Đồ án Tổng Hợp Điện Cơ

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

SVTK :

phần I : phân tích lựachọn phơng án
truyền động điện
*Khái niệm chung:

* Nội dung:
- Để thiết kế hệ thống truyền động cho một đối tợng truyền động ta
phải căn cứ vào đặc điểm công nghệ của nó, căn cứ vào chỉ tiêu chất lợng
mà đa ra phơng án hợp lý. Với mỗi một đối tợng truyền động có thể thực
hiện bằng các truyền động khác nhau. Mỗi phơng án đều có những u nhợc
điểm của nó, nói chung phơng án đa ra cần đảm bảo các yêu cầu của đối tợng cần truyền động. Phải đảm bảo đợc các chỉ tiêu về mặt kỹ thuật cũng
nh về mặt kinh tế, trong đó chỉ tiêu kỹ thuật là quan trọng hàng đầu. Thông
thờng một hệ thống tốt hơn về mặt kỹ thuật cũng nh tốn kém hơn về mặt
kinh tế. Do vậy tuỳ thuộc yêu cầu chất lợng và độ chính xác của sản phẩm
ta cho chọn hệ thống truyền động điện nhằm đa ra một hệ thống đảm bảo
yêu cầu mong muốn.

* ý nghĩa:
- Việc lựa chọn phơng án truyền động điện có ý nghĩa rất quan trọng.
Nó liên quan đến chất lợng sản phẩm cũng nh ảnh hởng đến hiệu quả kinh
tế của sản xuất. Nếu nh lựa chọn đúng thì chúng ta có thể tăng năng xuất
làm việc, hạn chế đợc những hành trình thừa, chất lợng sản phẩm sẽ tốt hơn,
do đó hiệu quả kinh tế sẽ cao hơn. Kết quả sẽ hoàn toàn ngợc lại nếu ta lựa
chọn không đúng và nó còn gây ra tổn thất không ngờ trớc.

* phơng án lựa chọn:

- Muốn chọn đợc hệ thống phù hợp với yêu cầu chúng ta phải đa ra
các phơng án có thể đáp ứng đợc yêu cầu kỹ thuật sau đó đánh giá những u
nhợc điểm mà chọn cho hợp lý.
I. chọn phơng án truyền động điện:

1




Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

SVTK :

-Để thiết kế hệ thống truyền động điện ngời thiết kế phải đa ra nhiều
phơng án khác nhau. Rồi sau đó so sánh các phơng án trên hai phơng diện
kinh tế và kỹ thuật để chọn ra phơng án tối u nhất. Phơng án tối u nhất là
phơng án đáp ứng đợc yêu cầu đề ra đồng thời là phơng án đảm bảo về mặt
kỹ thuật và chi phí thấp nhất.
I.1 : phân tích chọn động cơ truyền động và phơng án điều chỉnh
tốc độ

- Động cơ là thiết bị truyền chuyển động chính cho máy sản xuất , là
đối tợng điều khiển của hệ thống điều khiển tự động truyền động điện việc
chọn động cơ một cách hợp lý có một vị trí hết sức quan trọng trong công
việc thiết kế hệ thống truyền động điện , động cơ đợc chọn phải thoả mãn
các điều kiện công nghệ yêu cầu, phải phụ thuộc tính chất công suất của tải
đồng thời phải thoả mãn các yếu tố sao cho tổn hao ít, giá thành hạ, hoạt
động tin cậy, chi phí vận hành hàng năm nhỏ, lắp đặt thay thế dễ, sửa chữa
đơn giản, để chọn động cơ quay chi tiết ta xét lần lợt các loại động cơ :

Trong công nghiệp động cơ dùng trong hệ truyền động điện gồm hai loại :
- Động cơ điện xoay chiều : Chia là hai loại :
+ Động cơ không đồng bộ : bao gồm động động cơ không đồng bộ roto
lồng sóc và động cơ không đồng bộ roto dây quấn .
+ Động cơ đồng bộ .
- Động cơ điện một chiều : Chia làm ba loại :
+ Động cơ một chiều kích từ độc lập .
+ Động cơ một chiều kích từ nối tiếp .
+ Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp .
Sau đây ta sẽ đi nghiên cứu đặc điểm của từng loại cũng nh các phơng pháp
điều chỉnh tốc độ của chúng .
I.1.1: Động cơ điện xoay chiều :
I.1.1.1 : Động cơ không đồng bộ

2




Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

SVTK :

- Đợc sử dụng rộng rãi trong thực tế, u điểm là cấu tạo đơn giản, đặc
biệt là loại rô to lồng sóc. So với máy điện một chiều thì giá thành hạ vận
hành tin cậy trực tiếp dùng điện lới không cần dùng các thiết bị biến đổi
khác nhợc điểm là điều khiển và khống chế các quá trình quá độ khó khăn,
với động cơ lồng sóc thì chỉ tiêu khởi động xấu hơn.

đc

rf

hình 1

i1
xà

r1

x1

ià

n

x2

n1

i2

rf = 0
rf # 0

r'2/ s

uf
rà

mth

hình 2

hình 3

Hình 1 : Sơ đồ nguyên lý động cơ không đồng bộ
Hình 2 : Sơ đồ thay thế
Hình 3 : đặc tính cơ
Ngời ta đã chứng minh đợc phơng trình đặc tính cơ :

3

m




Đồ án tổng hợp hệ điện cơ
3 U
M =


R,2


R1 + S

SVTK :

R,2
s

f

2



+X nm S




Trong đó :
Uf : là giá trị hiệu dụng của điện áp pha sta to
R2, ,R1 : là điện trở rô to và stato đã quy đổi
S : hệ số trợt của động cơ



1

1

S =

Sth =

R2
X nm

Hệ số trợt tới hạn

Xnm =X1 + X2 : là điện kháng ngắn mạch là tổng trở của điện kháng
tản sta to và rô to đã quy đổi
Cũng có thể viết :
M=

2.Mth.(1 + a.Sth)
Sth
S
+
+ 2.a.Sth
S
Sth

Trong đó : Mth =

3.U f

2

2.1 .( R1 R 21 + X 2 nm)

Với Xnm = X1+X2 : là điện kháng ngắn mạch
Mth

: Mô men tới hạn

a = R1/R2

: Hệ số phụ thuộc sơ đồ nối mạch của động cơ

Sth = R2/Xnm : hệ số trợt tới hạn
S=

1
: Hệ số trợt .
1

Từ phơng trình đặc tính cơ ta đa ra các phơng pháp điều chỉnh tốc độ động
cơ nh sau :
- Thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ .
4




Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

SVTK :

- Thay đổi điện áp U khi tần số f = const .
- Thay đổi điện trở mạch roto .
- Thay đổi công suất trợt ( thay đổi số đôi cực ) .

a. Thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ .
- Sức điện động của động cơ đợc cho bởi công thức sau :
U1 = E = 4,44.W1.f1.Kdq1. = C.f1. => = U1/C.f1 (*)
Giả sử f = fcb = 50Hz , U1 = const.
+ Nếu điều chỉnh f > fcb : Từ (*) ta thấy khi f tăng thì giảm ( vì U =
const) muốn giữ cho mômen không đổi ( M = K. .I2.cos = const ) thì I2
phải tăng lên I2 > I2đm . Nh vậy sẽ làm cho mạch từ non tải và dây quấn
roto quá tải .
+ Nếu điều chỉnh cho f < fcb : Từ (*) ta thấy khi f giảm thì tăng dòng từ
hoá I tăng mạch từ bão hoà , cos giảm , tổn hao lớn , nhiệt độ tăng quá
nhiệt độ cho phép .
Do vậy khi điều chỉnh tần số ( dùng bộ biến tần ) ngời ta thờng đi kèm với
việc thay đổi điện áp để giữ cho = const điều này rất phức tạp .

b. Thay đổi điện áp U khi f = const .
n
n1

đaxc

rf = 0

đc

rf # 0
rf

mth2 mth1 mth

m

-Vì mômen động cơ tỉ lệ bình phơng điện áp vì vậy khi thay đổi điện áp đặt
vào stato sẽ thay đổi đợc mômen và thay đổi đợc tốc độ . Để điều chỉnh đợc
điện áp phải có bộ biến đổi điện áp xoay chiều ( ĐAXC ) thông thờng
5




Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

SVTK :

không áp dụng điều chỉnh U cho động cơ roto lồng sóc vì Sth của đặc tính
cơ tự nhiên là nhỏ . Với động cơ roto dây quấn khi điều chỉnh điện áp cần
nối thêm Rf mạch roto để mở rộng phạm vi điều chỉnh
Phơng pháp điều chỉnh điện áp mạch roto chỉ thích hợp với những truyền
động mà mômen tải là hàm tăng theo tốc độ nh quạt gió , bơm li tâm

c. Thay đổi tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở mạch rôto .
n
n1
rf = 0
rf # 0
mth

m

Ta có thể điều chỉnh trơn điện trở mạch roto bằng các van bán dẫn , u thế là
dễ tự động hoá việc điều chỉnh . Điện trở trong mạch roto động cơ đợc xác

định theo biểu thức .
Rr = Rrd + Rf .
Trong đó : Rrd : Điện trở mạch dây quấn roto .
Rf : Điện trở ngoài mắc thêm vào mạch roto .
Khi thay đổi điện trở mạch roto thì mômen tới hạn của động cơ không thay
đổi và độ trợt tới hạn tỉ lệ bậc nhất với điện trở .
S = Si.Rr/Rrd
Trong đó : S : Độ trợt khi điện trở mạch roto là Rr .
Si : : Độ trợt khi điện trở mạch roto là Rrd .
3I 2 r.Rr
3I 2 r.Rr
3I 2 Rrd
M =
=
=
Mặt khác :
Rr
1 .S
1 .Si
1 .Si.
Rrd
Khi thay đổi điện trở mạch roto thì mômen thay đổi => tốc độ thay đổi .
Thông thờng chọn Rf ở chế độ dài hạn , chọn bằng vật liệu có nhỏ .
Phơng pháp này làm tăng tổn hao , do đó giảm hiệu suất .

6

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

SVTK :

Với máy điện không đồng bộ rô to dây cuốn, ta có thể dùng phơng
pháp thay đổi điện trở mạch phần ứng để thay đổi tốc của nó. Ưu điểm là
kết cấu bộ biến đổi rất đơn giản nhng nó có nhợc điểm là ở vùng tốc độ
thấp do hệ số trợt S lớn nên gây tổn hao nhiều.
Ps = Pđt . S

d. Điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh công suất trợt
( thay đổi số đôi cực ) .
n
n1

p= 1
p= 2

mth

m

n = n1.(1-s) =f1.(1-s)/p
Khi thay đổi p thì n thay đổi .
Tuy nhiên việc thay đổi p sẽ làm cho tốc độ bị nhảy cấp và việc điều chỉnh
là không trơn.
I.1.1.2: Động cơ đồng bộ .

- Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ nh hình vẽ
- Hình 1 : sơ đồ nguyên lý

- Hình 2 : đặc tính cơ

n
n0
đc

+

mth

-

7

m




Đồ án tổng hợp hệ điện cơ
Hình 1

SVTK :

Hình2

- Động cơ đồng bộ sử dụng cho hệ truyền động yêu cầu độ ổn định tốc độ
cao . Động cơ đồng bộ thờng dùng cho các máy bơm , quạt gió , các hệ
truyền động của nhà máy luyện kim .
- Ưu điểm là có độ ổn định tốc độ cao hệ số cos và hiệu suất lớn , vận

hành có độ tin cậy cao .
- Mạch stato tơng tự động cơ không đồng bộ , mạch roto có cuộn kích từ và
cuộn dây khởi động .
- Khi đóng điện động cơ làm việc với tốc độ không đổi và bằng tốc độ đồng
bộ .

1 =

2. . f1
(1)
p

Trong phạm vi mômen cho phép MM>Mmax thì tốc độ động cơ sẽ mất đồng bộ .
Từ (1) ta thấy khi thay đổi f thì sẽ thay đổi đợc tốc độ do đó cấu trúc của hệ
truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ bao giờ cũng có bộ biến tần
kèm theo .
Với máy đồng bộ thì bộ biến đổi cũng là bộ biến tần, nên hệ thống
cũng phức tạp và đắt tiền nh bộ biến đổi của động cơ Rôto lồng sóc. Mặt
khác do công nghệ là yêu cầu có chất lợng cao nếu sử dụng máy điện đồng
bộ thì thời gian mở máy sẽ lâu và tốn nhiều thời gian nh vậy thì năng suất
lao động không cao.
I.1.2 : Động cơ một chiều .

- Đặc điểm chung của động cơ điện một chiều là hoạt động tin cậy,
có mô men lớn, điều chỉnh tốc độ đơn giản hơn máy điện xoay chiều, nhng
nhợc điểm là giá thành đắt .
Động cơ một chiều có 3 loại chính :
+ Động cơ một chiều kích từ độc lập .
8

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

SVTK :

+ Động cơ một chiều kích từ nối tiếp .
+ Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp .
Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp ít dùng vì vậy ta sẽ đi nghiên cứu hai
loại trên .
I.1.2.1 : Động cơ một chiều kích từ nối tiếp .

- Với động cơ một chiều kích từ nối tiếp ta có cuộn dây kích từ đợc ghép
nối tiếp với phần ứng .
- Phơng trình đặc tính cơ điện :

=

U
R

KC.I KC

Phơng trình đặc tính cơ .

=

U

R

KCM KC

M = KCI 2
Sơ đồ nguyên lý , đồ thị đặc tính cơ điện và đặc tính cơ cho nh trên hình vẽ .

n
uƯ

+

-

ckt

rf

rf = 0

rf # 0

đc

m

Từ phơng trình đặc tính cơ ta thấy : có thể điều chỉnh tốc độ động cơ một
chiều kích từ nối tiếp bằng cách thay đổi điện áp phần ứng hoặc thay đổi
điện trở phần ứng bằng cách mắc thêm điện trở phụ .

* Nhận xét :
- Đặc tính cơ có dạng hypebol và mềm ở phạm vi dòng điện có giá trị nhỏ
hơn định mức . ở vùng có dòng điện lớn hơn do mạch từ bão hoà nên từ
9




Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

SVTK :

thông hầu nh không đổi và có dạng gần tuyến tính . Do đó loại động cơ này
không nên dùng cho hệ truyền động yêu cầu độ ổn định tốc độ cao mà sử
dụng cho những hệ truyền động có yêu cầu tốc độ thay đổi theo phụ tải .
Động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mômen ( nhờ
cuộn CKT mắc nối tiếp vào mạch phần ứng ) => Có khả năng khởi động tốt
hơn động cơ một chiều kích từ độc lập nên loại động cơ này sử dụng cho
những hệ truyền động yêu cầu quá tải cao và mômen khởi động lớn .
Vì từ thông phụ thuộc dòng điện nên khả năng chịu tải của động cơ không
chịu ảnh hởng của sụt áp lới .
I.1.2.2: Động cơ một chiều kích từ độc lập :

- Phơng trình đặc tính cơ điện : =
- Phơng trình đặc tính cơ : =

U
R

I

K K

U
R

M
K ( K ) 2

Sơ đồ nguyên lý , đồ thị đặc tính cơ và đặc tính cơ điện cho nh hình vẽ :
n
+

uƯ

-

no

đc
ckt

m

* Nhận xét :
- Đặc tính cơ có dạng đờng thẳng và có độ cứng cao . Khi động cơ làm việc
với tốc độ không đổi thì mômen điện từ bằng mômen cản trên trục động
cơ . Điểm làm việc tơng ứng với điểm giao giữa đặc tính của động cơ và
đặc tính mômen cản của phụ tải .
- Từ phơng trình đặc tính cơ ta đa ra các phơng pháp điều chỉnh tốc độ nh
sau :

- Phơng pháp thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng động cơ .
10




Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

SVTK :

- Phơng pháp thay đổi từ thông .
- Phơng pháp thay đổi điện áp phần ứng .

a. Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch
phần ứng .
- Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ nh hình vẽ

n
uƯ

+

-

no
n1
n2

b

a
c

rf = 0
rf # 0
rf # 0

đc

rf
ckt

mdm = Mc

m

- Khi động cơ làm việc định mức Mđm = Mc .
- Muốn thay đổi tốc độ ta đóng các điện trở phụ khi đó I giảm đột biến , do
quán tính cơ nên tốc độ cha kịp biến đổi . Trên hệ toạ độ (M) điểm làm
việc chuyển từ a sang b . Mômen giảm M<Mc => tốc độ giảm làm I lại
tăng lên và tiến tới làm việc xác lập tại c với tốc độ 2< 1
- Khi thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ thì :
+ 2 = U/Kđm = const .
+ = -(Kđm)2/R Phụ thuộc vào R .
R càng tăng thì càng giảm và đặc tính cơ càng mềm . Đây là điều
hoàn toàn không mong muốn .

* Nhận xét :
- Phơng pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản
bằng cách giảm độ cứng đặc tính cơ . Nó là phơng pháp điều chỉnh không

triệt để dải điều chỉnh phụ thuộc giá trị của mômen cản , độ chính xác duy
trì tốc độ không cao , độ tinh chỉnh kém .
- Khi điều chỉnh tốc độ xuống thấp , sai số tốc độ càng lớn và mômen ngắn
mạch càng nhỏ nghĩa là độ duy trì tốc độ và khả năng quá tải kém , ngoài ra
11




Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

SVTK :

số cấp điện trở có hạn , và việc điều chỉnh không trơn . Tất cả những
nguyên nhân trên đều hạn chế dải điều chỉnh
- Đặc biệt phơng pháp này gây tổn thất nhiều năng lợng do đó giảm hiệu
suất hệ thống .

b. Thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi từ thông .
- Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi thay đổi từ thông nh hình vẽ .

n
uƯ

+

a'

a

b''
a''

b'

tn

đc

2 1

ckt

c

- Khi điều chỉnh từ thông ngời ta không đặt vấn đề tăng từ thông vì :
+ Không cho phép nâng dòng kích từ lớn hơn định mức . Hơn nữa nếu
= đm mà tiếp tục tăng thì mạch từ bão hoà từ thông không thể tăng đợc nữa . vì vậy khi điều chỉnh từ thông ngời ta sẽ giảm từ đm trở xuống .

x =

Udm Ru
Udm
Ru

I=

M
Kx Kx
Kx ( Kx) 2

khi giảm đm xuống 1, 2 với 1 > 2 .
Tại A có : xlA
Mc = const
= đm
- Khi giảm từ đm xuống 1 do quán tính cơ cha kịp thay đổi nên cha
thay đổi và chuyển sang A , M giảm xuống M A < Mc => tốc độ giảm và
động cơ làm việc xác lập tại B

12




Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

SVTK :

- Khi giảm từ đm xuống 2 do quán tính cơ cha kịp thay đổi nên cha
thay đổi và chuyển sang A , M giảm xuống MA > Mc => tốc độ tăng và
động cơ làm việc xác lập tại B .
- Nh vậy khi giảm từ thông tốc độ có thể tăng hoặc giảm chứng tỏ phải có
một giá trị cực trị thoả mãn .
đm giảm > cực trị thì tốc độ giảm .
đm giảm < cực trị thì tốc độ tăng .
- Khi thay đổi từ thông thì :
Mnm = KI = var .

=

( K ) 2
Khi càng giảm thì đặc tính cơ càng dốc ( đây là
Ru

điều hoàn toàn không mong muốn vì sẽ làm cho St tăng )

* Nhận xét :
Khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông thì
- Vì công suất mạch kích từ nhỏ nên việc điều chỉnh là dễ dàng và tổn hao
công suất ít
- Khả năng tự động hoá cao .
- Độ cứng đặc tính cơ giảm mạnh khi từ thông giảm và tốc độ không tải lý
tởng tăng , sai lệch tĩnh tăng .
- Dải điều chỉnh khi thay đổi từ thông nói chung là không rộng .
- Khi giảm từ thông để tăng tốc độ thì điều kiện chuyển mạch cổ góp xấu đi
vì vậy để đảm bảo điều kiện chuyển mạch bình thờng thì phải đồng thời
giảm I => mômen cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh .
- Do điện cảm lớn nên hằng số thời gian lớn , thời gian quá độ dài .

c. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt lên phần
ứng động cơ .
- Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng cho nh hình
vẽ .

13




Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

SVTK :

n
uđk

bbđ

nomax = no1
no 2
no 3
no 4
nomin = no5

đc
ckt

=

m

Ux
R
Ux
R

I=

M
Kdm Kdm

Kdm ( Kdm) 2

Khi U giảm thì tốc độ giảm

0 x =

Ux
cũng giảm khi U giảm .
Kdm

( K ) 2
= const .
=
R
Dải điều chỉnh lớn :

D=


1
Mdm
Kqt 1

0 max

Trong đó Kqt : hệ số quá tải Kqt < 2
Độ trơn điều chỉnh : i =

i +1
1

i

* Nhận xét :
- Đây là phơng pháp đợc đánh giá tốt , nó là phơng án điều chỉnh triệt để ,
nghĩa là có thể điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi không
tải lý tởng , phơng pháp này đảm bảo sai số tốc độ nhỏ , khả năng quá tải
lớn , dải điều chỉnh rộng và tổn thất năng lợng ít.
- Phần tử điều khiển nằm ở mạch điều khiển bộ biến đổi nên độ tinh điều
khiển cao , thao tác nhẹ nhàng và khả năng tự động hoá cao .

14




Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

SVTK :

- Khi thay đổi U độ cứng đặc tính cơ không thay đổi nên giảm sai lệch tĩnh
- Đặc biệt phơng pháp này rất thích hợp với loại tải mang tính chất phản
kháng và bằng hằng số ( Mc = const ) .

* Nhận xét chung :
Qua việc phân tích cấu tạo , đặc điểm cũng nh các phơng pháp điều chỉnh
tốc độ đối với từng loại động cơ . Đồng thời căn cứ vào yêu cầu công nghệ
đòi hỏi thiết kế hệ truyền động điện với chất lợng cao , Mc = const mang
tính chất phản kháng với dải điều chỉnh rộng , điều chỉnh tốc độ dễ dàng ,
yêu cầu có đảo chiều và quá trình quá độ xảy ra thờng xuyên nên ta chọn
động cơ một chiều kích từ độc lập làm động cơ cho truyền động chính và

chọn phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp mạch phần
ứng vì những u điểm nổi bật của chúng .
I.2. Phân tích chọn bộ biến đổi :

Cấu trúc phần mạch lực của hệ thống truyền động điều chỉnh động
cơ bao giờ cũng cần có bộ biến đổi , các bộ biến đổi này cấp điện cho mạch
phần ứng hoặc kích từ của động cơ . Cho đến nay trong công nghiệp sử
dụng 4 bộ biến đổi chính
- Bộ biến đổi máy điện gồm : Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc
máy khuếch đại .
- Bộ biến đổi điện từ : Khuếch đại từ
- Bộ biến đổi chỉnh lu bán dẫn : Chỉnh lu Tiristor hoặc Diôt
- Bộ biến đổi chỉnh lu không điều khiển + xung áp một chiều : Tranzitor
hoặc Tiristor
I.2.1 : Bộ biến đổi máy điện

- Bộ biến đổi này gồm máy phát một chiều kích từ độc lập phát ra điện áp
cung cấp cho mạch phần ứng động cơ , máy phát này thờng do động cơ sơ
cấp không đồng bộ 3 pha ĐK kéo quay và tốc độ quay của máy phát là
không đổi .
Sơ đồ nguyên lý nh sau :
15




Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

SVTK :

đk

đ

ukF
uđk

uF = uD

bbđ

Ngời ta đã chứng minh đợc :
E F = K F . F . F = K F . F .C.i KF
i KF =
C=

U KF
R KF

F
i KF

KF : Hệ số cấu trúc máy phát .
C : Hệ số góc của đặc tính từ hoá .
Vậy sức điện động của máy phát tỉ lệ điện áp kích thích bởi hệ số hằng KF
E F = K F U KF
Khi ta thay đổi UKF sẽ thay đổi đợc EF tức là thay đổi đợc điện áp đặt lên
động cơ
Nếu đặt R = RF + RD Thì ta có phơng trình đặc tính của hệ nh sau :

=

KF
R
U KF
I
K
K

KF
R
U KF
M
K
( K ) 2
M
= 0 (U KF .U KD )
.U KD

=

16




Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

SVTK :

Từ hệ trên ta thấy khi điều chỉnh dòng kích thích máy phát thì điều chỉnh đợc tốc độ không tải còn độ cứng đặc tính cơ thì không đổi .

* Nhận xét :
_ Ưu điểm : Đây là một hệ thống cổ điển nhng vẫn thờng đợc sử dụng bởi :
+ Đơn giản , dễ điều chỉnh , độ tin cậy cao , ít phụ thuộc vào sự thay đổi
của nhiệt độ môi trờng .
+ Điện áp ra bằng phẳng gần nh không có sóng hài bậc cao .
+ Dải điều chỉnh D = 10/1ữ30/1 . Khi sử dụng các biện pháp ổn định tốc độ
dải điều chỉnh D có thể đạt D= 100/1ữ200/1
+ Có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp
+ Hệ thống làm việc linh hoạt ở bốn góc phần t
+ Thực hiện tốt việc đảo chiều và các chế độ hãm
+ Phù hợp với tải Mc = const
- Nhợc điểm
+Công suất lắp đặt của hệ thống lớn gấp 5 lần công suất tải
+ Việc gia công nền móng tốn kém , diện tích lắp đặt lớn
+ Bảo quản phức tạp , gây tiếng ồn lớn
+ Hiệu suất không cao do sử dụng nhiều máy điện .
I.2.2 : Bộ biến đổi điện từ :

Sơ đồ nguyên lý nh sau :

17




Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

SVTK :

a b c

+

-

Bằng cách thay đổi giá trị nguồn cấp cho KĐT ta sẽ thay đổi đợc giá trị
điện áp ra của bộ biến đổi và thay đổi đợc tốc độ động cơ .

* Nhận xét :
- Ưu điểm :
Phạm vi điều chỉnh tốc độ tơng đối rộng , dễ chế tạo , bền , giá thành hạ
- Nhợc điểm :
+ Độ linh động điều khiển kém , đảo chiều khó khăn .
+ Quán tính của hệ lớn do ảnh hởng của điện kháng khuếch đại từ .
+ Hệ số công suất thấp , khi điều khiển chịu ảnh hởng phi tuyến của đặc
tính từ hoá mạch từ .
I.2.3 : Bộ biến đổi chỉnh lu không điều khiển + xung áp một chiều .

Sơ đồ nguyên lý nh sau :
uđk

bbđ
18

ud

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

SVTK :

- Điện áp đặt lên động cơ có dạng xung , muốn vậy phải có bộ nguồn một
chiều , thông thờng bộ nguồn này lấy từ bộ biến đổi chỉnh lu không điều
khiển ( chỉnh lu điôt ) .
- Điện áp trung bình trên tải có dạng :
1 t1
1 t2
U .t1
Utb =
udt
+
udt
=
= U .
Tck 0
Tck t1
Tck
Bằng cách thay đổi giá trị của ta sẽ thay đổi đợc giá trị của Utb và tốc độ
động cơ thay đổi theo .
Về lý thuyết có 3 cách thay đổi là :
+ Giữ nguyên Tck và thay đổi t1
+ Giữ nguyên t1 và thay đổi Tck
+ Kết hợp cả hai cách trên : Nhng phức tạp và ít dùng thông thờng dùng
cách 1

* Nhận xét :

+ Đặc điểm của bộ biến đổi xung áp là : Sử dụng các linh kiện bán dẫn nên
tổn hao ít , không phụ thuộc nhiệt độ môi trờng , khả năng tự động hoá
cao , tuy nhiên sơ đồ phức tạp , mạch điều khiển cũng phức tạp .
I.2.4 : Bộ biến đổi chỉnh lu bán dẫn : dùng Tiristor

ud

fx
uđk

19




Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

SVTK :

- Trong bộ biến đổi van , các van làm nhiệm vụ biến nguồn xoay chiều
thành nguồn một chiều cấp cho phần ứng động cơ và giá trị này có thể thay
đổi đợc bằng cách thay đổi Uđk
- Nguyên lý điều khiển : khi có Uđk thông qua bộ phát xung ( FX ) sẽ điều
khiển các Tiristor và nhận đợc điện áp chỉnh lu . bằng việc thay đổi Uđk ta
sẽ thay đổi đợc góc mở của T và thay đổi đợc giá trị điện áp đầu ra .

*Nhận xét :
_ Ưu điểm
+Ưu điểm nổi bật của hệ thống này là tính tác động nhanh hệ thống gọn
nhẹ , dễ tạo ra hệ thống vòng kín , hệ thống nâng cao đợc độ cứng đặc tính

cơ và mở rộng phạm vi điều chỉnh . Có thể điều chỉnh vô cấp , sai lêch tĩnh
nhỏ .
+ Dễ tự động hoá hệ thống , tác động nhanh ,hoạt động tin cậy không gây
ồn , không cần nền móng đặc biệt và hiệu suất cao
_ Nhợc điểm
+ Hệ thống chịu nhiều ảnh hởng của nhiệt độ khi dòng nhỏ suất hiện vùng
gián đoạn , khả năng linh hoạt khi di chuyển trạng thái không cao , hệ
thống đảo chiều phức tạp , khả năng quá tải của các van kém .
+ Do các van có tính phi tuyến nên điện áp chỉnh lu ra có dạng đập mạch
rất cao .

* Nhận xét chung :
Sau khi đa ra 4 phơng án trên kết hợp với các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật
và khả năng vận hành cùng với điều kiện phát triển của khoa học kỹ thuật
chọn phơng án dùng T-Đ . Vì phơng án này có nhiều u điểm phù hợp với
yêu cầu công nghệ

20




Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

SVTK :

Phần II : Chọn và phân tích mạch động lực :
II.1 : Chọn mạch động lực :

Với bộ biến đổi van có rất nhiều sơ đồ đấu dây khác nhau nhng có

thể chia làm 2 loại đấu dây chính là đấu dây hình tia và hình cầu:
Theo lý thuyết cả 2 loại sơ đồ trên đều có thể thực hiện với m pha khác
nhau nhng do giới hạn của việc thiết kế máy biến áp động lực nên thông thờng chỉ có những sơ đồ chỉnh lu sau đây :
- Với sơ đồ chỉnh lu hình tia :
+ Tia 1 pha
+ Tia 2 pha
+ Tia 3 pha
+ Tia 6 pha
+ Tia 12 , 24 pha ( rất ít gặp )
- Với sơ đồ chỉnh lu hình cầu :
+ Cầu 1 pha : 4T hoặc 2T + 2D hoặc 4D + 1T
+ Cầu 3 pha : 6T hoặc 3T + 3D
Sau đây ta sẽ đi nghiên cứu từng sơ đồ cụ thể
Ii.1.1 Sơ đồ nối dây hình tia .

- Số van chỉnh lu bằng số pha nguồn xoay chiều .
- Các van có một điện cực cùng tên nối chung .
- Hệ thống điện áp nguồn xoay chiều m pha phải có điểm trung tính , trung
tính nguồn là một điện cực còn lại của điện áp chỉnh lu .
Muốn giảm dòng qua T và tăng độ bằng phẳng của điện áp ra ta tăng số tia
lên , về lý thuyết ta có thể tăng từ 1 ữ tia nhng thực tế không thể vì số tia
phụ thuộc số cuộn dây biến áp nguồn , thông thờng gặp : n = 1 , 2 , 3
( Dòng nhỏ đến trung bình ) ,n = 6 ít dùng ( dòng tải lớn ) .

+ n = 1 : Sơ đồ chỉnh lu tia một pha :

21

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ
t

ba
*

SVTK :

*
d0

đ

Đây là sơ đồ đơn giản nhất , Sơ đồ này thờng sử dụng ở dạng có D0 và đợc
ứng dụng trong một số trờng hợp sau : Hệ thống truyền động điện dùng
khớp ly hợp điện từ , để cung cấp điện áp một chiều điều chỉnh đợc cho
một số thiết bị khác

+n =2 : Sơ đồ chỉnh lu tia 2 pha :
t1

ba
*

*
đ
k

d0

t2

Chỉnh lu tia 2 pha có hoặc không có D0 .
Khi không có D0 điện áp trên tải có dạng :
2 +
ud =
U m sin tdt = U ( 0) cos
2.
Điện áp trên tải vẫn còn phần điện áp âm ( phần nghịch lu ) .
Dòng qua các T :

I aT

I
1 +
=
I L dt = L

2
2

Khi đóng K ( có D0 ) : phần điện áp âm trên tải không còn nữa và điện áp
trên tải là :
u d = U (0)

cos + 1
2
22

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ
I aT

IL
1
=
I
d

t
=
( )
L
2
2

I D0

I .
2
=
I L dt = L

2 0


SVTK :

Tuy nhiên phổ biến hiện nay với sơ đồ hình tia ngời ta thờng sử dụng n = 3
( chỉnh lu hình tia 3 pha ) dù tải là cảm hay trở thì dòng qua tải luôn liên tục
. Ngoài ra ta cũng có thể mắc song song ngợc hai bộ biến đổi hình tia 3 pha
để đảo chiều quay cho động cơ

* n=3 Giả sử xét một sơ đồ chỉnh lu hình tia 3 pha nh sau :
a

b

c

atm

k

k

k

ba
ck

t3

r
c

t2

r

t1

c

r
c

Khi cha có D0
Giản đồ điện áp và dòng điện nh sau :

23

đ

ckt




Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

u



ua ub
t1

0

iT

v1

uc

t2
v2

t3
v3



2

0

iT



1

0

iT

SVTK :



3

0

uT



1

0



Từ giản đồ điện áp ta thấy luôn tồn tại một phần điện áp âm
Hoạt động đợc tóm tắt nh sau:
- Giả sử tại thời điểm t = +/6 thì T3 dẫn dòng , T1 , T2 khoá
Tại thời điểm v1 . uac > 0 đồng thời cho xung vào T1 mở , T3 đặt điện áp ngợc nên khoá lại , T2 vẫn khoá ,ud = ua
- Đến t = , ua = 0 và chuyển sang âm , nhng T1 vẫn mở vì nhờ sđđ tự
cảm của Ld ( đây chính là phần điện áp âm trên hình vẽ )
- Đến t = +5/6 = v2 thì uba > 0 và có xung điều khiển -> T2 dẫn dòng
- Đến t = v3 Thì T3 dẫn dòng , các T thay nhau dẫn dòng -> dòng qua các
T là liên tục .
24

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

SVTK :

Điện áp trên tải tính theo biểu thức :
u d = U ( 0) cos
I Ltb =

Id
3

Để cắt phần điện áp âm ngời ta mắc D0 song song tải ( K đóng ) .
Lúc đó T1 chỉ dẫn đến là dừng dẫn ( do phần điện áp âm trên tải khép
mạch qua D0 ) , T2 và T3 cũng tơng tự

ud =

U (0)
3

[1 + cos( + / 6)]

IL
(5 / 6 )
2
I
= d 3( / 6)

2

I Ttb =
I D0

.ii.1.2 : Sơ đồ nối hình cầu :

Phổ biến hiện nay là sử dụng sơ đồ cầu 1 pha và 3 pha.

- Sơ đồ chỉnh lu cầu 1 pha :
có nhiều cách mắc

t4

t1

d1

t1

t2

t3

d2

t2

đ

đ

ckt

ckt

Hình a

Hình b

25