thiết kế động cơ điện một chiều

Lời nói đầu
Việc sự dụng động cơ điện trong sản xuất và đời sống là rất rộng rãi ,
đặc biệt là động cơ điện chiều bởi vì động cơ điện 1 chiều có rất nhiều u
điểm so vơi động cơ xoay chiều . Nhng gắn liền với việc sử dụng động cơ
điện 1 chiều là quá trình điều chỉnh, đảo chiều tốc độ của động cơ sao cho
phù hợp với yêu cầu của thực tế
Là 1 sinh viên của khoa Điện và bộ môn Tự Động Hoá đợc trang bị
với những kiến thức về nhiều môn học trong đó có môn điện tử công suât,
qua các bài giảng của các thầy cô và quá trình tìm hiểu em đã hoàn thành
bản đồ án này.
Đây là mảng đề tài khá rộng, với khối lợng công việc lớn và mới mẻ
đối với chúng em cho nên em đã gặp một số khó khăn trong qúa trình thiết
kế, song đợc sự hớng dẫn tận tình của các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn,
đặc biệt là thầy giáo Phạm Quốc Hải và sự giúp đỡ nhiệt tình của các
bạn cùng lớp, nên em đã hoàn thành bản đồ án này. Em xin chân thành cảm
ơn sự giúp đỡ quí báu đó. Tuy nhiên do hạn chế về thời gian cũng nh về trình
độ của bản thân, nên không tránh khỏi còn nhiều chỗ thiếu sót, em rất
mong đợc sự chỉ bảo của các thầy cô giáo và các bạn để em hoàn thiện hơn
bản đồ án này.
Trong bản đồ án này em xin trình bày một số nội dung sau :
Chơng 1 : Giới thiệu Chung về động cơ điện một chiều.
Chơng 2 : Các phơng án tổng thể.
Chơng 3: Phân tích sự hoạt động của mạch thiết kế.
Chơng 4 : Thiết kế và tính toán mạch lực
Chơng 5 : Tính toán và thiết kế mạch điều khiển.


Sinh viên thiết kế
Đinh anh Dũng
1
Chơng I

Giới thiệu Chung về động cơ điện một chiều
I.Động cơ điện một chiều
1. Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều
Trong nền sản xuất hiện đại , động cơ một chiều vẫn đợc coi là một loại
máy quan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng
nguồn điện xoay chiều thông dụng .
Do động cơ điện một chiều có nhiều u điểm nh khả năng điều chỉnh tốc độ
rất tốt , khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải . Chính vì vậy
mà động cơ một chiều đợc dùng nhiều trong các nghành công nghiệp có yêu
cầu cao về điều chỉnh tốc độ nh cán thép , hầm mỏ, giao thông vận tải
mà điều quan trọng là các nghành công nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn điện
một chiều .
Bên cạnh đó, động cơ điện một chiều cũng có những nhợc điểm nhất định
của nó nh so với máy điện xoay chiều thì giá thành đắt hơn chế tạo và bảo
quản cổ góp điện phức tạp hơn ( dễ phát sinh tia lửa điện ) nhng do những -
u điểm của nó nên động cơ điện một chiều vẫn còn có một tầm quan trọng
nhất định trong sản suất .
Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều hiện nay vào khoảng
10000 KW , điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000 V . Hớng phát triển
hiện nay là cải tiến tính năng của vật liệu , nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động
cơ và chế tạo những động cơ có công suất lớn hơn

2.Cấu tạo của động cơ điện một chiều.
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính : phần tĩnh và
phần động.
2.1.Phần tĩnh hay stato.
Đây là đứng yên của máy , bao gồm các bộ phận chính sau:
a, Cực từ chính : là bộ phận sinh ra từ trờng gồm có lõi sắt cực từ và dây
quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ . Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép
kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt . Trong

động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối . Cực từ đợc gắn chặt vào vỏ máy
nhờ các bulông . Dây quấn kích từ đợc quấn bằng dây đồng bọc cách điện và
mỗi cuộn dây đều đợc bọc cách điện kỹ thành một khối tẩm sơn cách điện tr-
ớc khi đặt trên các cực từ . Các cuộn dây kích từ đợc đặt trên các cực từ này
đợc nối tiếp với nhau.
b, Cực từ phụ : Cực từ phụ đợc đặt trên các cực từ chính và dùng để cải
thiện đổi chiều . Lõi thép của cực từ phụ thờng làm bằng thép khối và trên
2
thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu rạo giống nh dây quấn cực từ chính.
Cực từ phụ đợc gắn vào vỏ máy nhờ những bulông.
c, Gông từ : Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời
làm vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thờng dùng thép dày uốn và hàn
lại. Trong máy điện lớn thờng dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ
dùng gang làm vỏ máy.
d, Các bộ phận khác.
Bao gồm:
- Nắp máy : Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm h hỏng dây
quấn và an toàn cho ngời khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và
vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trờng hợp này nắp
máy thờng làm bằng gang.
- Cơ cấu chổi than : Để đa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi
than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặy
lên cổ góp. Hộp chổi than đợc cố định trên giá chổi than và cách điện
với giá. Giá chổi than có thể quay đợc để điều chỉnh vị trí chổi than cho
đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại.
2.2 Phần quay hay rôto.
Bao gồm những bộ phận chính sau :
a, Lõi sắt phần ứng : Dùng để dẫn từ. Thờng dùng những tấm thép kỹ
thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm
tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để

sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào.
Trong những động cơ trung bình trở lên ngời ta còn dập những lỗ thông
gió để khi ép lạ thành lõi sắt có thể tạo đợc những lỗ thông gió dọc trục.
Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thờng chia thành những đoạn
nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy
làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt.
Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng đợc ép trực tiếp vào
trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá
rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lợng rôto.
b, Dây quấn phần ứng.
Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện
chạy qua. Dây quấn phần ứng thờng làm bằng dây đồng có bọc cách điện.
Trong máy điện nhỏ có công suất dới vài kW thờng dùng dây có tiết diện
tròn. Trong máy điện vừa và lớn thờng dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn
đợc cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để
đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit.
3
c, Cổ góp : Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ
góp gồm nhiều phiến đồng có đợc mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày
từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng
hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện
bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần
tử dây quấn và các phiến góp đợc dễ dàng.
d, Các bộ phận khác.
- Cánh quạt : Dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều th-
ờng chế tạo theo kiểu bảo vệ, ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh
quạt lắp trên trục máy , khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào
động cơ. Gió đi qua vành góp, cực từ lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió
ra ngoài làm nguội máy.

- Trục máy : Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục
máy thờng làm bằng thép cacbon tốt.
3. Phân loại máy điện
Động cơ điện một chiều phân loại theo cách kích thích từ thành động
cơ điện kích hích độc lập, động cơ điện kích thích song song ,kích thích nối
tiếp,kích thích hỗn hợp
Trên thực tế đặc tính của động cơ kích từ độc lập và kích thích song
song là giống nhau nên khi cần công suất lớn ngời ta thờng dùng động cơ
kích từ độc lập để có thể điều chỉnh dòng điện kích thích đợc thuận tiện do
đó mà điều chỉnh tốc độ dễ dàng và kinh tế hơn mặc dù nó đòi hỏi có dòng
bên ngoài.
Trong đồ án này ta xét đến động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Sơ đồ

Khi mà nguồn một chiều có công suất không quá lớn thì mạch phần
ứng và mạch từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên gọi là động
cơ điện một chiều kích từ độc lập
4
E
R
f
R
f
U
I
kt
R
kt
U
CKT

U
kt
4 Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều
Khi cho điện áp U vào hai chổi than A,B trong dây quấn phần ứng sinh
ra dòng điện I .Các thanh dẫn ab,cd có dòng điện nằm trong từ trờng sẽ chịu
tác dụng của lực F
đt
tác dụng làm cho Roto quay ,khi phần ứng quay nửa
vòng thì vị trí các thanh dẫn ab,cd đổi chỗ cho nhau do đó các phiến góp đổi
chiều dòng điện giữ cho chiều tác dụng không đổi đảm bảo động cơ có chiều
quay không đổi,khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trờng sẽ cảm ứng sức
điện động E ,chiều quay xác định theo quy tắc bàn tay trái
Phơng trình phần ứng
U = E +R.I
II. Điều chỉnh tốc độ động cơ và đảo chiều
1) Phơng trình đặc tính cơ
U = E +(R +R
f
)I

U : Điện áp phần ứng
E : Suất điện động phần ứng
R ,R
f
: Điện trở phần ứng,điện trở phụ trong mạch
phần ứng
I

: Dòng điện mạch phần ứng
R =r +r

ct
+r
b
+r
tc
r : Điện trở cuộn dây phần ứng
r
ct
: Điện trỏ cực từ phụ
r
b
: Điện trở cuộn bù
r
tx
: Điện trở tiếp xúc chổi điện
E =



.2
.
K
a
NP
=

a
NP
K
2

.

=
P : Số cực từ chính
N : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

: Từ thông kích từ dới một cực từ W
b

: Tốc độ góc (Rad/s)
E = K
e
.
n.

u
fuufu
u
I
K
RR
K
U
K
IRRU
K
E


)(

.
).(
.
+
=
+
==
Mômen điện từ M
đt
=K.

.I
5
E
I
R
f
U
I
kt
R
kt
U
CKT
U
kt
Suy ra I =

.K
M

dt
Nếu bỏ qua tổn thất coi mômen điện từ bằng mômen cơ đầu trục
M
đt
=M
cơ
=M
M
K
RR
K
U
fu
u
.
).(
.
2



+
=
(1)
Mômen phụ thuộc vào từ thông và dòng phần ứng
Từ phơng trình (1) suy ra : để thay đổi tốc độ động cơ ta có thể dùng phơng
pháp thay đổi điện áp phần ứng U ,từ thông

tức là thay đổi dòng kích từ
I

kt
và thay đổi điện trở phần ứng R ,R
f

M =K.

.I .do đó muốn đảo chiều động cơ tức là đảo chiều mômen M
ta có thể dùng phơng pháp đảo chiều từ thông (tức là đảo chiều dòng kích từ
I
kt
) hoặc là đảo chiều dòng điện phần ứng I
2. Các phơng pháp thay đổi tốc độ
a) Phơng pháp thay đổi từ thông

,thay đổi dòng kích từ I
kt
.Với một phụ
tải M
c
nhất định .Khi

giảm tốc độ động cơ tăng lên


Khi kích thích dòng khác nhau đặc tính cơ nhận đợc khác nhau và độ dốc
khác nhau.Giao điểm mômen cản M =f(I) với các đờng trên cho biết tốc độ
xác lập ứng với thông số khác nhau của từ thông .
b) Thay đổi điện áp phần ứng
- Để điều chỉnh điện áp phần ứng đông cơ điện một chiều cần có thiết bị
nguồn nh máy phát điện một chiều kích từ độc lập , các bộ chỉnh lu điều

khiển các thiết bị này có chức năng biến đổi lợng xoay chiều thành một
chiều có suất điện động E
b
điều chỉnh đợc là nhờ tín hiệu U
đk


6
M(I
u
)
n
I
u
dm

nodm
BBĐ
LK
- Phơng trình đặc tính cơ của hệ thống nh sau:

u
dm
bud
dm
b
I
K
RR
K

E
.

+


=

- Vì từ thông của động cơ đợc giữ không đổi nên độ cứng của đặc tính
cơ cũng không thay đổi còn tốc độ không tải lý tởng tuỳ thuộc vào giá
trị điện áp U
đk
của hệ thống do đó có thể nói phơng pháp điều chỉnh
này là triệt để
- Để xác định dải điều chỉnh tốc độ ta thấy rằng tốc độ lớn nhất của hệ
thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính ứng với điện áp định mức
và từ thông cũng giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều
chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động ,
khi mômen tải là định mức thì giá trị lớn nhất va nhỏ nhất của tốc độ
là


dm
M
=
max0max



dm

M
=
min0min
Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh
phải có mômen ngắn mạch là:
M
nmmin
= M
cmax
= K
M
.M
đm
Trong đó : K
M
hệ số quá tải về mômen, do họ đặc tính cơ là những đờng
thẳng song song với nhau nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có
thể viết:

( ) ( )
( )
1
1
1
1
1
max0
max0
minmin

=


=
==
M
dm
dm
M
dm
M
dm
dmnm
K
M
M
K
M
D
K
M
MM






* Phạm vi điều chỉnh phụ thuộc tuyến tính vào

3.Vấn đề đảo chiều
7

min

0min

max

omax
M
đm
M
nmmin

đk1

đk2
Chiều quay động cơ phụ thuộc vào chiều quay mômen có thể dùng hai
phơng pháp .Hoặc thay đổi chiều dòng phần ứng I hoặc đổi chiều từ thông
(đổi chiều dòng kích từ I
kt
).
Nếu dùng phơng pháp đảo chiều dòng kích từ .Khi máy đang quay thì
do hệ số điện cảm của cuộn dây kích thích lớn (do có nhiều vòng dây) nên
khi thay đổi dòng kích thích I
kt
thì xuất hiện suất điện động cảm ứng rất cao
gây ra điện áp làm đánh thủng cách điện dây quấn kích thích .
Do đó để đảo chiều quay động cơ ta chon phơng pháp đảo chiều dòng

phần ứng I
4) Một số yêu cầu kỹ thuật khác
a) Độ trơn

i
i



1
+
=

Trong đó :
1
,
+
ii

là tốc độ ổn định của động cơ đạt đợc ở cấp i ,i+1


1

tức là hệ truyền động có thể ổn định ở mọi vị trí trong toàn dải
điều chỉnh
b) Dải điều chỉnh tốc độ
Là phạm vi điều chỉnh là tỉ số giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của
tốc độ làm việc ứng với mômen tải đã cho

min
max


=
D
Trong đó :
max

bị hạn chế bởi độ bền động cơ và độ bền của vành góp

min

bị chặn bởi yêu cầu về mômen khởi động ,khả năng quá
tải và sai số tốc độ làm việc cho phép.
c) Chống mất kích từ
Khi mở máy phải đảm bảo chống mất kích từ mà nguyên nhân là do ngắn
mạch kích thích
Vì khi đó E = 0 nên I =
uu
u
R
U
R
EU
=


Do U không đổi và R rất nhỏ (điện trở cuộn dây phần ứng) nên I rất lớn làm
cháy dây quấn và vành góp

Cách khắc phục điều này là phải có bộ phận nhận biết đợc mất kích từ
(
0
=

và do đó I =0) thì lập tức ngắt nguồn cấp cho phần ứng tức U = 0.
Khi đó I không lớn và tránh đợc sự cố trên.
Chơng 2
8
Các phơng án tổng thể
Để lựa chọn đợc một phơng án thích hợp với yêu cầu Cấp điện cho đông cơ
điện 1 chiều kích từ độc lập có đảo chiều theo nguyên tắc điều kiển riêng ta
cần phải lựa chọn 1 phơng án điều chỉnh tốc độ và sơ đồ mạch lực phù hợp
I .Lựa chọn phơng án điều chỉnh tốc độ đông cơ
Nói chung ta có thể tiến hành điều chỉnh tốc độ động cơ theo 2 phơng pháp
chủ yếu nh đã nêu ơ trên : Điều chỉnh điện áp phần ứng và điều chỉnh từ
thông
Phơng pháp điều chỉnh từ thông .
Phơng pháp điều chỉnh từ thông có thể thay đổi tốc độ đợc một cách
liên tục và kinh tế nhng chỉ có thể điều chỉnh đợc tốc độ trong vùng trên
tốc độ định mức và bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí
Phơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng .
Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng có thể
điều chỉnh tốc độ 1 cách liên tục và dễ dàng thực hiện bằng cách thay đổi
góc điều kiển . Mặt khác phơng pháp này trong quá trình điều kiển
thay đổi tốc độ thì không tiêu hao năng lơng và momen của đông cơ
không đổi .
Nhân xét :
Từ những phân tích ở trên ta lựa chọn phơng án điều chỉnh tốc độ của đông
cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

II. Lựa chọn phơng án mạch lực.
Để thay đổi và đảo chiều của động cơ điện 1 chiều chúng ta buộc phải thiết
kế các bộ chỉnh lu đảo chiều với sơ đồ nguyên lý nh sau .
Dựa vào công suất cung cấp cho tải mà ta lựa chọn mạch chỉnh lu là một pha
hay mạch chỉnh lu 3 pha .Thông thờng theo kinh nghiêm ta có :
+ Nếu công suất của mạch cung cấp lớn hơn 5 ữ 7 kW ta sử dụng
mạch chỉnh lu 3 pha
9
CL II
Tải
R
f
+ Nếu công suất của mạch cần cung cấp nhỏ hơn 5 ữ 7 kW ta sử dụng
mạch chỉnh lu 1 pha
- Công suất mạch phần ứng :
P = 600.5 = 3000W = 3kW < 5 ữ 7 kW nên ta sử dụng mạch
chỉnh lu 1 pha để cung cấp cho phần ứng.
- Công suất mạch phần cảm :
P
cảm
= 400.0,6 = 240W = 0,24kW < 5 ữ 7 kW nên ta sử dụng
mạch chỉnh lu 1 pha để cung cấp cho phần cảm.
Các sơ đồ chỉnh lu 1 pha
1. Chỉnh lu một nửa chu kỳ .
Với sơ đồ này sóng điện áp ra một chiều bị gián đoạn trong một nửa
chu kỳ khi điện áp anốt của van bán dẫn âm , do đó khi sử dụng sơ đồ chỉnh
lu một nửa chu kỳ chất lợng điện áp tải xấu .
Điện áp tải trung bình lớn nhất trên tải
U
do

= 0,45U
2
Vì chất lợng điện áp xấu nên hiệu suất của máy biến áp cũng thấp .
S
ba
= 3,09.U
d
.I
d
+Ưu điểm
- Là loại chỉnh lu có nguyên lý đơn giản ít van
+Nhợc điểm
- Chất lợng điện áp xấu
- Hiệu suất sử dụng máy biến áp thấp

2. Chỉnh lu cả chu kỳ với biến áp có trung tính

T2
U1
0
0
1
1
2
2
3
3
4
4
5

5
R
U2
U2
T1
L
10
0
0
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
U2
R
L
T
U1
Dạng dòng ,áp trên tải và điện áp ngợc trên van T
1
trong trờng hợp
tải điện cảm lớn

Xét với tải RL , điện cảm lớn để lọc dòng và áp có chất lợng tốt

- Biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt nhau, ở mỗi
nửa chu kỳ có một van dẫn cho dòng chảy qua
- Khi = cho phát xung mở T
1
, T
1
dẫn do điện áp đầu anot dơng và có
xung mở . Khi = , điện áp trên anot = 0 nhng do có cuộn cảm L nên vẫn
còn dòng điện I
d
nên T
1
cha khoá , T
1
tiếp tục dẫn cho đến khi = + ,
phát xung mở T
2
thì T
1
bị khoá và T
2
dẫn . T
1
khoá không phải dòng đã về 0
mà là do T
2
dẫn .
T
2
lại dẫn cho đến khi = 2 + , T

1
đợc phát xung mở , T
1
dẫn và T
2
bị
khoá lại.
Quá trình cứ nh vậy cho đến khi điện áp tải đập mạch có tần số bằng 2
lần tần số điện áp xoay chiều .
Với : là góc điều khiển mở .
+ Điện áp trung bình trên tải
11
I
i
T1
d
i
d
I
d
o
a
Ud
2?
U
d
o
2 ?
i
T1

I
d
U
d
=

2
2

+


.2
U
2
.sind =

22
.U
2
.cos = U
do
.cos
U
do
=

22
.U
2

= 0,9.U
2
:
Điện áp chỉnh lu không điều khiển khi tải là thuần trở .
+ Điện áp ngợc trên van là lớn
U
nv
= 2
2
U
2

Tải có điện cảm lớn nên dòng tải liên tục i
d
= I
d

Mỗi van dẫn thông một nửa chu kỳ
+ Dòng hiệu dụng qua van (chính là dòng hiệu dụng qua máy biến áp).
I
hd
=




2
0
2
.

2
1
dI
d
=
2
Id
= 0,71.I
d

+ Hệ số đập mạch K
đm
= 0,67.
+ Công suất máy biến áp S
ba
= 1,48.U
d
I
d

Nhận xét :
+ Ưu điểm :
- So với chỉnh lu một nửa chu kỳ thì chỉnh lu hình tia có điện
áp với chất lợng tốt hơn
- Dòng qua van không quá lớn
- Điều khiển van đơn giản
+ Nhợc điểm
- Chế tạo máy biến áp phải có 2 cuộn giống nhau mỗi cuộn làm
việc 1nửa chu kỳ
- Chế tạo biến áp phức tạp

- Hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn
- Điện áp ngợc trên van là lớn .

3. Chỉnh lu cầu một pha

Các đặc tính điện áp tải , dòng qua tải , dòng qua van và điện áp ngợc
trên van trong trờng hợp tải RL , R đủ lớn để đảm bảo dòng qua tải là liên
tục đợc biểu diễn trên hình vẽ
12

- Mạch có T
1
, T
3
chung Katot
T
2
, T
4
chung Anot
Nửa chu kỳ đầu U
2
> 0 , Anot của T
1
dơng , Katot của T
2
âm . Nếu có
xung điều khiển mở đồng thời T
1
và T

2
thì cả hai van này đợc mở thông và
đặt điện áp lới lên tải U
d
= U
2
. Điện áp tải một chiều bằng điện áp xoay
chiều (U
d
= U
2
) cho đến khi nào T
1
, T
2
còn dẫn .(Khoảng dẫn của các van
phụ thuộc vào tải ) .
Nửa chu kỳ sau, điện áp đổi dấu , anot của T
3
dơng và katot T
4
âm ,
nếu có xung điều khiển mở đồng thời T
3
,T
4
thì các van này đợc mở thông và
U
d
= - U

2
, với điện áp một chiều có cùng chiều với nửa chu kỳ trớc
+ Giá trị trung bình của tải
U
d
=

+




dU .sin.2
2
2
2
=

cos.
2
22
2
U
= U
do
cos.
U
do
: điện áp trung bình tải trong chỉnh lu cầu không điều khiển .
+ Dòng qua máy biến áp cũng bằng dòng qua van (khi van mở) .

+ Giá trị hiệu dụng dòng thứ cấp biến áp
I
2
=

+




2
2
2
d
I
= I
d

+ Điện áp ngợc lớn nhất van phải chịu
13
i
2
I
d
U
T1
o
2 ?
I
d

i
T1T2
I
d
i
d
I
d
0
a
2 ?
i
T3T4
U
d
U
nv
=
2
U
2

+ Dòng làm việc của van tính theo giá trị trung bình
I
T
=

+

2
2
1
d
I
=
2
Id
= 0.71 I
d
+ Hệ số đập mạch k
đm
= 0,67
+ Công suất biến áp S
ba
= 1,23P
d
Nhận xét :
Chất lợng điện áp của chỉnh lu cầu một pha giống nh chỉnh lu hình tia .
Hình dạng đờng cong điện áp , dòng tải , dòng qua van bán dẫn , hệ số đập
mạch nh trong chỉnh lu hình tia .
+ Ưu điểm :
- Điện áp ngợc trên van nhỏ hơn một nửa so với chỉnh lu hình tia
U
nv
=
2
U

2
.
- Máy biến áp chế tao đơn giản hơn , và có hiệu suất cao hơn so với
chỉnh lu hình tia .
+ Nhợc điểm :
- Số van nhiều hơn
- Điều khiển van T
1
,T
2
và nhóm T
3
, T
4
phải đồng thời nên khó
khăn hơn.
Nhận xét chung
Từ các phân tích trên ta lựa chọn mạch lực là mạch chỉnh lu điều khiển
cầu một pha.
Do yêu cầu cấp điện cho động cơ có đảo chiều theo nguyên tắc điều kiển
riêng nên ở đây ta lựa chọn sơ đồ cầu 1 pha đối xứng vì sơ đồ cầu 1 pha
không đối xứng có hệ số cos cao hơn nhng không đảo chiều dòng điện ra
tải .
Vậy ta lựa chọn sơ đồ mạch lực cung cấp cho phần ứng và phần cảm
của động cơ nh sau:
Sơ đồ mạch lực cung cấp cho phần ứng .
14
R
u
E

u
L
u
T
1

T
3

T
2

T
4

T
1
T
3
T
4
T
2
S¬ ®å m¹ch lùc cung cÊp cho phÇn c¶m.
Ch¬ng 3
Ph©n tÝch sù ho¹t ®éng cña m¹ch thiÕt kÕ
i.nguyªn lý ho¹t ®éng cña m¹ch lùc .
15
T
1

T
3
D
2
D
4
R
f
R
f
Mạch lực bao gồm 2 sơ đồ cầu hoạt động độc lập riêng rẽ : bộ chỉnh lu
I chạy thì bộ chỉnh lu II không chạy , ngợc lại bộ chỉnh lu II chạy thì bộ
chỉnh lu I nghỉ .
Do vậy khi bình thờng 1 bộ hoạt động ơ chế độ chỉnh lu thì sơ đồ
mạch lực lúc này là sơ đồ cầu 1 pha .
1.Sự hoạt động của sơ đồ cầu 1 pha nh sau :
Tải ta coi tải là RLE , cuộn cảm L đợc thêm vào để lọc điện áp và dòng .
a) Mạch hoạt động khi L
a
= o
+ = phát xung mở T
1
, T
2

T
1
T
2
dẫn T

3
, T
4
khoá
Điện áp ra tải U
d
= U
2
+ = + phát xung mở T
3
, T
4

T
1
, T
2
khoá ; T
3
, T
4
dẫn (mở)
Điện áp ra tải U
d
= - U
2

+ Điện áp trung bình tải
U
d

=

22
U
2
cos
+ Điện áp ngợc lớn nhất trên van
U
nv
=
2
.2 U

+ Dòng liên tục nên i
d
=I
d

+ Phơng trình mạch tải

.2
2
U
sin

=R.i
d
+X
L
.

dt
di
+E


++++
++=












d
E
diXiRdU
dLd
.
1
.
1
.sin2
1
2

U
d
=RI
d
+E
+ Dòng hiệu dụng thứ cấp máy biến áp
I
2
=
dd
IdI
=

+




2
1
16
b) Trùng dẫn
Trong máy biến áp có cuộn dây nên có điện cảm L
a
nên trong mạch sẽ xẩy
ra hiện tợng trùng dẫn.
Giả sử T
1
,T
2

đang mở cho dòng chảy qua i
T1
=

i
T2
=I
d

Khi

+=
phát xung mở T
3
,T
4

Vì có L
a
nên dòng i
T1
,i
T2
không giảm đột ngột về 0 và dòng i
T3
,i
T4
cũng
không tăng đột ngột từ 0 đến I
d

Lúc này cả 4 van cùng mở thông cho dòng chảy qua ,phụ tải bị ngắn mạch
u
d
=0
Nguồn e
2
bị ngắn mạch sinh ra dòng ngắn mạch i
c

Phơng trình

).(sin2
2 aa
a
a
LX
d
di
XU



==
i
c
=
))cos((cos
.2
)sin(

.2
2
0
2


+=+

cc
X
U
X
U
Đặt i
c
= i
c1
+ i
c2
, i
c1
= i
c2
= 0,5.i
c

i
c1
: làm tăng dòng trong T
4

và làm giảm dòng trong T
2

I
c2
: làm tăng dòng trong T
3
và làm giảm dòng trong T
1


( )( )

+=
coscos
.2
.2
2
4,3
c
T
X
U
i


( )( )

+=
coscos

.2
.2
2
2,1
c
dT
X
U
Ii
Khi kết thúc giai đoạn trùng dẫn tức khi
,
à
=
thì i
T1,2
= 0
( )
2
.2
2
coscos
U
IX
dc
=+
à
Ta thấy so với không trùng dẫn đặc tính điện áp sụt một phần và đó là sụt
áp gây ra do trùng dẫn
à
U

( ) ( )( )
à



à
à
+=+=

coscos.
.2
sin 2
.2
2
2
0
2
U
dUU
17
i
T3
i
T1
I
d
0
i

d
Ud
2


R
f

à
dc
IX
U
2
=
khi đó giá trị trung bình điện áp trên tải là
U
d

= U
d
-



dcdc
IX
U
IX 2
cos
2.2 2

2
=

U
d

= R.I
d
+E
2. Sự hoạt động của mạch trong quá trình ta đảo chiều động cơ
Trong quá trình ta đảo chiều động cơ ta cần 1 bộ điều kiển lôgic để thực
hiện các bớc đảo chiều nh sau :
Giả sử ta chuyển từ sự làm việc của bộ chỉnh lu I sang bộ chỉnh lu II
Ta cần thực hiện thứ tự các bớc nh sau
1. Ngắt xung điều khiển bộ chỉnh lu I
2. Đo dòng chạy qua tải để xác định dòng điện về không
3. Sau khi phát hiện dòng về không phải dữ trữ 1 thời gian trễ > t
ph

đủ để đảm bảo thyristor đã khoá chắc khi đó mới phát xung để điều
khiển van kia
4. Phát xung điều kiển cho các van ở bộ chỉnh lu II
Nếu suất điện động E
d
cha đảo chiều ,thì không đợc chạy bộ chỉnh lu II
với < 90
0
vì lúc đó suất điện động E
d
và I

d
cùng chiều nhau , trờng hợp nay
dễ gây sập nghịch lu do dòng điện rất lớn .Do đó bắt đầu phải điều khiển ở
bộ chỉnh lu II lớn hơn 90
0
, lúc đó bộ chỉnh lu II làm viêc ở chế độ nghịch lu
phụ thuộc .
a) Chế độ nghịch lu phụ thuộc trong sơ đồ cầu 1 pha nh sau :
Trong đông cơ điện một chiều có sức phản điện động ,trong điều kiện
nào đó nó có thể làm việc ở chế độ nghịch lu - là chế độ biến đổi năng lợng
dòng một chiều phía tải

thành dòng điện xoay chiều cấp trở lại lới điện, chế
độ làm việc nh vậy chính là khi ta hãm tái sinh để tiết kiệm năng lợng .
Để sức điện động E phát năng lợng trở lại lới điện thì dòng và áp phải
ngợc chiều nhau U
d
và I
d
ngợc nhau
Do dòng điện chỉ chảy theo một chiều từ A đến K của thyristor nên ta
điều chỉnh sao cho
- Chiều dòng nh cũ
- Đảo chiều sức điện động E
d

- ở trong chế độ chỉnh lu với góc mở là


thì U

d
=U
d0
.cos

.
Nên nếu
0
2
<>
d
U


tức là điện áp trên tải thay đổi cực tính và ngợc
chiều van .Do đó để duy trì dòng chảy qua van từ A đến K của van thì ta phải
đảo chiều E
d
và đảm bảo
d
UE
>
vậy ở chế độ chỉnh lu ,dòng trong mạch
18
đợc duy trì bởi U
d
E > 0 thì trong chế độ nghịch lu phụ thuộc dòng đợc
duy trì bởi
0
>

d
UE
Trong chế độ nghịch lu lới điện nhận năng lợng từ phía tải
Điều kiện hoạt động chế độ nghịch lu phụ thuộc
-
2

>


- Đảo chiều E
d

- Đảm bảo
d
UE
>
Xét dạng điện áp trên tải .
Trong mạch có điện cảm biến áp nên nó có quá trình trùng dẫn với góc trùng
dẫn
à
Xét T
1
,T
2
đang dẫn ,

=
phát xung mở T
3

,T
4
,U
A
> U
K
nên có dòng
qua van và T1,T
2
vẫn còn dẫn từ đó 4 van cùng dẫn trong khoảng
à
.
Sau đó T
1
,T
2
khoá và T
3
,T
4
mở
Điện áp ngợc trên van T1 ,T
2

U
nv
=
( )

22

sin 2 UU
=
Điện áp ngợc chỉ xuất hiện trên van trong khoang từ
à
+=
đến

=
vì
sau đó điện áp trên T
1
,T
2
lại là thuận (U
A
> U
K
)
Nh vậy trong một chu kỳ làm việc mỗi van chỉ chịu điện áp ngợc trong
khoảng từ
à
+=
đến

=
tức là trong khoảng thời gian
)(
à
+=

khoảng thời gian này khá nhỏ .
Nếu
off
à
<+
)(
(ứng với thời gian phục hồi Thyristor)
Thyristor sẽ tự mở trở lại không cần dòng điều khiển (mở tự nhiên )
Khi đó trong mạch cả hai nguồn cùng phát năng lợng khi đó I
d
rất lớn gây
sự cố sập nghịch lu .
Do đó để an toàn phải có
off
à
>+
)(

Chọn
o
off
10
=

( ứng với t
off
=555
s
à
thì có thể khoá van Thyristor thông

thờng )
)(
off
à
+<
Vậy góc mở

phải thoả mãn trong nghịch lu phụ thuộc là

)(
2
off
à
+<<

19

0
2
à
Ud

II.Phơng pháp điều khiển riêng
Để thực hiện quá trình đảo chiều cho động cơ ta cần có 1 bộ điều
khiển Lôgic. Sơ đồ của bộ điều khiển Lôgic nh sau :
Khi điều khiển riêng hai bộ biến đổi làm việc riêng rẽ nhau, tại một
thời điểm chỉ phát xung điều khiển vào một bộ biến đổi còn một bộ bién đổi
kia bị khoá do cha có xung điều khiển. Hệ có hai bộ biến đổi là BĐ1và BĐ2
với các mạch phát xung điều khiển tơng ứng là FX1 và FX2 . Trật tự hoạt
động của bộ phát xung này đợc quy định bởi các tín hiệu lôgic b1 và b2.

Quá trình hãm và đảo chiều đợc mô tả bằng đồ thị thời gian. Trong khoảng
thời gian từ 0 -> t
1
bộ BĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lu với
1
< /2 còn bộ
BĐ2 thì khoá . Tại t
1
phát lệnh đảo chiều bởi i
LĐ
góc điều khiển
1
tăng đột
biến lớn hơn /2 dòng điện phần ứng giảm về không lúc này các xung để
khoá bộ BĐ1 . Thời điểm t
2
đợc xác định bởi cảm biến dòng điện SI1. Trong
khoảng thời gian trễ t= t
3
t
2
bộ BĐ1 bị khoá hoàn toàn, dòng điện phần
ứng bị triệt tiêu. Tại t
3
sđđ E vẫn còn dơng, tín hiệu lôgic b2 kích cho FX2
mở BĐ2 với góc > /2 và sao cho dòng điện phần ứng không vợt quá giá
trị cho phép động cơ đợc hãm tái sinh. Nếu nhịp điệu giảm
2
phù hợp với
quán tính của hệ thì có thể duy trì dòng điện hãm và dòng điện khởi động

ngợc không đổi , điều này đợc thực hiện bởi các mạch vòng điều chỉnh tự
động dòng điện của hệ thống trên sơ đồ của khối lôgic LOG , i
LĐ
, i
L1
, i
L2
là
các tín hiệu lôgic đầu vào b1,b2 là các tín hiệu lôgic đầu ra để khoá các bộ
phát xung điều khiển.
i
LĐ
= 1 phát xung điều khiển mở BĐ1.
i
LĐ
= 0 phát xung điều khiển mở BĐ2.
i
1L
(i
2L
) = 1 có dòng điện chảy qua bộ BĐ1 và BĐ2
b1(b2) = 1 khoá bộ phát xung FX1 và FX2.
20
1
2L
i
Ld
b
1
b

2
b
1
b
2
Từ mạch lôgic trên ta có:
LLLD
LLLD
iiib
iiib
1
__
22
2
__
1
__
1
.
.
+=
+=
Nhận xét:
Hệ truyền động van đảo chiều điểu khiển riêng có u điểm là làm việc
an toàn ,không có dòng điện cân bằng chảy giữa các bộ biến đổi nên
không cần thiết kế cuộn kháng cân bằng ,song cần một khoảng thời
gian trễ trong đó dòng điện động cơ bằng không.
Do nguyên tắc điều khiển riêng dùng hai bộ biến đổi làm việc độc lập,
trong một thời điểm thì chỉ có một bộ BĐ làm việc còn bộ BĐ kia phải
chắc chắn khoá( có nghĩa là dòng điện qua bộ BĐ này phải bằng 0). Ta

sẽ dùng xenxơ dòng điện để nhận biết có dòng điện chạy qua bộ BĐ hay
không. xenxo dòng này ta dùng điện trở shunt .điện trở này khi có dòng
qua nó thì một điện áp cỡ 60 mV lấy ra ở đầu ra .tín hiệu này qua bộ
khuyếch đại thuật toán để khuyếch đại điện áp này

Ta dùng một khâu thuật toán so sánh LM311: tín hiệu dòng điện qua
xenxơ đợc hạ trên một điện trở R
S
tạo ra tín hiệu điện áp V
i
.
Đầu ra chân 7 mắc với nguồn nuôi +5V qua điện trở kéo lên 1k. Đất của bộ
so chân 1 đợc mắc vào đầu nối đất của mạch. Cách mắc này dẫn đến đầu ra
có các trạng thái khả dĩ là 0 và 5V .Lôgic của mạch là:
V
0
=5V đối với V
i
> 0
V
0
=0V đối với V
i
< 0
Nếu V
0
= 5V nghĩa là bộ BĐ đó có dòng điện chạy qua.
Nếu V
0
= 0V có nghĩa là bộ BĐ đó không có dòng điện chạy qua .

Do mạch điểu khiển riêng cần có thời gian tạo trễ nên ta chọn bộ tạo
trễ là mạch 555
21
-E
+E
R
23
R
24
R
22
A
5
U
I
0
0
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
8
6
7

4
2
1
3
5
555
+U
R1
R2
C1 C2
Ura
a.
Góc phục hồi
off

=10
o
thời gian phục hồi T
off
=555
s
à
T = R
1
.C
1
= 555.10
-6

chọn R

1
= 470

và C
1
= 1,5
F
à
Chơng IV
Thiết kế và tính toán mạch lực
I. Tính chọn Tiristo
Khi lựa chọn van ta dựa vào 2 thông số cơ bản quan trọng nhất là dòng
điên qua van và điện áp ngợc lớn nhất mà van chịu đợc , các thông số cơ bản
của van đợc tính nh sau :
+ Điện áp ngợc đặt lên van :
U
lv
= U
ng.max
= k
nv
. U
2
= k
nv
. U
dm
/ k
u
Trong đó :

k
nv
, k
u
lần lợt là hệ số điện áp ngợc và hệ số điện áp của mạch lực
22
Đối với sơ đồ cầu 1 pha thì : k
nv
= 1,41 ; k
u
= 0,92
U
đm
là điện áp cung cấp cho phần ứng : U
đm
= 600V
Do đó : U
ng.max
= 1,41.
9,0
600
= 940V
+ Dòng điện làm việc của van cần có
I
lv
= I
hd
= k
hd
.I

đm
Trong đó :
I
hd
là dòng điện hiệu dụng qua van
K
hd
là hệ số hiệu dụng ứng với sơ đồ cầu 1 pha k
hd
= 0,71
I
đm
là dòng điện qua tải ( cung cấp cho phần ứng )
Do đó : I
lv
= 0,71.5 = 3,55 A
Để sơ đồ làm việc tin cậy ta cần phải la chọn các van có độ dữ trữ , do
đó ta chọn thông số của van :
+ Điện áp ngợc của van cần chọn
U
ng-v
= k
dt-U
. U
ng-max

Với K
dt
=1,6 ữ 2 là hệ số dữ trữ điện áp , chọn k
dt -U

= 1,6
Do đó : U
ngmax
= 1,6.940 = 1504V 1,5 kV
+ Dòng điện hiệu dụng của van đợc chọn
I
hd-v
= k
dt-I
.I
lv

Với k
dt-i
là hệ số dữ trữ dòng điện , chọn k
dt-I
= 4
Do đó : I
hd-v
= 4.3,55 = 14,2 A
- Dựa vào 2 thông số I
hd-v
và U
ng.max
ta lựa chọn van có số liệu nh bảng sau

Ký U
n
(V)
I

hd
(A)
I
g
(A)
U
g
(V)
I
h
(A)
I
r
(A)
U
(V)
dt
du
(V/s)
T
C
(às)
T
max
(
0
C)
T35-
N-
1800

BOF
1800 35 0,12 1,4 0,2 0,02 2 1000 120 125
Trong đó :
- Điện áp ngợc van : U
n
= 1800 (V)
- Dòng hiệu dụng van : I
đm
= 35 (A)
- Dòng xung điều khiển : I
đk max
= 120(mA)
- Điện áp xung điều khiển : U
đk max
= 2 (V)
- Dòng điện giữ : I
h max
= 200 (mA)
- Dòng điện dò :

I
r max
=20 (mA)
- Độ sụt áp lớn nhất :
)(2
max
VU
=
- Tốc độ thay đổi điện áp :
)/(1000 sV

dt
dU
=
23
- Thời gian chuyển mạch : t
cm
= 120(
s
à
)
- Nhiệt độ làm việc cho phép :T
max
=125
0
C

II. Tính toán MBA chỉnh lu
Mạch điện phần ứng là mạch chỉnh lu cầu 1 pha nên ta cần thiết kế
MBA 1 pha . Ta lựa chọn MBA có mạch từ là hình chữ E ( có 1 trụ ) đợc
làm mát bằng các lá tản nhiệt .
1.Tính toán thông số của MBA :
1. Điện áp sơ cấp của MBA là điện áp lới : U
1
= 220 V
2. Điện áp thứ cấp của MBA
- Phơng trình cân bằng điện áp khi có tải :
U
d0
.cos
min

= U
d
+ 2U
v
+ U
ba
+U
dn
Trong đó

min
= 10
0
góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lới .
Uv = 1,6(v) sụt áp trên tiristor
U
dn
= 0 sụt áp trên dây nối
U
ba
= U
r
+ U
x
: sụt áp trên điện trở và điện kháng MBA.
Chọn sơ bộ
U
ba
= 6%.Ud = 6% . 600 = 36(V)
Từ phơng trình cân băng điện áp tải ta có:

)(87,649
10cos
3602.2600
cos
.2
0
min
VU
UUUU
U
do
badnvd
do
=
+++
=
+++
=

3. Công suất biểu kiến của MBA
S
ba
= k
s
.P
d-max
Trong đó :
+ k
s
: Hệ số công suất theo sơ đồ , với sơ đồ cầu 1 pha : k

s
= 1,23
+ P
d-max
Công suất của phụ tải lúc cực đại
P
d-max
= U
do
.I
d
= 649,87.5=3249,35 W
Do đó : S
ba
= 1,23.3249,35 =3996,885VA
Điện áp pha thứ cấp :
)(07,722
9,0
87,649
2
V
k
U
U
u
do
===
Dòng điện hiệu dung thứ cấp MBA:
)(5
2

AIII
dmd
===
Dòng điện hiệu dụng sơ cấp MBA:
24
)(41,165.
220
07,722

2
1
2
21
AI
U
U
IkI
ba
====
- Tính toán từ mạch
Chọn mạch từ hình chữ đợc ghép từ những lá tôn Silic loại 310 có
Bề dày tôn : 0,35mm
Tổn hao là : 1,7 W/kg
Tỷ trọng : d = 7,8kg/dm
3
- Chọn loại thép 330 các lá thép có độ dày 0,5 mm
- Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ B =1(T)

* Tính trụ
Tiết diện trụ sơ bộ của trụ T đợc tính theo công thức:

Q
Fe
= k
Q
.
fm
S
ba
.
Trong đó :
S
ba
là công suất pha của máy biến áp
K
Q
Hệ số phụ thuộc vào phơng pháp làm mát với MBA làm mát
không khí : k
Q
= 6
m la số trụ của MBA :m =1
Thay số : Q
Fe
= 6.
50.1
3996,885
= 53,64cm
2
Ta có : Q
Fe
= a.b = 53,64

Trong quá trình thiết kế ta thờng chọn : 1<
5,1
<
a
b
Ta chọn : a= 6cm ; b = 8,94cm khi đó
a
b
= 1,49
Và n =
a
c
= 0,5 => c = 0,5a = 3cm
m =
a
h
= 2,5 => h = 2,5a = 15cm
Chọn chiều cao trụ h = 15(cm)
25
b
hH
c
C
a c
Hình 1 sơ đồ kết cấu máy
biến áp