết kế của đề tài và khi
xét tổng quan xu hƣớng phát triển khoa học kỹ thuật ngày càng tạo ra các linh
kịên bán dẫn khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm trên thì em quyết định chọn bộ
14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


biến đổi chỉnh lƣu có điều khiển cấp điện áp cho phần ứng của động cơ ( Bộ biến

đổi Tiristor -Động cơ)
Bộ biến đổi Tiristor - Động cơ
Trong hệ truyền động chỉnh lƣu điều khiển động cơ một chiều (CL-Đ), bộ
biến đổi là các mạch chỉnh lƣu điều khiển có sức điện động E
đ
phụ thuộc vào giá
trị của phát xung điều khiển (góc điều khiển). Chỉnh lƣu có thể dùng làm nguồn
chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện kích thích động cơ
Sơ đồ nguyên lý nhƣ sau:

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hệ Tiirristor - Động cơ
Hệ chỉnh lƣu điều khiển -Động cơ một chiều thực hiện điều khiển động cơ
theo nguyên lý thay đổi điện áp phần ứng động cơ trong đó bộ biến đổi là bộ
chỉnh lƣu bán dẫn biến đổi trực tiếp điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều
không qua khâu trung gian nào, do đó nó có nhiều ƣu điểm: Kết cấu nhẹ, không
đòi hỏi nền móng, không gây ồn, hiệu suất cao, thuận tiện cho việc tự động hoá,
động tác động nhanh, dễ dàng theo dõi .
Xây dựng phƣơng trình đặc tính cơ :
15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


E
R
CL
E=U .cos
do
u
R
FX

§C
U®k

Hình 1.6 Sơ đồ khối và sơ đồ thay thế mạch phần ứng hệ T-Đ
. Ta có phƣơng trình :
M
K
RR
K
U
đm
CLu
đm
u
2
)(

Mà
0
os
ud
U U c
thay vào phƣơng trình trên ta đƣợc:
M
K
RR
K
U
đm
CLu

đm
do
2
)(
cos.






Hình 1.7 Đặc tính cơ của động cơ trong hệ CL-Đ không đảo chiều
A
M
c
M
0
B
1
2
3
4
B
A
16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Từ phƣơng trình đặc tính cơ ta thấy tốc độ không tải
0

phụ thuộc vào góc mở
1.4 Lựa chọn sơ đồ chỉnh lƣu
Tổng quan về các hệ thống điện tử công suất sử dụng Thyristors (các sơ đồ
chỉnh lƣu AC/ DC) dùng để cung cấp nguồn một chiều cho động cơ DC. Do cầu
3 pha đƣợc sử dụng nhiều nhất nên tác giả sẽ trình bày chính về bộ chỉnh lƣu
này.
1.4.1 Chỉnh lƣu cầu 3 pha
Chỉnh lƣu cầu 3 pha là loại đƣợc sử dụng nhiều nhất trong thực tế vì có
nhiều ƣu điểm hơn hẳn so với chỉnh lƣu cầu một pha. Nó cho phép đấu thẳng vào
lƣới điện 3 pha, độ đập mạch rất nhỏ (5%). Nếu có dùng biến áp thì gây méo lƣới
điện ít hơn các loại trên đồng thời công suất máy biến áp cũng chỉ xấp xỉ bằng
công suất tải, công suất mạch chỉnh lƣu có thể rất lớn lên tới hàng trăm KW.
Chính vì vậy, trong luận văn này tác giả sẽ tập trung giới thiệu về các bộ chỉnh
lƣu cầu 3 pha. [6]
Cấu trúc mạch chỉnh lưu
Chỉnh lƣu là quá trình biến đổi năng lƣợng dòng xoay chiều thành năng
lƣợng dòng một chiều. Chỉnh lƣu là thiết bị điện tử công suất đƣợc sử dụng rộng
rãi nhất trong thực tế. Sơ đồ cấu trúc thƣờng gặp của mạch chỉnh lƣu trên hình
1.1.


17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc của mạch chỉnh lưu
1.4.2 Mạch chỉnh lƣu cầu ba pha không điều khiển
1.4.2.1 Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu ba pha không ĐK

1.4.2.2 Nguyên lý làm việc
Mạch van gồm hai nhóm:
- Các đi ốt D
1
, D
3
, D
5
đấu ca tốt chung nên:
+ D
1
dẫn khi u
a
dƣơng nhất;
+ D
3
dẫn khi u
b
dƣơng nhất;
+ D
5
dẫn khi u
c
dƣơng nhất;
- Các đi ốt D
2
, D
4
, D
6

đấu Anốt chung nên:
+ D
2
dẫn khi u
c
âm nhất;
+ D
4
dẫn khi u
a
âm nhất;
+ D
6
dẫn khi u
b
âm nhất;
- Trong khoảng thời gian v1: u
c
dƣơng nhất và u
b
âm nhất nên D
5
và D
6
đang dẫn
dòng:
I
D1
= I
D2

= I
D3
= I
D4
= 0; i
D5
= i
D6
= i
d
= I
d