Thiết Kế Và Chế Tạo Bộ Điều Khiển AC-DC Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ DC

Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, điện tử công suất đã và đang đóng 1 vai trò rất quan trọng trong quá
trình công nghiệp hoá đất nước. Sự ứng dụng của điện tử công suất trong các hệ thống
truyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việc dễ dàng tự
động hoá cho các quá trình sản xuất. Các hệ thống truyền động điều khiển bởi điện tử
công suất đem lại hiệu suất cao. Kích thước, diện tích lắp đặt giảm đi rất nhiều so với
các hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ, máy phát - động cơ ...
Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điện tử công suất và
truyền động điện chúng em đã được giao thực hiện đề tài:
“Thiết kế và chế tạo bộ điều khiển AC-DC điều chỉnh tốc độ động cơ DC”
Với sự hướng dẫn của Thầy: Đỗ Công Thắng, chúng em đã tiến hành nghiên
cứu và thiết kế đề tài.
Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạn nên
không thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy cô đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiện
hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 1


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử
MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU....3

1.1Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều.....................................................3
1.2Cấu tạo động cơ điện một chiều....................................................................3
1.3Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều:.........................................5
1.4Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập.......................6
1.5 Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCĐ một chiều kích từ độc lập..............8
1.6Đảo chiều quay động cơ điện một chiều ....................................................15
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN VÀ PHÂN TÍCH MẠCH LỰC.........................17
CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỀU KHIỂN.................23
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CHỌN THIẾT BỊ , THIẾT KẾ MẠCH...........30
4.1Mục đích và ý nghĩa.....................................................................................30
4.2Tính chọn mạch động lực:...........................................................................31
4.3Tính toán mạch điều khiển:.........................................................................35
4.4Chọn và tính toán mạch nguồn. .................................................................38
4.5Thiết kế mạch................................................................................................40

GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 2


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1 Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều
Như ta đã biết máy phát điện một chiều có thể dùng làm máy phát điện hoặc
động cơ điện. Động cơ điện một chiều là thiết bị quay biến đổi điện năng thành cơ
năng. Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Động cơ điện một
chiều được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và giao thông vận tải. Động cơ điện
một chiều gồm những loại sau đây:
- Động cơ điện một chiều kích từ song song

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
1.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần : Phần tĩnh (stator) và phần động
(rôtor)

Hình 1.2.1: Động cơ điện một chiều
Gồm các phần chính sau:
- Cực từ chính: Cực từ chính là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực
từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng

GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 3


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử




những lá thép kỹ thuật điện. Cực từ được gắn chặt vào vỏ nhờ các bulông.
Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện.
Cực từ phụ: Cực từ phụ đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi
chiều
Gông từ: Dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy.
Các bộ phận khác:
Nắp máy.
Cơ cấu chổi than.

1.2.1 Phần quay (rotor):
Gồm các bộ phận sau:
a. Lõi sắt phần ứng:
Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ. thông thường dùng những lá thép kỹ thuật điện
dày 0,5 mm phủ cách điện ở hai đầu rồi ép chặt lại. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh
để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào
b. Dây quấn phần ứng:
Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua. Thường làm
bằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện
tròn, trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn
được cách điện với rãnh của lõi thép.
c. Cổ góp:
Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điện
xoay chiều thành một chiều. cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cách
điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn. Đuôi
vành góp có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào
các phiến góp được dễ dàng.
d. Các bộ phận khác:
- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy.
- Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục
máy thường làm bằng thép Cacbon tốt.
1.2.2 Phần quay (rotor):
Gồm các bộ phận sau:
a. Lõi sắt phần ứng:
GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 4

Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử
Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ. thông thường dùng những lá thép kỹ thuật điện
dày 0,5 mm phủ cách điện ở hai đầu rồi ép chặt lại. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh
để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào
b. Dây quấn phần ứng:
Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua. Thường làm
bằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện
tròn, trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn
được cách điện với rãnh của lõi thép.
c. Cổ góp:
Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điện
xoay chiều thành một chiều. cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cách
điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn. Đuôi
vành góp có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào
các phiến góp được dễ dàng.
d. Các bộ phận khác:
- Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy.
- Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục
máy thường làm bằng thép Cacbon tốt.
1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều:
b

A

F ®t

+

n

I

a
I
c
F

®t

d

B

-

Hình 1.3.1:Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều
Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phần ứng
có dòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực điện
từ Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quy tắc bàn tay
trái. Khi phần ứng quay được nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau do có
phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảo động cơ
GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 5


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử
có chiều quay không đổi. Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng

sức điện động Eư chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Ở động cơ điện một chiều sức điện động E ư ngược chiều với dòng điện I ư nên Eư
còn gọi là sức phản điện động.
Phương trình cân bằng điện áp: U= Eư+Rư.Iư
Trong đó:

Rư: điện trở phần ứng
I ư: dòng điện phần ứng
E ư: sức điện động

Theo yêu cầu của đề bài ta xét hệ điều chỉnh tốc độ động cơ điên một chiều kích
rừ độc lập. Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có dòng điện kích từ không phụ
thuộc vào dòng điện phần ứng nghĩa là từ thông của động cơ không phụ thuộc vào phụ
tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ.
+

U­

I

-

E
KT

IKT
+

UKT

-

Hình 1.3.2 : Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc l
1.4 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập
Đặc tính cơ là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen (M) của động cơ.
Ứng với chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông...) động cơ vận hành ở chế độ
định mức với đặc tính cơ tự nhiên (Mđm , wđm).
Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các thông số nguồn
hay nối thêm điện trở phụ, điện kháng vào động cơ.
Để đánh giá, so sánh các đặc tính cơ người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính
cơ β được tính như sau ∆β =

∆M
∆ω

β lớn (đặc tính cơ cứng) tốc độ thay đổi ít khi M thay đổi
β nhỏ (đặc tính cơ mềm) tốc độ giảm nhiều khi M tăng, đặc tính cơ tuyệt đối

cứng.
GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 6


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử
1.4.1 Phương trình đặc tính cơ.
Trường hợp Rf= 0:

Trong đó:

Ke =

p.n
60a

U= E + Iư.Rư

(1)

E= Ke. Φ .n

(2)

: hệ số sức điện động của động cơ

a: số mạch nhánh song song của cuộn dây
K=

p.n
: hệ số cấu tạo của động cơ
2aπ

ω : tốc độ góc tính bằng rad/s
p: số đôi cực chính
N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.

ω=

Thế (2) vào (1) ta có:

Hoặc:

n=

Uu
R
− u Iu
K .φ K .φ

(3)

Uu
R
− u Iu
K e .φ K e .φ

(4)

Phương trình (4) biểu diễn mối quan hệ n= f(Iư) gọi là phương trình đặc tính cơ
điện.
Mặt khác: M= M= K.Ф.Iư (5) :là mômen điện từ của động cơ.
Suy ra: n=

Uu
Ru
−
.M :là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1
K e .φ K e .φ .K Φ

chiều kích từ độc lập.

Hoặc:

ω=

Uu
Ru
−
M = ω 0 − ∆ω
K .φ ( K .φ ) 2

trong đó: ω 0 : tốc độ không tải lý tưởng
∆ω : độ sụt tốc độ

GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 7


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử
1.4.2 Ảnh hưởng của các thông số tới tốc độ động cơ
Từ phương trình đặc tính cơ: ω =

U u Ru + R f
−
M ta nhận thấy muốn thay đổi
K .φ ( K .φ ) 2

tốc độ ω ta có thể thay đổi φ , Rf , U.
a. Trường hợp Rf thay đổi (Uư= Uđm= const; Ф= Фđm= const):

( Kφdm ) 2
∆M
−
Độ cứng đặc tính cơ: β =
=
giảm. Nếu Rf càng lớn thì tốc độ động
Ru + R f
∆ω

cơ càng giảm đồng thời dòng ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên
người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng và điều chỉnh tốc độ động
cơ ở phía dưới tốc độ cơ bản.
b. Trường hợp thay đổi U< Uđm
Tốc độ không tải ω0 =

U
giảm trong khi độ cứng đặc tính cơ
Kφ

( Kφ )
∆M
= const
β=
=−
Ru
∆ω
2

Khi thay đổi điện áp ta thu được 1 họ các đường đặc tính song song. Phương
pháp này được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng khởi động.

c. Ảnh hưởng của từ thông:
d. Muốn thay đổi Φ ta thay đổi dòng kích từ Ikt khi đó tốc độ không tải ω =

( Kφ )
∆M
tăng. Độ cứng đặc tính cơ: β =
=−
Ru
∆ω

1.5

U dm
Kφ

2

giảm.

Phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCĐ một chiều kích từ độc lập

1.5.1 Khái niệm chung
a. Định nghĩa:
Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông
số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông… Từ
đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu.
Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:
GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 8

Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử
Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp
từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản suất.
Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức tạp
của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh. Vì vậy, ta khảo sát sự điều chỉnh tốc
độ theo phương pháp thứ hai.
Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc độ khi phụ
tải thay đổi của động cơ điện.
Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn
so với các loại động cơ khác. Không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng
mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lại đạt chất
lượng điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng.
b. Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ:
Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứ vào
các chỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện:
- Hướng điều chỉnh tốc độ:
Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ lớn hơn hay bé
hơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơ điện trên đường đặc tính cơ tự
nhiên.
- Phạm vi điều chỉnh tốc độ (dãy điều chỉnh):
Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất n max và tốc độ bé nhất
nmin mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức: D = n max/nmin.
Trong đó:
 nmax: Được giới hạn bởi độ bền cơ học.
 nmin: Được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ, thông thường người
ta chọn nmin làm đơn vị.
Phạm vi điều chỉnh càng lớn thì càng tốt và phụ thuộc vào yêu cầu của từng hệ

thống, khả năng từng phương pháp điều chỉnh.
- Độ cứng của đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ:
Độ cứng: β = ∆M/∆n. Khi β càng lớn tức ∆M càng lớn và ∆n nhỏ nghĩa là độ ổn
định tốc độ càng lớn khi phụ tải thay đổi nhiều. Phương pháp điều chỉnh tốc độ tốt
GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 9


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử
nhất là phương pháp mà giữ nguyên hoặc nâng cao độ cứng của đường đặc tính cơ.
Hay nói cách khác β càng lớn thì càng tốt.
- Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ:
Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ. Độ liên tục khi điều chỉnh
tốc độ γ được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau:
ni

γ= n
i +1
Trong đó: ni: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i.
ni + 1: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 ).
Với ni và ni + 1 đều lấy tại một giá trị moment nào đó.
γ tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục. Lúc này
hai cấp tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điều chỉnh tốc độ vô cấp.
γ ≠ 1 : Hệ thống điều chỉnh có cấp.
- Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ:
Hệ thống truyền động điện có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suất làm
việc của động cơ η là cao nhất khi tổn hao năng lượng ∆Pphụ ở mức thấp nhất.
- Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ:

Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện có tính kinh tế cao nhất là một hệ
thống điều chỉnh phải thỏa mãn tối đa các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Đồng thời hệ
thống phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành thấp nhất, sử dụng thiết
bị phổ thông nhất và các thiết bị máy móc có thể lắp ráp lẫn cho nhau.
1.5.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng:
Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện
áp trên mạch phần ứng thì dòng điện, moment sẽ không thay đổi. Để tránh những biến
động lớn về gia tốc và lực động trong hệ điều chỉnh nên phương pháp điều chỉnh tốc
độ bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng thường được áp dụng cho động cơ
một chiều kích từ độc lập.

GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 10


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử
Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồn điều áp
như: máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ… Các bộ biến
đổi trên dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng một chiều và điều
chỉnh giá trị sức điện động của nó cho phù hợp theo yêu cầu.
n=

R +Rf
U
− u
M
K E Φ K E K M Φ2

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
Ta có tốc độ không tải lý tưởng:
n0 =

U đm
K E .Φ đm

Độ cứng của đường đặc tính cơ:
β=

dM
K K Φ2
=− E M
dn
Ru + R f

Khi thay đổi điện áp đặt lên phần ứng của động cơ thì tốc độ không tải lý tưởng
sẽ thay đổi nhưng độ cứng của đường đặc tính cơ thì không thay đổi.
Như vậy: Khi ta thay đổi điện áp thì độ cứng của đường đặc tính cơ không thay
đổi. Họ đặc tính cơ là những đường thẳng song song với đường đặc tính cơ tự nhiên:
n
n0
TN ( Uđm )

ncb

Uđm > U1 > U2 > U3

U1

n1
n2

ncb > n1 > n2 > n3

U2

n3

MC

U3

M

Hình 1.5.2.1: Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ
GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 11


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử
1.5.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông:
+

-

U
Iư

Eư
Ckt
+

Rkt

Ukt

-

Hình 1.5.3.1: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh moment
điện từ của động cơ M = KM Φ Iư và sức điện động quay của động cơ
Eư = KE Φ n. Thông thường, khi thay đổi từ thông thì điện áp phần ứng được giữ
nguyên giá trị định mức.
Đối với các máy điện nhỏ và đôi khi cả các máy điện công suất trung bình, người
ta thường sử dụng các biến trở đặt trong mạch kích từ để thay đổi từ thông do tổn hao
công suất nhỏ. Đối với các máy điện công suất lớn thì dùng các bộ biến đổi đặc biệt
như: máy phát, khuếch đại máy điện, khuếch đại từ, bộ biến đổi van…
Thực chất của phương pháp này là giảm từ thông. Nếu tăng từ thông thì dòng
điện kích từ Ikt sẽ tăng dần đến khi hư cuộn dây kích từ. Do đó, để điều chỉnh tốc độ
chỉ có thể giảm dòng kích từ tức là giảm nhỏ từ thông so với định mức. Ta thấy lúc
này tốc độ tăng lên khi từ thông giảm: n =

U
K E .Φ

Mặt khác ta có: Moment ngắn mạch M n = KM Φ In nên khi Φ giảm sẽ làm cho Mn

β =−

K E K M Φ2
R

giảm theo.
Độ cứng của đường đặc tính cơ:
Khi Φ giảm thì độ cứng β cũng giảm, đặc tính cơ sẽ dốc hơn. Nên ta có họ
đường đặc tính cơ khi thay đổi từ thông như sau:

GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 12


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử
n
φñm > φ1 > φ2

Φ1

n1

Φ2
Φ đm

ncb
0

ncb < n1 < n2

MC M2 M1

M

Mn

Hình 1.5.3.2: Họ đặc tính cơ khi thay đổi từ thông
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh
được tốc độ vô cấp và cho ra những tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản.
Theo lý thuyết thì từ thông có thể giảm gần bằng 0, nghĩa là tốc độ tăng đến vô
cùng. Nhưng trên thực tế động cơ chỉ làm việc với tốc độ lớn nhất:
nmax = 3.ncb tức phạm vi điều chỉnh: D =

nmax
3
=
ncb
1

Bởi vì ứng với mỗi động cơ ta có một tốc độ lớn nhất cho phép. Khi điều chỉnh
tốc độ tùy thuộc vào điều kiện cơ khí, điều kiện cổ góp động cơ không thể đổi chiều
dòng điện và chịu được hồ quang điện. Do đó, động cơ không được làm việc quá tốc
độ cho phép.
Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể
điều chỉnh tốc độ vô cấp và cho những tốc độ lớn hơn ncb. Phương pháp này được dùng
để điều chỉnh tốc độ cho các máy mài vạn năng hoặc là máy bào giường. Do quá trình
điều chỉnh tốc độ được thực hiện trên mạch kích từ nên tổn thất năng lượng ít, mang
tính kinh tế.

1.5.4 Thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng:
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng có
thể được dùng cho tất cả động cơ điện một chiều. Trong phương pháp này điện trở phụ
được mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ theo sơ đồ nguyên lý như sau:

GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 13


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử

Hình 1.5.4.1: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở
phụ trên mạch phần ứng.
Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
Ru +R f
U
−
M
K E Φ K E K M Φ2
2
U
K E Kđộ
dm
MΦ
Khi thay đổi gián 0trị= điệndmtrở =phụ
không
tải lý tưởng: và độ
constR f ta;nhận

β =thấy
− tốc
K E Φ dm
Ru + R f
n=

cứng của đường đặc tính cơ:

Sẽ thay đổi khi giá trị R f thay đổi. Khi Rf càng lớn, β càng nhỏ nghĩa là đường
đặc tính cơ càng dốc. Ứng với giá trị R f = 0 ta có độ cứng của đường đặc tính cơ tự
nhiên được tính theo công thức sau:
βTN = −

K E K M Φ2 dm
Ru

Ta nhận thấy βTN có giá trị lớn nhất nên đường đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng
lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có đóng điện trở phụ trên mạch phần ứng.
Nguyên lý điều chỉnh
cách thay đổi điện trở- phụ trên mạch phần ứng
+ tốc độ bằng U
được giải thích như sau:Giả
Iư sử động cơ đang làm việc xác lập với tốc độ n 1 ta đóng
thêm Rf vào mạch phần ứng. Khi Eđó dòng điện R
phần
ứng I ư đột ngột giảm xuống, còn
f
tốc độ động cơ do quán tính nên chưa kịp biến đổi. Dòng I ư giảm làm cho moment
động cơ giảm theo và tốc độ giảm xuống, sau đó làm việc xác lập tại tốc độ n 2 với n2
Ckt Rkt

> n1.
ư

+

GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

UKT

Trang 14


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử
Phương pháp điều chỉnh tốc độ này chỉ có thể điều chỉnh tốc độ n < n cb. Trên
thực tế không thể dùng biến trở để điều chỉnh nên phương pháp này sẽ cho những tốc
độ nhảy cấp tức độ bằng phẳng γ xa 1 tức n1 cách xa n2, n2 cách xa n3…
Khi giá trị nmin càng tiến gần đến 0 thì phạm vi điều chỉnh:
D=

ncb
≈∞
nmin

Trong thực tế, Rf càng lớn thì tổn thất năng lượng phụ tăng. Khi động cơ làm
việc ở tốc độ n = n cb/2 thì tổn thất này chiếm từ 40% đến 50%. Cho nên, để đảm bảo
tính kinh tế cho hệ thống ta chỉ điều chỉnh sao cho phạm vi điều chỉnh:
D=

(2 ÷ 3)

1

Khi giá trị Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm. Đồng thời dòng điện ngắn
mạch In và moment ngắn mạch Mn cũng giảm. Do đó, phương pháp này được dùng để
hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản. Và tuyệt đối không được
dùng cho các động cơ của máy cắt kim loại.
Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên
mạch phần ứng chỉ cho những tốc độ nhảy cấp và nhỏ hơn ncb.
Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cho cần
trục, thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép.
Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng vào càng
lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi phụ tải thay
đổi càng kém. Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổn hao phụ
càng tăng.
1.6 Đảo chiều quay động cơ điện một chiều
Chiều quay của động cơ điện một chiều phụ thuộc vào chiều của mô men, để
thay đổi chiều của mô men ta có thể dùng hai phương pháp sau:
- Đổi chiều quay bằng cách đổi chiều dòng điện trong phần ứng
- Đổi chiều quay bằng cách đổi chiều từ thông, cụ thể là chiều dòng kích từ.
Đổi chiều quay của động cơ điện lúc đang quay về nguyên tắc cũng có thể thực
hiện được bằng cả hai phương pháp trên, tuy nhiên trên thực tế chỉ được dùng phương
GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 15


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử
pháp đổi chiều dòng điện phần ứng Iư , còn phương pháp đổi chiều quay động cơ
bằng cách đổi chiều dòng kích từ không được sử dụng vì cuộn kích từ có nhiều vòng

dây do đó hệ số tự cảm Lt rất lớn và việc thay đổi chiều dòng điện kích từ dẫn đến sự
xuất hiện sức điện động tự cảm rất cao, gây quá điện áp đánh thủng cách điện của dây
quấn kích thích . Ngoài ra, dùng phương pháp đảo chiều từ thông thì khi từ thông qua
trị số không có thể làm tốc dộ tăng quá, không tốt.

GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 16


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN VÀ PHÂN TÍCH MẠCH LỰC

2.1 Khái quát chung:
Như ta đã biết để điều chỉnh được động cơ điện thì ta phải chọn mạch lực để điều
khiển động cơ. Tùy thuộc vào yêu cầu điều chỉnh, công suất động cơ mà ta đưa ra
phương án chọn mạch lực điều khiển động cơ hợp lý, tối ưu với yêu cầu đề ra. Sau đây
chúng em giới thiệu một số mạch chỉn lưu cầu 1 pha điều chỉnh động cơ điện 1 chiều
dùng Thyristor như sau:
2.2 Chọn sơ đồ chỉnh lưu động cơ
2.2.1 Sơ đồ cầu chỉnh lưu 1 pha:
•
•
-

Ưu điểm :
Sơ đồ mạch lực, mạch điều khiển đơn giản
Không cần sử dụng bộ đổi nguồn 3 pha.
Điện áp ra sau chỉnh lưu tương đối ổn định, có tính liên tục.

Nhược điểm:
Điện áp sau khi chỉnh lưu nhỏ (U1/Ud lớn)
Sử dụng không hiệu quả công suất MBA
Sử dụng các mạch chỉnh lưu công suất nhỏ.

a. Sơ đồ nguyên lý:

i1

A
u1

i2

uT1

T1uT2

itải

T2
R

u2

utải

Ld

B

b. Nguyên lý làm việc:
Giả sử Ld = ∞ điện áp phía thứ cấp u2 =

2 U2 .sin ω t với góc điều khiển

α . Xét

mạch đang làm việc ở chế độ xác lập. Khi van dẫn sụt áp trên nó bằng 0.
GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

uT3

uT4

T4

Trang 17


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử
Trước thời điểm ω t= v1 cặp van T1 và T3 dẫn điện khi đó ta có: uT2 = uT3 = 0;
utải=-u2 ; uT1 = uT4 = u2; iT2 = iT3 = itải ; iT1 = iT4 = 0.Đến thời điểm ω t= v1 cấp xung điều
khiển mở cặp van T1 và T4 lúc này cặp van T1 và T4 sẽ dẫn điện, cặp van T2 và T3 bị
phân cực ngược nên không dẫn điện, khi đó ta có: u T1 = uT4 = 0; utải = u2; uT2 = uT3 = u2; iT1= iT4= itải; iT2 = iT3 = 0.
Đến thời điểm ω t = π, u2 = 0 có xu hướng âm dần và - u 2 = 0 có xu hướng dương
dần. Tuy nhiên điện áp nguồn lúc này tác động ngược chiều với chiều dẫn dòng của
dòng điện qua tải, cho nên suất điện động cảm ứng do L d tạo ra cho cặp van T1 và T4
tiếp tục dẫn điện, còn cặp van T2 và T3 chưa dẫn do chưa có xung điều khiển kích mở.

Lúc này ta có: uT1= uT4= 0; utải = u2 < 0; uT2 = uT3 = - u2 > 0; iT1 = iT4= itải; iT2 = iT3= 0.Đến
thời điểm ω t =π+ α phát xung điều khiển mở cặp van T 2 và T3, lúc này cặp van T2 và
T3 sẽ dẫn điện còn cặp van T 1 và T4 bị phân cực ngược nên không dẫn điện. Ta có:
uT2= uT3 = 0; uT1 = uT4 = u2 < 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1= iT4= 0.
Đến thời điểm ω t =2π, u2= 0 và có xu hướng dương dần, còn - u 2 = 0 có xu
hướng âm dần, tuy nhiên cặp van T 2 và T3 sẽ tiếp tục dẫn do suất điện động của cuộn
cảm tải tạo ra để chống lại sự biến thiên của dòng điện. Cặp van T 1 và T4 chưa dẫn
điện do chưa có xung điều khiển kích mở ta có:
uT2= uT3 = 0; uT1 = uT4= u2 > 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1= iT4= 0.
Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự như trên.

c. Giản đồ dòng điện, điện áp:

GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 18


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử

d. Một số biểu thức tính toán:
Điện áp trung bình trên tải:
1
Utải = 2.
2π

π +α

∫

α

2 U2 sin ω t.d ω t = 2 2 U 2 cos α
π

Dòng điện trung bình qua Thyristor:
π +α

IT =

∫
α

Itải .d ω t =

I tai
2

Điện áp thuận, điện áp ngược trên thyristor:
uT(thuận) = uT(ngược) = 2 U2.
e. Ứng dụng
GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 19


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử
Mạch này có thể dung được với nhiều loại phụ tải khác nhau, với nhiều ưu tiên
riêng (các cặp van luôn phiên nhau dẫn, có thể điều chỉnh được trơn điện áp đầu ra)

2.2.2 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển:
a. Sơ đồ nguyên lý:
U2

U2
D2

T1

T
2

T1

A

A
T
2

D
1

F

F

D
1

D2
B

E

B

Ld

Rd

Ld

Rd

Hình 2.2,2a:Sơ đồ cùng cực tính

E

Hình 2.2.2b:Sơ đồ ngược cực tính

U
d

0

0

α1

α1

π

π

α
2

2π α3
3π
I (L=0)
d

α2

2π α3

3π

2π α3

3π

2π α3

3π

T1
0

α1

π

U
d

I (L=
d

∞)

0 α1

0 α1

α
2

π

π

α1

π

α2

0 α1

π

0

α1

α1

α
2

2π α3

α2

0 α1

π

α
2

D2

α
2

2π α3

c- cùng cực tính

2π α3

3π

2π α3

3π

2π α3

3π

I (L=
d

∞)

D1

T2
0

α2

2π α3
3π
I (L=0)

d

T1

D1
0

α2

0 α1

α
2

D2

T2

2π α3

d- ngược cực tính

Hình 2.2.2: điện áp của tải và các van bán dẫn sơ đồ điều khiển

GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 20


Trường ĐHSPKT Hưng Yên

Khoa Điện - Điện tử
b. Nguyên lý làm việc:
- Sơ đồ nối cùng cực tính:
Tại α1 cấp xung điều khiển T1, T1 sã mở cho dòng điện chạy qua từ A qua T1
qua tải về D1 về B.
Đến π điện áp đổi dấu (A âm, B dương) ,T1 khóa. Nếu tải điện cảm dòng điện tải
là đường thẳng. Năng lượng của cuộn dây sẽ được tích lũy xả qua D2 tới D1 điện áp
tải trong vùng π ÷ α2 là bằng 0.
Đến α2 cấp xung điều khiển T2, T2 dẫn. Từ α2 ÷ 2π dòng tải là dòng điện của 2
van T2 và D2. Đến 2π điện áp đổi dấu (B âm, A dương) D2 khóa, D1 mở để năng
lượng của cuộn dây xả qua D1 về T2.
2π ÷ α3 mở thông D1, T2 điện áp tải bằng 0. Kết quả là chuyển mạch các van bán
dẫn có điều khiển được thực hiện bằng việc mở các van kế tiếp. Các van được dẫn
thông trong nửa chu kỳ.
Ta có đường cong dòng điện và điện áp tải như Hình2.2.2.c.
- Sơ đồ nối ngược cực tính:
Tại α1 cấp xung điều khiển T1 với A dương, T1 sẽ mở cho dòng điện chạy qua từ
A qua T1 qua tải về D1 về B. T1 và D1 dẫn từ (α1 ÷ π ).
Đến π điện áp đổi dấu (A âm, B dương) ,D2dẫn làm khóa T1 năng lượng của
cuộn dây sẽ được tích lũy xả qua D1 và D2.
Đến α2 cấp xung điều khiển T2 với A âm, T2phân cực thuận nên t2 mở làm khóa
D1 cho dòng điện chạy từ B qua D2 qua tải về T2 về A.. Đến 2π điện áp đổi dấu (B
âm, A dương) T2 phân cực ngược nên T2 bị khóa.
Ta có đường cong dòng điện và điện áp tải như Hình 2.2.2.d
- Biểu thức tính toán:
Điện áp trung bình trên tải:
1
Utải=2. 2π

π

∫

α

2

U2 .sin ( ω t) d ω t =

1+ cos α
2 U2
π
.

GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 21


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử
Điện áp thuận và ngược đặt lên Thyristor và Diode
uD(thuận)= uD(ngược) =

2 U2 .

uT(thuận)= uT(ngược) =

2 U2 .

Kết luận: Từ yêu cầu thực tiễn ta chọn mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển
cùng cực

GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 22


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử
CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỀU KHIỂN

3.1 Lựa chọn mạch điều khiển
 Phương án 1: Sử dụng mạch gồm các khâu sau:
- Khâu đồng pha.
- Khâu tạo điện áp răng cưa.
- Khâu so sánh .
- Khâu tạo xung chùm.
- Khâu trộn xung.
- Khâu khuếch đại và biến áp xung.

RC

ĐF

SS

TX

ĐK

KĐ &
BAX

T

FX

 Ưu điểm: Giá thành rẻ.
 Nhược điểm:
- Mạch phức tạp phải thông qua nhiều khâu.
- Chất lượng điều khiển không cao .
 Phương án 2: Dùng IC tích hợp TCA 785

Khối nguồn
mạch điều
khiển

Mạch điều
khiển

Khối cách ly

Bộ chỉnh
lưu

GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 23

Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử
Đối với việc điều khiển điện áp một chiều ta có thể sử dụng vi mạch tích hợp
TCA 785 để đơn giản mạch điều khiển.
 Ưu điểm:
- Mạch đơn giản, ít khâu điều khiển.
- Tạo ra điện áp đối xứng.
- Chất lượng điện áp ra như mong muốn.
 Nhược điểm :Giá thành đắt.
 Kết luận:
Từ việc so sánh ưu nhược điểm của 2 phương án trên chúng em chọn phương
pháp 2 (Sử dụng mạch tích hợp TCA 785).
3.2 Giới thiệu về vi mạch TCA 785
3.2.1 Giới thiệu chung
Vi mạch TCA 785 là vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của một mạch
điều khiển: Tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa, so sánh và tạo xung ra. TCA
785 do hang Simen chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiêt bị
điều chỉnh dòng xoay chiều.
Đặc trưng:
- Dễ phát hiện việc chuyển qua điểm không.
- Phạm vi ứng dụng rộng rãi
- Có thể hoạt động 3 pha (3 IC).
- Dòng điện ra 250 mA.
- Mạch thiết kế đơn giản, thi công nhanh dễ điều khiển và hiệu chỉnh.
- Hoạt động tin cậy.
- Dải điều chỉnh và góc điều khiển rộng.
3.2.2 Giới thiệu về cấu tạo nguyên lý của TCA 785
a. Kí hiệu:

GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 24


Trường ĐHSPKT Hưng Yên
Khoa Điện - Điện tử

Hình 3.2.2.1: Sơ đồ chân TCA785

b. Chức năng:

Chân

Kí hiệu

Chức năng

1

GND

Chân nối đất

2

Q2

Đầu ra 2 đảo

3

QU

Dầu ra U

4

Q1

Đầu ra 1 đảo

5

VSYNC

Tín hiệu đồng bộ

6

I

Tín hiệu cấm

7

QZ

Đầu ra z

8

VREF

Điện áp chuẩn

9

R9

Điện áp tạo xung răng cưa

10

C10

Tụ tạo xung răng cưa

11

V11

Điện áp điều khiển

12

C12

Tụ tạo độ rộng xung

13

L

Tín hiệu điều khiển xung ngắn, xung
rộng

GVHD: Th.ĐỖ CÔNG THẮNG

Trang 25