Thiết kế hệ thống truyền động điện BBĐ van động cơ một chiều không đảo chiều quay có 2 mạch vòng phản hồi

Lời nói đầu
Đất nước ta đang trên đà phát triển vì vậy vấn đề tự động hóa sản xuất ngày
càng quan trọng và bắt buộc phải làm. Nếu quá trình này được đảm bảo thì năng
suất và chất lượng sản phẩm sẽ được nâng cao.
Để giúp sinh viên they rõ tầm quan trọng của hệ thống cụ thể là của hệ
thống truyền động điện để có thể nhận thức sâu sắc hơn có những tư duy nghiên
cứu về nó.
Sau khi hoàn thành môn học truyền động điện em được giao đề tài. Thiết
kế hệ thống truyền động điện BBĐ van - Động cơ một chiều không đảo chiều
quay có 2 mạch vòng phản hồi. Trong quá trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết
sức tận tình của thầy giáo hướng dẫn “ Võ Quang Vinh” cùng các thầy cô trong
bộ môn tự động hóa và các bạn cùng lớp đã giúp đỡ em hoàn thành đúng thời
hạn đề tài này. Nhưng do lượng kiến thức còn hạn chế nên trong đề tài này
không tránh khỏi thiếu sót. Em mong được sự đóng góp của thầy cô để đề tài
của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 11/07/2009
Sinh viên thiết kế
Đặng Xuân Sơn
PHẦN I
1
PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
I. Giới thiệu chung
Ngày nay trong lĩnh vực sản xuất ra của cải vật chất của nền kinh tế quốc
dân, cơ khí hóa và điện khí hóa có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Hai yếu tố này
quan hệ chặt chẽ với nhau trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật chúng cho
phép đơn giản kết cấu cơ khí của máy sản xuất, tăng năng suất lao động, nâng
cao chất lượng sản phẩm.
Việc tăng năng suất của máy, giảm giá thành, giảm sự cồng kềnh của thiết bị
điện, chất lượng của máy là hai yếu tố quan trọng của hệ thống truyền động điệnvà
tự động hóa nhưng chúng lại mâu thuẫn với nhau. Một bên đòi hỏi hệ thống phức

tạp một bên yêu cầu hạn chế số thiết bị chung trên máy và số thiết bị cao cấp cho
nên việc chọn một hệ thống truyền động thích hợp là một bài toán khó.
Vì vậy ta phải đưa ra các phương án và so sánh chúng với nhau để chọn ra
phương án thiết kế tốt nhất, phù hợp nhất có ý nghĩa quan trọng nó thể hiện qua
các mặt sau.
-
Đảm bảo yêu cầu công nghệ của máy sản xuất.
-
Đảm bảo làm việc lâu dài tin cậy.
-
Khi xảy ra sự cố có thể sửa chữa thay thế dễ dàng với các thiết bị có sẵn,
dễ kiếm, dễ mua.
-
Có vốn đầu tư, chi phí vận hành nhỏ.
II. Lựa chọn động cơ và phương pháp điều chỉnh tốc độ.
1. Giới thiệu một số loại động cơ và phương pháp điều chỉnh tốc độ.
Việc phân tích lựa chọn động cơ cho một cơ cấu truyền động là một việc
làm rất quan trọng, có ý nghĩa to lớn. Động cơ được chọn phải thỏa mãn các yêu
cầu về kinh tế, kỹ thuật và đáp ứng những yêu cầu đề ra xuất phát từ yêu cầu
công nghệ.
-
Hệ thống truyền động không đảo chiều có phản hồi âm tốc độ và âm dòng
có ngắt.
-
Đảm bảo khả năng quá tải cho phép.
2
-
Phụ tải M
c
= const, mang tính chất phản kháng.

-
Dải điều chỉnh D = 20:1.
-
Khởi động, hãm êm, nhanh.
-
Động cơ thường dùng trong truyền động gồm.
+ Động cơ xoay chiều.
+ Động cơ một chiều.
Theo yêu cầu đề tài, ta đi phân tích đặc điểm của từng loại động cơ để
chọn được động cơ phù hợp.
1.1 Động cơ xoay chiều.
Động cơ xoay chiều gồm.
-
Động cơ đồng bộ.
-
Động cơ không đồng bộ gồm.
+ Động cơ KĐB roto lồng sóc.
+ Động cơ KĐB roto dây quấn.
1.1.1 Động cơ đồng bộ.
a) Sơ đồ nguyên lý.
b) Đặc tính cơ.
c) Nhận xét.
Khi đóng stato của động cơ không đồng bộ
vào lưới điện xoay chiều có tần số f
1
động cơ sẽ
làm việc với tốc độ đồng bộ không phụ thuộc
vào tải
ω
0

=
p
f
1
2
π
Trên đường đặc tính cơ ta thấy nếu động cơ làm việc với M ≤ M
max
thì độ
cứng dặc tính cơ β = ∞, lúc đó động cơ sẽ làm việc ổn định tốt nhất. Tuy nhiên
nếu M > M
max
thì tốc độ động cơ sẽ lệch khỏi tốc độ đồng bộ và động cơ làm
việc kém ổn định.
3
+ -
~
®b
1.1.2 Động cơ không đồng bộ.
a) Sơ đồ nguyên lý
b) phương trình đặc tính cơ.
M =









+






+
2
2
2
10
,
2
2
¦
3
nm
f
x
s
r
rs
rU
ω
Trong đó: r
,
2
= r
2

+ r
f
X
nm
= x
,
2
+ x
1
c) Độ cứng đặc tính cơ.
β =
th
th
s
M
0
ω
1.1.2.1 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ.
a) Phương pháp điều chỉnh tần số.
Động cơ KĐB lúc này được nối qua bộ biến tần chứ không nối trực tiếp
vào lưới.
Từ phương trình mômen.

2
1
2
11
2
)(
8

3
24
3
f
U
M
p
Mff
pU
M
ï
nm
nm
f
th
π
ππ
==
Giả sử M
th
= const thì
const
f
U
ï
=
1
Khi ta thay đổi
f
1

→
M
th
thay đổi
→
ω
0
=
p
f
1
2
π
Đặc tính cơ. f
3
< f
2
< f
1
4

®m

th

M
®m
M
th

M
TN (R
f

= 0)
NT (R
f
= 0)

0

1

2

3

M
M
th
M
®m
k®b
~
K§B roto d©y quÊn
k®b
~
K§B roto lång sãc
•Nhận xét:
Phương pháp điều chỉnh tốc độ khi thay đổi tần số bắt bộ phải kèm theo

thay đổi điện áp và giữ ngưên từ thông kích từ (
kt
φ
= const).
Từ biểu thức U
i
= 4.44W
i
. K
dqi
. f
i.

φ
Nếu muốn thay đổi tần số f
i
mà muốn giữ U
i
= const ta phải điều chỉnh từ
thông
φ
.
+ Muốn giảm f
i
phải tăng
φ

→
làm dòng từ hóa tăng, cos
ϕ

↓

→
chỉ tiêu
chất lượng xấu đi dẫn đến động cơ phát nóng giảm tuổi thọ. Khi
+ Muốn tăng f thì phải giảm
φ
, mà M = K
↓→=
φϕφ
khiconstI
2
cos
thì mạch
kích từ non tải, dây quấn roto bị quá tải.
b) Phương pháp thay đổi điện áp.
Khi điện áp lưới suy giảm thì M
th
sẽ giảm bình phương lần theo biểu thức.
M
th
=
nm
f
X
U
1
2
2
3

ω
Trong khi đó. S
th
= ±
nm
X
r
2
= const
ω
0
=
p
f
1
2
π
= const
* Đặc tính.
Độ cứng của đặc tính cơ khi giảm u thì
β =
2
0
¦
2
S
SM
thth
ω
giảm U

đm
> U
1
>U
2
* Nhận xét:
Đặc tính tự nhiên của động cơ KĐB thường có độ trượt tới hạn nhỏ nên
phương pháp điều tốc độ bằng cách giảm điện áp thường được thực hiện tăng R
f
ở mạch roto để tăng độ trượt tổn hao
→
tăng giải điều chỉnh.
- Khi điện áp đặt vào động cơ giảm
→
M
th
↓
trong khi ω
0
= const nên tốc
độ n giảm khi đó mômen tới hạn giảm nên khả năng quá tải, khả năng khởi động
giảm khi Êy giảm u quá, thì hệ truyền động không thể khởi động được.
5

0

M
®m
M
nm

M
U
®m
- Đối với động cơ công suất lớn thì ta có thể tăng điện áp đặt vào động cơ
để làm giảm dòng điện khi khởi động.
c) Phương pháp thay đổi số đôi cực.
Khi thay đổi số đôi cực p ở stato thì
ω
0
=
p
f
1
2
π
thay đổi S
th
=
nm
x
r
,
1
= const.
Do S
th
= const nên độ cứng đặc tính
cơ được giữ nguyên.
* Nhận xét:
- Phương pháp này chỉ dùng cho động cơ không đồng bộ roto lồng sóc

mà không dùng cho động cơ roto dây quấn.
- Khi thay đổi p ta phải thay đổi tổ nối dây stato động cơ dẫn đến làm
thay đổi một số thông số của động cơ nh U
f
, X
1
, r
1

→
làm M
th
thay đổi
- Phương pháp này làm cho tốc độ động cơ không trơn mà nhảy cấp.
d) Phương pháp cho điện trở phụvào mạch roto.
Khi đưa điện trở phụ vào mạch roto thì:
W
1
= const ; M
th
= const ; S
th
=
nm
f
X
Rr
,,
2
+

Khi R
f
càng lớn thì S
th
càng lớn
→
độ cứng β giảm và đặc tính cơ càng mềm.
* Nhận xét.
- Phương pháp này chỉ dùng cho động cơ không đồng bộ roto dây quấn,
khi mắc R
f
vào làm hạn chế dòng khởi động và điều chỉnh được tốc độ động cơ
nhưng làm tăng tổnhao của động cơ làm giảm hiệu suất.
6

M
M
- M



M
r
f1
§Æc tÝnh dßng
r
f2
r
f3



M
§Æc tÝnh c¬
- Phương pháp này chỉ điều chỉnh tốc độ về phía giảm, tốc độ càng giảm
thì đặc tính cơ càng mềm tốc độ càng kém ổn định trước sự thay đổi của mômen
tải, mômen tải càng nhỏ thì dảI điều chỉnh càng hẹp.
- Khi điều chỉnh sâu( tốc độ nhỏ) thì độ trượt tăng và tổn hao năng lượng
khi điều chỉnh lớn.
e) Phương pháp cho R
f
, X
f
vào mạch stato.
Khi cho R
f
, X
f
vào mạch stato thì
w
0
= const, S
th
,M
th
giảm.
* Đặc tính cơ.
Phương pháp này thường được áp dụng cho
động cơ KĐB roto lồng sóc có công suất trung
bình và lớn để hạn chế dòng điện khởi động.
1.2. Động cơ một chiều.

1 ) Động cơ một chiều kích từ nối tiếp.
Ta thấy loại cuộn kích từ nối tiếp với phần ứng động cơ nên dòng kích từ
chính là dòng phần ứng động cơ.
Do vậy khi I
ư
biến đổi thì từ thông
φ
cũng biến đổi sẽ gây ra hiện tượng từ
thông dư
φ
dư
= (2ữ10)
φ
đm.
Mà động cơ một chiều kích từ nối tiếp có đặc tính cơ dạng phi tuyến nên đặc
tính cơ mềm và độ cứng lại thay đổi theo phụ tải.
Mặt khác từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng phần ứng nên khả năng
chịu tải của động cơ bị ảnh hưởng rất lớn của điện áp lưới. Điều này gây khó
khăn trong qua trình điềukhiển tốc độ quá trình này chỉ có hiệu quả ở tốc độ thấp
và hiệu quả không cao, ở tốc độ cao đạt được điều này rất khó khăn.
Do vậy, động cơ này không phù hợp với yêu cầu.
7
§
CKT


0
TN
Mnm
M

M
NT¹o

M
2 ) Động cơ một chiều kích từ độc lập.
- Cuộn kích từ hoàn toàn độc lập
với phần ứng động cơ và cần phải 2
nguồn. Nguồn cung cấp cho mạch kích từ.
a) Phương trình đặc tính cơ.
ω =
M
k
RR
k
U
f
2


)(
φ
φ
+
−
Trong đó:
U
ư
là

điện áp phần ứng

R
ư
là điện trở tổng phần ứng gồm điện trở cuộn dây p
ư
, r
ư
, điện trở cực từ
phụ r
cf
, điện trở cuộn bù r
cb
, điện trở tiếp xúc R
tx
.
R
f
là điện trở phụ mắc vào mạch phần ứng.
ỉ là từ thông kích từ.
K hệ số cấu tạo động cơ K =
a
NP
π
2
.
M là mômen động cơ.
- Dạng đặc tính cơ của động cơ
một chiều kích từ độc lập.
Giả thiết rằng phản ứng phần ứng
được bù đủ ỉ = const thì đường đặc
tính cơ dạng tuyến tính.

b) Các thông số ảnh hưởng đến đặc tính cơ
* Ảnh hưởng bởi điện trở phần ứng.
- Xuất phát từ phương trình đặc
tính cơ ta thấy giả thiết U
ư
= U
đm
=
const và ỉ = ỉ
đm
= const
ω =
M
k
RR
k
U
f
2


)(
φ
φ
+
−
8
E
U
kt


0

M

®m
M
mm
M
®m
0

M
0

0
Ta thay đổi R
ư
tức là đưa R
f
vào mạch phần ứng của động cơ với trường hợp
này thì ω
0
=
dm
dm
k
U
φ
= const.

Nhưng độ cứng của đặc tính lại thay đổi theo biểu thức.
β =
( )
fu
dm
RR
k
w
M
+
−=
∆
∆
2
φ
Nh vậy R
f
càng lớn thì đặc tính càng dốc và ứng với một phụ tải nào đó thì
R
f
càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm đồng thời dòng điện ngắn mạch và
mômen ngắn mạch cũng giảm theo. Nên sự ảnh hưởng của thông số này thường
được ứng dụng để hạn chế dòng điện điều chỉnh tốc độ thấp hơn tốc độ định
mức ω < ω
đm
.
* Ảnh hưởng của điện áp phần ứng.
Từ phương trình đặc tính cơ
ω =
M

k
RR
k
U
fu
u
2
)(
φ
φ
+
−
giả thiết ỉ = ỉ
đm
= const
và U
u
= const, (R
f
= 0 ) khi đó
φ
ω
k
U
u
=
sẽ thay đổi nếu U
ư
thay đổi và độ cứng
β =

( )
fu
dm
RR
k
w
M
+
−=
∆
∆
2
φ
= const
Ta dùng phương pháp này để hạn chế dòng điện. Khi mở máy và điều
chỉnh tốc độ động cơ dưới dạng đặc tính cơ định mức ω < ω
đm
* ảnh hưởng của từ thông.
Từ phương trình ω =
M
k
RR
k
U
fu
u
2
)(
φ
φ

+
−
Giả thiết U
ư
= const, R
ư
= const và ứ = var
ta có ω
0
=
φ
k
U
dm
= var
9


02

03

04
M(I)
U
®m
U
1
U
2

U
3

01
Mc

02


01

0
M
M
nm

®m

1

2
M
1
M
2
và độ cứng
var
)(
2
=−=

u
R
k
φ
β
Do cấu tạo của động cơ điện nên thường điều chỉnh ỉ = ỉ
đm
nên khi ỉ giảm
thì ta có w
0
tăng lên còn độ cứng đặc tính cơ giảm dần.
c) Phương pháp chọn điều chỉnh tốc độ.
Trước hết ta thấy được về phương diện điều chỉnh tốc độ thì động cơ một
chiều có nhiều ưu việt hơn hẳn so với loại động cơ khác. Nó không những có
khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà có cấu trúc mạch động lực, mạch điều
khiển đơn giản hơn đồng thời đạt chất lượng điều chỉnh cao, trong dải điều
chỉnh tốc độ rộng.
- Từ phương trình đặc tính cơ. ω =
M
k
RR
k
U
fu
u
2
)(
φ
φ
+

−
Ta thấy có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ.
-
Đưa R
f
vào

mạch phần ứng động cơ.
-
Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng động cơ.
-
Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ(phương pháp thay đổi từ
thông).
a) Nguyên lý điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ.
Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ một chiều cần các thiết bị
là nguồn một chiều nh máy phát, bộ biến đổi. Với bộ biến đổi điện áp xoay
chiều thành một chiều, muốn điều chỉnh được phải nhờ vào U
đk
Từ sơ đồ thay thế ở chế độ xác lập ta có: E
b
– E
ư
=I
ư
(R
b
+ R
ưđ
)
Mà E

ư
= ω.k. ỉ
đm
→ E
b
- I
ư
( R
b
+ R
ưđ
) = ω.k. ỉ
đm
10
Bé
biÕn ®æi
S¬ ®å khèi
U
®k
CK§
+
-
R
u
R
¦
E
b
E
¦

S¬ ®å thay thÕ
U
I
ω =
u
dm
udb
dm
b
I
k
RR
k
E
φφ
+
−
; ω = ω
0
( U
đk
-
β
M
)
Do từ thông ỉ của động cơ được giữ không đổi nên ta có độ cứng đặc tính
cơ ( đặc tímh cơ điện) β = const xong tốc độ không tải lý tưởng phu thuộc vào
U
đk
. Do đó chọn phương pháp này là hợp lý.

Mặt khác để xách định dải điều chỉnh ta thấy rằng ω
max
bị chặn bởi đặc tính
cơ tự nhiên và ω
min
bị giới hạn bởi yêu cầu sai số của tốc độ và M
nm
khi M
c
= M
đm
thì ω
max
= ω
0max
-
β
dm
M
; ω
min
= ω
0min
-
β
dm
M
Để thỏa mãn được khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều
chỉnh phải có M
nm

là M
nmmin
= M
cmax
= K
M
.M
đm.
Trong đó: ω
min
= ( M
nmmin
– M
đm
).
β
1
=
)1( −
M
dm
K
M
β
Dải điều chỉnh: D =
1
1
)(1(
max0
max

−
−
=
−
−
M
dm
dm
M
dm
o
K
M
M
K
M
β
ω
β
β
ω
Nhưng với một hệ thống cơ cấu máy cụ thể thì ω
max
, M
đm
, K
M
là hoàn toàn
xác định do đó mà D chỉ phụ thuộc tuyến tính vào β. Mặt khác qua trình điều
chỉnh điện áp vào phần ứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều chỉnh thì tổng

trở mạch phần ứng gấp 2 lần điện trở mạch phần ứng động cơ.
Do đó:
10
max0
E
M
dm
βω
Vì vậy phải có đặc tính mômen cản M
c
= const thì phạm vi điều chỉnh tốc
độ cũng không vượt quá 10 và độ chính xác duy trì tốc độ thì việc sủ dụng các
hệ thống hở nh trên là không thỏa mãn yêu cầu. Trong phạm vi phụ tải cho phép
có thể có các đặc tính cơ của động cơ 1 chiều kích từ độc lập là tuyến tính.
Trong quá trình điều chỉnh điện áp độ cứng β = const do đó sai lệch tĩnh đạt giá
trị cực đại ở đặc tính cơ thấp nhất hay nơi khác ở đặc tính này mà S
tmin
≤ [S
t
] thì
hệ luôn làm việc với S
t
< [S
t
] trong toàn bộ dải điều chỉnh.
11
S
tmin
=
[ ] [ ]

t
dm
t
S
M
S
min0min0min0
min
min0
minmin0
4
4
ωβω
ω
ω
ω
ω
ωω
===
−
Mà [S
t
], M
đm
,ω
0min
hoàn toàn xác định.
Ta xác định được giá trị xác định của β sao cho nó thỏa mãn sai số nhỏ hơn
giá trị của sai lệch tĩnh cho phép [M
c

] = Kứ
đm
I
đm
= M
đm
= const
Phạm vị điều chỉnh tốc độ (ω và M ) thuộc phần gạch chéo trong hình vẽ.
Tổn hao mạch phần ứng:
I
ư
.E
b
= [E
ư
+ I
ư
(R
b
+ R
ưđ
)]I
ư
→ η =
( )
RIE
E
RIEI
EI
uu

b
uuu
bu
+
=
+
η =
( )
***
*
2
.
.
RM
K
RM
dm
+
=
+
ω
ω
φ
ω
ω
Khi làm việc ở chế độ xác lập, ta có mômen do động cơ sinh ra đúng bằng
mômen tải trên trục M
*
= M
*

c
. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp
phần ứng là hoàn toàn phù hợp với yêu cầu M
c
= const. Trong toàn dải điều
chỉnh và ta cũng thấy không nên nối thêm R
f
vào phần ứng động cơ vì nó làm
giảm đáng kể hiệu suất hệ thóng. Hơn nữa phương pháp này có thể điều chỉnh
vô cấp một cách dễ dàng mà Ýt tổn thất hơn có khả năng tự động hóa dễ dàng.
b) Nguyên lý điều chỉnh từ thông động cơ.
Ta có M = KỉI
ư
nên ta điều chỉnh từ thông kích thích ỉ
kt
chính là điều chỉnh
mômen điện từ của động cơ. Hơn nữa E
ư
= Kỉω nên khi đó cũng chính là điều
chỉnh E
ư
.
12

max

min


M,I

M
mmmin
M
®m

0max

0min
M
®m
M
§Æc tÝnh c¬
Ph¹m vi ®iÒu chØnh
Ta thấy rằng mạch kích thích của động cơ là mạch phi tuyến nên hệ điều
chỉnh từ thông cũng là hệ phi tuyến.
i
k
=
dr
d
rr
e
k
kb
k
φ
ω
+
+
Trong đó r

k
là điện trở dây quấn kích từ
r
b
là điện trở của nguồn điện áp kích thích
ω
k
là số vòng của dây quấn kích thích.
Trong chế độ xác lập: i
k
=
kb
k
rr
e
+
; ỉ = f(i
k
).
Mặt khác khi điều chỉnh từ thông ỉ thì điện áp phần ứng U
ư
được giữ
nguyên băng giá trị định mức, do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh
từ thông là đặc tính cơ điện áp phần ứng u
ư
= U
đm
và có ỉ = ỉ
đm
gọi là đặc tính cơ

tự nhiên, tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh từ thông bị hạn chế bởi khả năng
chuyển mạch của cổ góp bị xấu đi. Mà để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình
thường thì cần giảm dòng phần ứng I
ư
nhưng khi đó trục động cơ giảm rất
nhanh: M = KỉI
ư
Ngay khi giữ nguyên I
ư
thì độ cứng đặc tính cơ cũng bị giảm rất nhanh khi
giảm từ thông kích từ
( )
u
R
k
2
φ
β
−=
Nh vậy thì phương pháp này không phù hợp với yêu cầu đặc biệt trong
trường hợp M = const
c) Nguyên lý thay đổi điện trở phần ứng.
Giả thiết U
ư
= U
đm
= const; ỉ
kt
= ỉ
đm

const.
Thì phương trình đặc tính cơ của động cơ
13

02


01

0
M
M
nm

®m

1

2

®m >

>

2
§Æc tÝnh c¬
M
1
M
2



02

01

0

®m >

>

2
§Æc tÝnh c¬ ®iÖn
I
I
nm
ω =
M
k
R
k
U
dm
u
dm
dm
2
)(
φ

φ
−
Nh vậy muốn thay đổi tốc độ ω bằng cách thay đổi điện trở phần ứng R
ư
thì
cần mắc thêm điện trở phụ R
f
vào mạch phần ứng động cơ.
ta có phương trình đặc tính cơ. ω =
M
k
RR
k
U
dm
fu
dm
dm
2
)(
φ
φ
+
−
Khi đó ta sẽ điều chỉnh được tốc độ động cơ với dải điều chỉnh nhở hơn
định mức (ω < ω
đm
) và hạn chế dòng điện ta có.
ω
0

=
dm
dm
k
U
φ
= const ;
( )
var
2
=
+
=∆
M
k
RR
dm
fu
φ
ω
Nếu có độ cứng β giảm thì R
f
tăng và khi
R
f
= 0 thì β = β
max
ứng với đặc tính cơ tự nhiên
của động cơ.
* Nhận xét:

Qua phân tích các phương pháp điều chỉnh tốc độ trên ta thấy phương pháp
điều chỉnh điện áp vào phần ứng động cơ là phương pháp có nhiều nổi bật.
-
Đảm bảo được độ cứng cơ β tốt hơn, sai lệch tĩnh S
t
nhỏ hơn, điều chỉnh
vô cấp tốt hơn, khả năng quá tải tốt hơn.
-
Nh vậy, từ yêu cầu công nghệ và qua phân tích để phù hợp ta chọn
phương pháp điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ.
3 ) Nhận xét chung
a) Đông cơ đồng bộ.
+ Ưu điểm:
Trong các hệ thống truyền động công suất trung bình và lớn yêu cầu tốc độ
ổn định và cao thì loại động cơ này có hệ số cosψ, hiệu suất và độ tin cậy cao.
+ Nhược điểm:
Trong hệ thống truyền động công suất nhỏ thì chế tạo khó khăn giá thành cao.
b) Động cơ không đồng bộ:
+ Ưu điểm:
14

M0

0
Có cấu tạo đơn giản đặc biệt là rôt lồng sóc, có kích thước nhỏ làm việc tin
cậy, trọng lượng nhỏ dễ dàng sử dụng vận hành sửa chữa bảo dưỡng giá thành
hạ.
+ Nhược điểm:
Mômen khởi động nhỏ, dòng khởi động lớn.
- Khi làm việc với tải lớn thì hệ truyền động để mất ổn định.

- Cosψ của máy không cao, điều chỉnh tốc độ khó khăn, dải điều chỉnh hẹp.
c) Động cơ một chiều kích từ độc lập.
+ Ưu điểm:
- Dải điều chỉnh rộng, điều chỉnh thuận lợi, dễ dàng điều chỉnh trơn vô cấp,
mômen khởi động lớn, quá trình khởi động êm, thời gian khởi động nhỏ hệ số
quá tải cao.
+ Nhược điểm:
Có kết cấu phức tạp, giá thành cao.
Vậy qua phân tích trên cùng với yêu cầu đề tài ta chọn động cơ kích từ độc
lập và phương pháp điều chỉnh điện áp dặt vào phần ứng động cơ.
III- Phân tích chọn hệ truyền động.
Bộ biến đổi là bộ phận quan trọng của hệ truyền động nó quyết định khả
năng và chất lượng điều chỉnh các chế độ làm việc, để có nguồn điện áp một
chiều cung cấp cho động cơ truyền động ta thường dùng các bộ biến đổi sau:
+ Bộ biến đổi máy điện
+ Bộ biến đổi van từ
+ bộ biến đổi Thyristor động cơ
1 ) Bộ biến đổi máy phát- động cơ:
a) Sơ đồ nguyên lý:
b) Phương trình dặc tính cơ điện:

2
)(
D
uFIuD
D
F
k
RR
k

E
φ
φ
ω
+
−=
c) phương trình dặc tính cơ.
15
M





M
c

2
)(
D
uEuD
D
F
k
RR
k
E
φ
φ
ω

+
−=
d) Dạng đặc tính cơ.
Họ đặc tính cơ được xây dựng trên cả 2 vùng điều chỉnh tốc độ đó là:
-
Điều chỉnh tốc độ điện áp phản ứng động cơ.
-
Điều chỉnh từ thông ứ
Đ

e) nhận xét.
* Ưu điểm :
- Do sử dụng 2 vòng điều chỉnh tốc độ nên dải điều chỉnh khá hơn ( 25:1)
- Điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong toàn bộ dải điều chỉnh
- Việc điều chỉnh tiến hành trên mạch kích từ nên tổn hao nhá
- Trạng thái làm việc linh hoạt khả năng quá tải lớn.
* Nhược điểm:
- Sử dụng máy điện quay nên hiệu suát thấp ( ≤ 75% ), kồnh kềnh tốn kém.
- Công suất đặt của máy lớn, vốn đầu tư lớn, tồn tại từ thông dư.
2 ) Bộ biến đổi van - động cơ.
a) sơ đồ nguyên lý.
b) phương trình đặc tính cơ.

M
k
RR
k
B
B
E

ubs
bm
.
)(
1(
2
0
φ
φ
ω
+
−
+
=
Trong đó E
bm
=
π
2
PE
c) Đường đặc tính cơ.
d) Nhận xét:
16
§
BA
A
B
C
Ur
U

®c
I
®k1
U
b
I
¦
I
®k2
I
®k3
* Ưu điểm:
- Phạm vi điều chỉnh rộng ( 10ữ100 )
- Dễ dàng vận hành.
- Dễ chế tạo, chắc chắn, bền
- Điều chỉnh trơn tốc độ vô cấp
* Nhược điểm:
- Điều khiển kém linh hoạt, độ nhạy với tín hiệu điều khiển lớn
- Đảo chiều gặp nhiều khó khăn
- Đặc tính sơ cấp, sai số tín hiệu lớn
- Quán tính lớn do ảnh hưởng điện kháng bão hòa
- Khi điều chỉnh bị ảnh hưởng phi tuyến của đặc tính từ hóa.
3 ) Bộ biến đổi Thyristor- động cơ
a) Sơ đồ nguyên lý
b) Phương trình đặc tính cơ.

M
k
R
k

E
D
u
D
φφ
α
ω
−=
cos.
0
c) Độ cứng đặc tính cơ.

∑
=
u
R
k
2
)(
φ
β
d) Nhận xét.
* Ưu điểm:
- Do sử dụng các linh kiện bán dẫn, nên hệ thống có độ tác động nhanh,
nhạy với tín hiệu điều khiển.
17
Ph¸t
Xung
I
d

U
®k
U
d

- Tổn thất năng lượng trong quá trình điều khiển nhỏ hệ số khuyếch đại
lớn.
- Khả năng tự động hóa cao.
- Là bộ biến đổi tĩnh, nhỏ, nhẹ, gọn, không gây ồn.
- Giá thành bộ biến đổi không cao.
* Nhược điểm:
- Do sử dụng các linh kiện bán dẫn nên hệ số quá tải kém chịu ảnh hưởng
nhiều của nhiệt độ, hệ số cosψ thấp khi điều chỉnh sâu tốc độ.
- Đảo chiều phức tạp.
- Điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu là nguyên nhân gây ra tổn hao phô trong
động cơ và gây ra khó khăn trong quá trình chuyển mạch lên cổ góp.
- Khi làm việc gây nhiễu do các xung điều khiển.
4 ) Kết luận chọn bộ biến đổi.
Từ những phân tích trên ta thấy mỗi bộ biến đổi đều có những ưu nhược
điểm khác nhau, căn cứ vào yêu cầu đề bài ta chọn bộ biến đổi van động cơ vì
nó có nhiều ưu điểm hơn, có độ chính xác cao, gọn nhẹ, giá thành hạ, khả năng
tự động hóa cao.
18
PHẦN II
CHỌN VÀ PHÂN TÍCH MẠCH ĐỘNG LỰC
Mạch động lực có nhiệm vụ cung cấp dòng điện, điện áp cho động cơ. Đây
là hệ thống không đảo chiều quay làm việc với tải phản kháng, có khả năng điều
chỉnh và tự điều chỉnh tốc độ.
Như phần I ta lựa chọn được BBD T - Đ cho hệ truyền đông là bộ biến đổi
sử dụng các Thyristor và các điốt bán dẫn để chỉnh lưu có rất nhiều các loại sơ

đồ chỉnh lưu mỗi loại có ưu điểm, nhược điểm riêng và thích hợp cho từng công
nghệ sau đây ta phân tích 3 loại sơ đồ thông dụng sau.
-
sơ đồ cầu 1 pha
-
sơ đồ cầu 3 pha
-
sơ đồ cầu 3 pha có D
0
I ) Phân tích các bộ biến đổi.
1 ) Bộ biến đổi cầu 1 pha.
a) sơ đồ nguyên lý:
- Trong sơ đồ này
+ Biến áp là máy biến áp cung cấp, với sơ đồ cầu 1 pha thì có thể dùng
hoặc không.
+ Các van điều khiển T
1
+ T
4
dùng để biến đổi xoay chiều thành 1 chiều.
E
d
, R
d
, L
d
là các phần tử phụ tải.
+ U
1
, U

2
là điện áp trên cuộn sơ cấp và thứ cấp.
+ i
1
, i
2
dòng điện sơ cấp, thứ cấp.
b) Nguyên lý làm việc của sơ đồ.
19
U
1
i
1
T
1
R
d
U
2
BA
i
2
T
3
T
4
T
2
L
d

E
d
Ta xét nguyên lý làm việc của sơ đồ trong trường hợp giả thiết phụ tải có
L
d
= ∞ và xem rằng sơ đồ làm việc xác lập trước thời điểm ta bắt đầu xét.
Giả thiết trong điểm lân cận phía trước thời điểm ωt = v
1
= α thì trong sơ đồ
hai van T
3
và T
4
đang dẫn dòng. Tại ωt = v
1
= α thì 2 van T
1
và T
2
đồng thời có
tín hiệu điều khiển, lúc đó điện áp trên 2 van này đều thuận ( u
t1
= u
t2
=u ) do vậy
cả 2 van này đều mở. Hai van T
1
, T
2
mở nên sụt điện áp trên chúng bằng không,

ta có U
d
= U
2
, U
T3
=U
T4
=-U
2
và tại ωt = v
1
= α thì U
2
> 0 tức là T
3
, T
4
bị khóa. Từ
thời điểm này (ωt = v
1
) trong sơ đồ chỉ có 2 van T
1
, T
2
dẫn dòng khi đó:
i
T1
=i
T2

=i
d
=I
d
, I
T3
=I
T4
= 0.
Đến ωt = π thì u
2
= 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ âm nên nó tác
động ngược với chiều dòng qua T
1
và T
2
đồng thời T
3
và T
4
có điện áp thuận
nhưng T
3
và T
4
chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển vì vậy T
1
và T
2
tiếp tục

dẫn dòng bởi sđđ tự cảm sinh ra trong L
d
do dòng tải có xu hướng giảm D
0
T
1
và
T
2
vẫn mở nên các biểu thức áp và dòng điện vẫn giữ nguyên như trên.
- Tại ωt = v
2
= π + α thì T
3
và T
4
đồng thời có tín hiệu điều khiển trên 2
van đang có dòng điện thuận nên T
3
và T
4
mở nên U
d
=- U
2
, U
T1
=U
T2
=U

2
và tại
ωt = v
2
= π + α thì U
2
< 0 tức là T
1
,T
2
bị đặt điện áp ngược và khóa lại.
U
d
=- U
2
, U
T1
=U
T2
=U
2
, U
T3
=U
T4
= 0, I
T1
=I
T2
= 0, I

T3
=I
T4
= I
d
- Đến ωt = 2π thì U
2
= 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương và tác
động ngược với chiều dòng qua T
3
và T
4
, đồng thời trên T
1
và T
2
có điện áp
thuận như T
1
và T
2
chưa mở vì chưa có tín hiệu đièu khiển nên sức từ động L
d
vẫn cho T
3
và T
4
tiếp tục làm việc.
- Đến ωt = v
3

= 2π + α thì T
1
và T
2
có tín hiệu điều khiển nên cùng làm
việc, T
3
và T
4
bị đặt điện áp ngược và khóa lại. từ thời điểm này sơ đồ lặp lại
trạng tháI làm việc nh từ ωt = v
1
= α.
- Giai đoạn ωt = 0 ữ v
1
có thể suy ra từ giai đoạn ωt =2π ữ v
3
do tính chất
lặp lại khi sơ đồ làm việc.
* Các biểu thức cơ bản: U
d
=U
d0
cosα, U
d0
= (2/√2/ π).U
2
≈ 0,9U
2
Trong đó U

2
giá trị hiệu dụng của điện áp bên thứ cấp BA.
20
I
Ttb
= I
d
/2; I
T
= I
d
/2 ; U
Tthmax
= U
Tngmax
= I
d
/ k
ba
; I
2
= I
d
; I
1
= I
d
/ k
ba
- Ưu điểm: sơ đồ đơn giản, Ýt thiết bị

- Nhược điểm: chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ nhưng do 1 pha nên có độ đập
mạch cao làm giảm chất lượng điện áp đầu ra.
2) Sơ đồ cầu 3 pha.
a) Giới thiệu sơ đồ.
- BA là máy biến áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, trong sơ đồ chỉnh lưu
này có thể không cần sử dụng BA nếu nguồn cung cấp có điện áp phù hợp với
yêu cầu sơ đồ và không yêu cầu cách ly về điện giữa mạch động lực chỉnh lưu
với nguồn điện xoay chiều.
- Các van chỉnh lưu T
1
ữT
6
dùng để biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha bên
thứ cấp BA là u
a
, u
b
, u
c
thành điện áp 1 chiều đặt lên phụ tải R
d
, L
d
, E
d
b) Nguyên lý làm việc.
- Giả thiết L
d
= ∞
- Từ ωt = 0 ữ ωt =v

0
và từ ωt = v
5
ữ v
6
hai van T
4
và T
5
cùng dẫn dòng
U
d
= U
c
– U
a
= U
ca
i
T1
=i
T2
=i
T3
= 0; i
T4
=i
T5
= i
d

=I
d
; i
T6
= 0
- U
T1
= U
T2
= U
ac
; U
T3
= U
bc
; U
T4
=U
T5
= 0; U
T6
= U
ab
- Từ ωt = v
0
ữ v
1
và từ ωt = v
6
ữ v

7
hai van T
5
và T
6

cùng dẫn dòng.
U
d
= U
c
– U
b
= U
cb
i
T1
=i
T2
=i
T3
= i
T4
= 0; i
T6
=i
T5
= i
d
=I

d
;
U
T1
= U
ac
; U
T2
= U
bc
; U
T3
= U
bc
; U
T4
= U
ab
; U
T6
=U
T5
= 0
- Từ ωt = v
2
ữ ωt =v
3
hai van T
1
và T

2
dẫn dòng
U
d
= U
a
– U
c
= U
ac
21
iA
iB
iC
BA
a
b
c
*
*
*
*
*
*
I
T2
I
T1
I
T3

I
T5
I
T4
I
T4
U
d
I
d
R
d
L
d
E
d
i
T1
= i
d
=I
d
; i
T2
= i
d
=I
d
; i
T3

=i
T4
=i
T5
= i
T6
= 0
U
T1
=U
T2
= 0; U
T3
= U
ba
; U
T4
= U
ca
; U
T5
= U
ca
; U
T6
= U
cb
- Từ ωt = v
3
ữ v

4
hai van T
2
và T
3

dẫn dòng.
U
d
= U
b
– U
c
= U
bc
i
T1
= i
T4
=i
T5
= i
T6
= 0; i
T2
= i
d
=I
d
; i

T3
= i
d
=I
d
- Từ ωt = v
4
ữ v
5
hai van T
3
và T
4

cùng dẫn dòng.
U
d
= U
b
– U
a
= U
ba
i
T1
= i
T2
=i
T5
= i

T6
= 0; i
T3
= i
d
=I
d
; i
T4
= i
d
=I
d
U
T1
= U
ab
; U
T2
= U
ac
; U
T5
= U
cb
; U
T6
= U
ab
; U

T3
=U
T4
= 0
- Từ ωt = v
7
sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc giống nh từ ωt = v
1
Một số biểu thức tính toán.
U
d
= U
d0
cosα, với U
d0
= (3
6
/ π).U
2
≈ 2,34.U
2
I
Ttb
= I
d
/3; I
T
= I
d
/

3
U
Tthmax
= U
Tngmax
=
6
U
2
Dòng hiệu dụng cuộn dây sơ và thứ cấp máy biến áp khi tổ nối dây Y/Y
I
2
= I
d
= I
d
3
2
; I
2
= I
d
ba
k
3.2
Nhận xét:
Đây là mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ, chất lượng điện áp đầu ra cao hơn cầu
1 pha, hiệu suất của mạch cao.
3 ) Sơ đồ hình tia 3 pha có D
0

.
a) Giới thiệu sơ đồ
- BA là máy biến áp 3 pha dùng cung cấp cho sơ đồ.
22
I
T1
I
T2
I
T3
iA
iB
iC
BA
*
ia
ib
*
*
ic
D
0
E
d
L
d
R
d
- Các Thyristor T
1

, T
2
, T
3
dùng để biến điện áp xoay chiều 3 pha bên thứ
cấp máy biến áp là u
a
, u
b
, u
c
thành điện áp một chiều trên tải u
d
- R
d
, L
d
, E
d
các phụ tải của bộ chỉnh lưu
- i
A
, i
B
, i
C
dòng các pha cuộn dây sơ cấp của BA
- i
a
, i

b
, i
c
dòng các pha cuộn dây thứ cấp của BA
- i
T1
, i
T2
, i
T3
dòng các van chỉnh lưu
- i
d
dòng điện chỉnh lưu
b) Nguyên lý làm việc của sơ đồ:
Ta giả thiết sơ đồ có L
d
= ∞, sơ đồ dã làm việc xác lập trước thời điểm bắt
đầu xét. Với sơ đồ này tùy thuộc vào giá trị góc điều khiển α mà có thể xảy ra 2
trường hợp.
- Khi 0
o
≤ α ≤ 30
o
van D
0
không làm việc nên hoạt động của sơ đồ giống
nh không có D
0

- Khi 30
o
≤ α ≤ 150
o
lúc này D
0
hoạt động tóm tắt sự làm việc của sơ đồ
nh sau:
- Từ ωt = 0 ữ π/3 van T
3
dẫn dòng ta có
U
d
= U
c
; i
T1
=i
T2
= 0; i
T3
= i
d
=I
d
; i
Do
= 0
U
T1

= U
ac
; U
T2
= U
bc
; U
T3
= 0
Các khoảng từ ωt = π/3 ữ π/6 + α, từ ωt = π ữ v
2
, từ ωt = 5π/3 ữ v
3
,
từ ωt = 7π/3 ữv
4
van D
0
dẫn dòng.
U
d
= 0 ; i
T1
=i
T2
= 0; i
Do
= i
d
=I

d
; i
T3
= 0
U
T1
= U
a
; U
T2
= U
b
; U
T3
=U
c
- Từ ωt = v
1
ữ π van T
1
dẫn dòng
U
d
= U
a
; i
T3
=i
T2
= 0; i

T1
= i
d
=I
d
; i
Do
= 0
U
T3
= U
ca
; U
T2
= U
ba
; U
T1
= 0
- Từ ωt = v
2
ữ 5π/3 van T
2
dẫn dòng
U
d
= U
b
; i
T3

=i
T1
= 0; i
T2
= i
d
=I
d
; i
Do
= 0
U
T3
= U
cb
; U
T1
= U
ab
; U
T2
= 0
- Từ ωt = v
3
ữ 7π/3 van T
3
dẫn dòng
23
U
d

= U
c
; i
T1
=i
T2
= 0; i
T3
= i
d
=I
d
; i
Do
= 0
U
T1
= U
ac
; U
T2
= U
bc
; U
T3
= 0
Từ ωt = v
4
thì van T
1

lai dẫn dòng lặp lại sơ đồ trạng thái làm việc giống
nh ωt = v
1
.
* Một số biểu thức tính toán.
U
d
= U
do
[1 + cos(α + 30
o
)]/
3
I
Ttb
= I
d
(5π/6 – α)/2π; I
T
= I
d
=
π
α
π
2
6
5
−
I

Dotb
= I
d
.3(α - π/6)/ 2π; I
Do
= I
d
π
π
α
2
6
3






−
U
Tthmax
=
2
U
2
; U
Tngmax
=
6

U
2
U
Dongmax
=
2
U
2
4) Nhận xét chung:
Qua phân tích ở trên ta rót ra kết luận sau.
Sơ đồ cầu 3 pha có chất lượng điện áp tương đối bằng phẳng, nhưng số van
nhiều mạch điều khiển phức tạp.
Nếu sơ đồ cầu và tia 3 pha đều sử dụng điốt D
0
thì sơ đồ tia 3 pha làm việc
với α > 50
o
còn sơ đồ cầu 3 pha làm việc với góc α > 60
o

- Cùng điện áp U
d
thì:
U
2
cầu 3 pha < U
2
tia 3 pha
U
ngmax

cầu =
6
U
2
cầu
U
ngmax
tia =
6
U
2
tia
Vậy U
ngmax
tia > U
ngmax
cầu
- Cùng với dòng điện thì I
d
cả 2 sơ đồ đều nh nhau.
- Sơ đồ tia 3 pha đơn giản hơn, số van trong sơ đồ tia 3 pha Ýt hơn cầu 3
pha. Chất lượng điện áp của tia 3 pha có D
0
khá cao. Cùng với yêu cầu đề tài ta
chọn bộ biến đổi hình tia 3 pha có D
0
.
II- Thiết kế mạch động lực.
24
1 ) Sơ đồ nguyên lý.

2 ) Chọn chế độ hãm cho động cơ 1 chiều kích từ độc lập.
a) Hãm tái sinh ( trả năng lượng về lưới)
Hiện tượng xảy ra khi tốc độ động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng
(ω > ω
o
) lóc này do E
ư
> U
ư
nên động cơ làm việc nh một máy phát song
với lưới.
0
0
〈
−
=
−
=
R
kk
R
EU
I
u
uu
h
φωφω
; M
h
= kứI

h
< 0
Phương trình đặc tính của động cơ khi hãm:

2
)(
φ
φ
ω
k
MRR
k
U
hfu
u
+
−=
Công suất trả về lưới P = ( U- E)I
Đây là pp hãm kinh tế vì động cơ sinh
ra động năng hữu Ých.
Xét thực tế đề tài, với hệ truyền động van động cơ thì van chỉ dẫn dòng theo
1 chiều nhất định nên khi động cơ sinh ra năng lượng trả về lưới thì các van
không cho phép dẫn ngược nên không sử dụng chế độ hãm này.
b) Hãm ngược.
Xảy ra khi phần ứng động cơ dưới tác dụng của động năng tích lũy trong
các bộ phận chuyển động hoặc do mômen thế năng quay ngược chiều với động
cơ. Mômen động cơ sinh ra chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất. Ta
thực hiện hãm ngược theo 2 cách:
*) Đưa R
f

vào mạch phần ứng động cơ.
25
iA
iB
iC
*
*
*
ia
*
*
ib
*
ic
D
0
R
H
A
B
C
ATM
T1
R
C
C
R
T2
T3
C

R
K
CK
§
H
-
+
K


o®

o
-wo
M
Mc
Mc
0